水源热泵机组性能的模拟与实验

论文摘要

制冷空调装置性能模拟是制冷空调产品设计方法现代化的重要体现,将计算模型用于产品开发、优化,可以减少整机试验次数,缩短研发周期,节约研发成本。与传统风冷热泵、冷水机组相比,水源热泵机组具有显著的节能效果,有望得到更广泛的应用。本文建立了水源热泵机组性能模拟的计算模型,通过相应的实验验证了该模型的有效性,利用建立的计算模型模拟了各种工况下水源热泵机组的性能,得到了水源热泵机组的节能效果。主要研究工作包括以下三个方面。采用稳态集中参数模型分别建立了螺杆式压缩机、热力膨胀阀、壳管式冷凝器、满液式蒸发器等水源热泵机组的部件模型;根据能量守恒和质量守恒将各部件模型耦合为系统模型。为了优化计算模型,提高运算速度,改进了换热器的计算模型。在换热器模型中,仅假设制冷剂出口的焓值,而冷却或冷冻水的出口温度由能量守恒计算得到,无需迭代计算。由于压缩机出口压力可以根据压缩机的性能参数计算得出,在系统模型中,仅假设蒸发压力,不再产生确定冷凝压力的迭代计算。系统模型还考虑了膨胀阀开启度对热泵机组性能的影响,并由其控制系统质量平衡。为验证热泵机组计算模型的有效性,建立了水源热泵机组性能测试台,测试了某水源热泵机组的性能。将实验值和模型预测值对比,实验值和预测值的相对误差小于5%。由于江水水质的不同,会导致换热器的热阻变化。选用针对重庆市长江水水质特点研发的水源热泵机组,在不同的水质条件下进行测试。结果表明,在实验范围内,随着水质条件的恶化,该机组的性能系数最大下降了3.73%。由于重庆市处于冬暖夏热地区,冬季供暖负荷较小,一般满足夏季供冷要求既能满足冬季的供暖要求。为此,本文以供冷季为主要研究对象。根据重庆市长江水水温变化特点,预测了江水温度对水源热泵机组性能的影响。结果表明:江水逐时温度对机组性能系数影响很小,江水月平均温度变化导致机组性能系数最大下降5.01%。选用长江水为冷却水,应用系统模型计算分析得知,选用长江水作为冷源可以确保机组稳定可靠的运行,对机组的性能影响较小,有较大的节能潜力。针对某办公楼,应用该模型计算了不同机组组合方案下水源热泵机组和普通冷水机组的运行能耗。结果表明,不管是水源热泵机组还是普通冷水机组,运行能耗最低的组合方案都不是两台相同规格机组的组合。对比两种机组最佳组合方案的运行能耗可知,采用水源热泵机组可以取得13.1%的节能效果。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 主要符号表
• 1 绪论
• 1.1 热泵分类
• 1.2 水源热泵研究现状
• 1.3 制冷系统仿真研究
• 1.4 本文的主要研究内容及意义
• 2 水源热泵机组组件的数学模型
• 2.1 压缩机模型
• 2.1.1 出口压力的计算
• 2.1.2 出口温度的计算
• 2.1.3 制冷剂质量流量的计算
• 2.1.4 压缩机功率的计算
• 2.2 热力膨胀阀模型
• 2.2.1 能量方程
• 2.2.2 通道面积
• 2.2.3 流量特性
• 2.3 冷凝器模型
• 2.3.1 基本模型
• 2.3.2 温差的选择
• 2.3.3 算法设计
• 2.3.4 模拟结果
• 2.4 蒸发器模型
• 2.4.1 基本模型
• 2.4.2 算法设计
• 2.4.3 模拟结果
• 3 水源热泵机组的系统模型
• 3.1 制冷剂热物性参数计算
• 3.1.1 基本方程式
• 3.1.2 计算方法
• 3.1.3 计算结果
• 3.2 水源热泵机组稳态模拟模型的建立
• 3.2.1 系统模型中压降计算
• 3.2.2 算法设计
• 3.3 热泵机组模拟的结果与分析
• 3.3.1 热泵工况
• 3.3.2 制冷工况
• 3.3.3 压缩机输气量变化对热泵机组的影响
• 4 水源热泵机组性能测试
• 4.1 实验装置
• 4.1.1 实验系统
• 4.1.2 数据采集与控制
• 4.2 测试结果
• 4.2.1 数据处理与误差分析
• 4.2.2 实验测试结果
• 4.3 水质变化对水源热泵机组性能的影响
• 4.3.1 实验测试过程及结果
• 4.3.2 水质变化对传热的影响
• 5 水源热泵机组模型的应用.
• 5.1 长江水温变化对热泵机组性能的影响
• 5.1.1 重庆市江水资源概况
• 5.1.2 江水温度变化对热泵机组性能的影响
• 5.2 水源热泵机组的节能效果分析
• 6 结论与展望
• 6.1 主要结论.
• 6.2 进一步工作建议
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• A.作者在攻读硕士学位期间发表的论文目录
• B. 作者在攻读硕士学位期间参加的科研项目