空气源热泵热水器的准稳态模型.doc

ELSEVIEREnergyProcedia专业术语A面积[m2]U传热系数[w/m2k]LMTD平均温差[k]C热容[w/k]C比热 J /kg °C]ph焓 J/kg]p密度[kg/m3]P压强[pa]n效率m质量[kg]LLLibanese Lira标识1,2,3第1,第2,第3区e蒸发器c冷凝器k压缩机v阀f饱和液体g饱和气体i内部o外部Available online at ScienceDirectEnergy Procedia 6 (2011) 325-330MED GREEN 2011-LB空气源热泵热水器的准稳态模型作者 Farouk Fardouna, Oussama Ibrahima, Assaad Zoughaibb摘要热泵系统可以在大量的应用中被发现其中之一是生产生活热水本文提出了一种准稳 态仿真模型来预测一个简单的空气源热泵热水器（ASHPWH）的性能数学模型包括了基 本的系统组件模型，即，蒸发器，冷凝器，压缩机和膨胀阀这些模型的建立是基于传热和 热力学的基本原则该模型被编码到MATLAB软件和用于预测系统参数的效益，如热水温 度，蒸发和冷凝压力，未传递给冷凝器的热量，电功率输入，供热季节的性能系数，和性能 系数。

1•介绍有关能源危机和气候变化问题在过去十年中显著上升，并且作为一个主要问题阻碍了许 多国家社会经济的发展这些问题严重影响着能源需求和环境安全，并且由于地中海区域较 高的自然气候变化率和其独特的地理位置，这些问题显得尤为重要在此基础上，寻找新的 无污染能源来确保地中海区域可持续的未来是相关政府部门的一个主要目标热泵是一种高 效的机械设备，它通过采用可再生能源如太阳能，周围空气能，地热能或废热产生低污染物 的热量空气源热泵热水器（ASHPWH），基于卡诺循环的原理，可以在较低的温度下从空 气中吸收热量，并将其转移到一个水箱一一一个处于较高温度的吸热设备用于消耗来驱动 系统的机械能仅仅是所传送能量的一小部分约30%）qm质量流量［kg/s］w转速[rps]V体积［m3］Q,q热量［w］T温度［K］w水r制冷剂R水库mec,ele机电vol体积热泵已经开发拓展到很多种形式，但很少涉及热泵热水器Fu等人［1］提出了用具有四 个步骤的能力的螺杆式压缩机的空气一水的双模式热泵的动态模型研究了添加额外的压缩 机容量分段方式的动态响应MacArthur和Grald ［ 2 ］提出了一个蒸汽压缩热泵模型。

该换 热器有着详细的分布配方作为蓝本，而膨胀器件被建模为一个简单的固定节流孔Kima等 人［3 ］提出了一种热泵驱动的热水器系统的动态模型，采用有限体积法来描述该热交换器 Techarungpaisan等人［4］提出了一种稳态仿真模型来预测一个配有集成热水器的小型分体式 空调机的综合性能模型采用的是旋转式压缩机和毛细管2•数学模型一个典型的空气源热泵热水器被应用到了这项研究中（图1）它是由热泵系统的主要 组件所构成，即压缩机，蒸发器，冷凝器和节流装置包括了热水储存装置在模拟的压缩机 中，简单稳态模型采用适当的容积效率和压缩过程被假定为是绝热的以等熵效率一个电子 膨胀阀被用来控制蒸发器出口的过热度膨胀过程被认为是等焓的关于热交换器，采用的 是对数平均温差法（LMTD）和传热单元数法（NTU七）蒸发器的模型是一个由管子和散热片 组成的热交换器，而逆流方向的同心管的热交换器的模型被选择为冷凝器两个热交换器被 假定为是长的，薄的，水平管道，与此同时忽略制冷剂在管路中的轴向流动和沿着热交换器 管路的压降平均空隙率［5］用于计算在两相区的流体性质，而平均性质则被假定在单相区2・1•压缩机有三个关键参数与压缩机模型的性能相关：质量流量mk）,出口焓值（hk ），和输入k k,out功率（wk）,这些是由方程（1）,（2），和（3）分别给出的：k叫=叫啓血。

1 式中 Pk = P（Pk,in，hj,m），%］ = f1（Pration,叫）（1）hk,o _ 1/^k[hk, o, isen - hk, in（1 - ^k, isen）]⑵Wk =叫（%,一 hk,i）/（HmecIQ（3）2・2•膨胀阀o min al （4）有两个关键的参数预计出阀模型:「质量流量和出口焓这是由方程（4）及（5）分别给出 m = C^/p（P. — P t）式中 Cd = % / JpG. - P t）-nv d in out d v in outh . = h （5）v, in v, out23•冷凝器冷凝器被分为三个区域，即过热区，两相区和过冷区每个区域都有集总参数传热率 （qc1）,出口水温和过热区的面积是分别是从方程（6），（7）与（8）计算得出Qc1 = mr（hci - hcg）（6）T _ = T + q Jc （7）1o w1i c1Ac1 = %/（51忙"丁比1）式中 LMTDd =（Tci-Twi）-（TCO1-TWO1）（8）ln（T.-T ,）Ci Wi、T__-T丿CO1 W01 丿传热速率（qc2），出口水温和的两相区的面积采用过热区相同的方式计算。

过冷区的面积是 从之前的区域面积推算得到：Ac3 = Atotal - （Ac1 + Ac2）， 然后这个区域的传热单元数（NTU） 和效率系数（£ ）方程（9）和（10）中分别计算得出接着，最大和实际传热率将从从方 程（11）和（12）分别计算得出U * ANTU =亠 C3（9）minC .=（10）V -max1 — e - NTU*（1+C ）S= 式中C（11）q3 = C.（T3.-T 3，）c3 max min、 c3i w3izqc3 = S *qc3max（12）最后，制冷剂与水在冷凝器出口温度是从方程（13）和（14）分别计算得出Tco = Tc3i + qc3/Cr （13）T 3 = T 3. + q3/C （14）3o w3i c3因此冷凝器的总传热率是：Qc = qc1 + qc2 + qc3注意，一个区域的出口水温等于下一个区域的进水温度.在相同的方法下，蒸发器被分成两 个区，即两相和过热区并且几乎采用在冷凝器用的相同计算过程2・4•贮液器热水贮存器存储被加热的水准备好被提供给需求站点为了建造模型，以下制造了几个 假设：（1）热水容器中是均匀温度（不考虑分层）（2）从容器的壁面上没有外部的热损失, 以及（3）在贮存器中的热水总量是不变的（没有在加热过程消耗水量）。

应当指出的是，在贮存器中的平均水温（T/首先在计算过程开始的时候被初始化，平均R水温的新值（Tr ）将由公式（15）来计算得出如果Tr 与预先设定的热水温度值不R,new R,new同，新的值用于接下来重复计算此过程不断重复，直到Tr达到预先指定的值,通常为60°CRQ *dtTR，new = TR + mC-（15）w pw3係统模拟模拟空气源热泵热水器的目的是预测某些工况下机组的性能首先，输入的几何参数进 行设置并且假定p，p和tr的初始值其次，压缩机，冷凝器，膨胀阀和蒸发器的子程序 c R进行连续地运行随后，将冷凝器出口的质量流速与膨胀阀的质量流速进行比较如果该差值大于某个预先指定的公差，然后就调整P，正值或负值的影响取决于质量流速的差异，c并重复整个周期另外，计算贮液器中的水温并且新的时间迭代将开始这将被不断重复, 直到在贮液器中的水温达到一定预先设定的温度4•结果与讨论该模型被编码成为MATLAB仿真程序并且被用于预测系统参数的性能，如热水温度， 冷凝和蒸发压力，制热量，电输入功率和性能系数下图显示了一些模拟结果在周围空气的 温度为15 Co图2-A,2-B呈现了冷凝和蒸发压力，输入的电功率和制热量随时间的变化。

冷凝压力逐步上 升，从仿真时间的开始到结束，这是由于水温的不断增加此外，输入电功率从500W逐渐 上升到860W；但是，加热量随时间逐渐减小图3 （a）显示出在一个200L的贮液器中整 个加热过程中水温的变化图3 （b）显示示出了性能系数相对于时间的变化，从中观察到 性能系数开始于一个峰值并且逐渐减小，直到模拟结束使用简单的电热水器在一个200L的贮液器中将水温从20C加热到60C，我们会根据下面 的关系式消耗约 9.3 千瓦时，假设一个理想的电阻：kwh = mw*cpw*（Tfinal-几伽）/3600000这意味着它的成本约1856 LL,转换到电能平均为200 LL/千瓦时然而，使用使用空气源热泵热水器，并通过准稳态模型，它表明只有2.6千瓦时被消耗，并 且成本大约只有520LL,在相同的工作条件因此，通过简单的计算，我们发现约70%的 能源和经济性被节省下来此外，从环保上考虑，在200L的贮液器中使用电阻热水器会产生6.5公斤二氧化碳，而使 用全空气源热泵热水器将会减少1.82千克的二氧化碳此外，供暖季节性能系数(HSPF)的计算，预计每天消耗200L，在冬季(1月，2月，3 月)平均环境温度为15°C，被认为是将近12.3。

该系统的平均COP (=0.293 HSPF)为3.6 左右5•结论准稳态模型是用MATLAB软件开发的，以此来研究空气源热泵热水器(ASHPWH)的 特性进行开发的换热器是由LMTD和NTU- 8方法建立的并且执行器组件是由静态设计建 模的在所创造模型的基础上，对空气源热泵热水器性能特点的研究有压力，温度，输入电 功率，加热和制冷能力，采用R134a的200L贮液器和15C环境温度模拟结果表明，约 70%的能量和成本降低，相比较传统的电热水器，与此同时70%的环境污染被减少通过计 算二氧化碳的产生量fldie-JnshJt2000 4000 6000 3000 10000 12000 14000Tlmefs)2000 4000 6000 SOU WOOD 12000 14000Time (siFig. 2- (a) Condensing and evaporaling pressures; (b) Hcaning and input electrical power capacitiesd 2000 4000 ^00 son ltucn 12 on 14000Ti me •国6.5£5.5d sS 4.54iSazs22 on 血0 aooo uboo laoooTime 倒L'ig. 3. (a ) Reservoir water lemperature； (b) COP6•参考文献[1] Fu L, Ding G, Zhang C. Dynamic simulation of air-to-water dual-mode heat pump with screw compressor. Applied Thermal Engineering 2003, 23:1629-45[2] MacArthur JW, Grald EW. Jr. 1989 Unsteady compressible two-phase flow mod。