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水源热泵机组的变工况特性研究
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内容提示：简介 本文通过对水源热泵机组的压缩机、冷凝器和蒸发器的变工况特性分析和计算，得到水源热泵机组变工况特性模型，对该模型进行误差检验，其误差均在允许范围内。应用水源热泵机组变工况模型，可以清楚、方便地对水源热泵机组进行变工况分析研究，对于以后水源热泵机组及其空调系统的优化设计等其它方面的研究都具有一定的参考和实用价值。
简介： 本文通过对水源热泵机组的压缩机、冷凝器和蒸发器的变工况特性分析和计算，得到水源热泵机组变工况特性模型，对该模型进行误差检验，其误差均在允许范围内。应用水源热泵机组变工况模型，可以清楚、方便地对水源热泵机组进行变工况分析研究，对于以后水源热泵机组及其空调系统的优化设计等其它方面的研究都具有一定的参考和实用价值。（参考《建筑中文网》）
关键字：水源热泵 变工况 数学模型
1、概述
目前，水源热泵系统因是一种新型的、利用地球表面或浅层水源（如地下水、河流和湖泊）以及人工再生水源（工业废水、中水、地热尾水等）的既可供热又可制冷的节能、高效环保系统，愈来愈多地受到建设机构、设计单位、房地产商、生产厂家以及公众的关注和应用。水源热泵机组的特点应用在于冷热源介质和工作温度范围变化较大，因此研究水源热泵机组的变工况特性就更具有必要性。本文试图对水源热泵机组的变工况特性的进行研究，通过理论分析和科学计算，从理论上建立水源热泵机组变工况模型，并对机组变工况特性进行分析，对今后水源热泵机组及其空调系统的优化设计等其它方面的研究都具有一定的参考和实用价值。
在这里，水源热泵机组的变工况特性研究涉及主要部件：压缩机、冷凝器和蒸发器。由于机组节流装置的内容积相对整个水源热泵机组来说是很小的，因此，节流装置对机组的影响很小，可忽略不计。
2、压缩机的变工况特性研究水源热泵机组压缩机的变工况特性，首先需要建立其数学模型。水源热泵机组压缩机数学模型的形式不仅取决于研究对象的性质，还取决于待解决问题的性质。本文的研究目的在于选用合适的压缩机，有利于水源热泵机组的优化设计，因此建立其数学模型时并不要求准确反映机组压缩机内部的工作过程，而是侧重于反映对于水源热泵机组性能有影响的参数，目的在于选用合适的压缩机，使之与该机组的其他部件匹配好。为抓住主要矛盾，我们首先对水源热泵机组压缩机的理论循环进行分析。
2.1 理论变工况特性
水源热泵机组压缩机的理论循环示意图如图1所示。在进行水源热泵机组压缩机理论变工况特性分析时，参照文献（3），首先可做如下假设：
(1) 汽化潜热
随温度的变化规律：
(1)
式中
代表工质的临界温度，
，
是随工质而定的常数。
(2) 工质的
液态定压比热
为常数，且液体定压加热过程线与饱和液体线重合。
(3) 取工质蒸发温度
对应下的饱和液体的焓为工质焓值的计算基准点。
(4) 在求解水源热泵机组的耗功量时，为了简化问题分析可把工质的原放热过程2—4由过程线6—4代替。
作如上假设后，对照图1，经过分析可导出水源热泵机组的耗功量：
(2)
上式中
为冷凝温度，为蒸发温度，为工质的液态定压比热，
为制冷剂流量。
水源热泵机组在制热工况下，在冷凝器中的放热量为：
(3)
水源热泵机组在制冷工况下，其制冷量为：
(4)
由于水源热泵机组制冷、制热两种工况非同一循环，因此必须明确上述公式中：
。
若取
，
，则水源热泵机组的理论性能系数：
(5)
若考虑有过冷和干法压缩，对照图1近似取
，则水源热泵机组的理论制冷量、制热量和耗功量分别为：
(6)
(7)
上式中，
为过冷度，
为过热度。
若制冷剂的性质一定，既则可根据文献（4）查出相关制冷剂的热物性参数，由已知蒸发温度、冷凝温度求出水源热泵机组的理论制冷量、制热量、耗功量及性能系数。
2.2 压缩机的实际变工况特性
水源热泵机组的实际循环与理论循环的差别主要是由两大因素组成，其一是系统中的制冷剂外界进行的热交换，其二是流动阻力。以蒸发式压缩制冷为例，实际制冷循环如图2所示。图中12341是一般蒸汽压缩式理论循环，
为实际循环。对热泵机组的实际循环的研究，是在上述理论研究的基础上，考虑实际因素的影响，引入适当的修正系数来进行的。
水源热泵机组的实际制冷量可以在理论制冷量的基础上引入制冷量修正系数来进行计算，即令：
(9)
式中，
：制冷量修正系数。
同理，亦可将水源热泵机组的实际制热量和耗功量表示成以下形式：
(10)
(11)
式中：
， 
分别为制热量和耗功量修正系数。
影响水源热泵机组制冷量修正系数（）、制热量修正系数（）和耗功量修正系数（）的实际因素主要包括压缩机的运行工况、压缩机的结构特点以及制冷剂的性质等，以往的研究中，当压缩机的结构和制冷剂的性质一定时，通常将其整理成蒸发压力和冷凝压力的函数关系，考虑到蒸发温度、冷凝温度和蒸发压力、冷凝压力存在着一定关系，研究中进一步将上述修正系数表示为蒸发温度和冷凝温度的函数关系，使其更具有直观性。通过对计算数据的观察、分析和反复尝试过程，发现以下形式的关系式既简单，又有较好的回归精度：
上式中，A，B，C，D，E，F：由实验而确定的系数；
：多变指数，取决于制冷剂的性质。
本研究中针对螺杆式压缩机（采用R22制冷剂），根据厂家提供的压缩机试验数据，进行了计算与分析。已知：制冷剂R22，理论输气量：133m3/h，气体比热：0.699kj/kgk，液体比热：1.319kj/kgk,过热度和过冷度均为5℃。计算中首先根据压缩机的性能曲线，查得该压缩机的实际制冷量
和耗功量
并求出实际制热量
，然后根据式（6）（7）（8）计算出该压缩机的理论制冷量
、耗功量
及理论制热量
，进而通过式（9）（10）（11）计算出热泵机组的制冷量、制热量和耗功量修正系数
。计算结果如下：
(12)
(13)
(14)
另外，对于某种型号的螺杆式压缩机（其他类型的压缩机也适用）来说，当使用的制冷剂一定时，其制冷量，耗功量，以及在冷凝器需要排出的热量，即制热量，由压缩机性能曲线图可以看出压缩机的制冷量与蒸发温度、冷凝温度呈某种指数关系，暂设：
，
，
，由于该压缩机用于水源热泵机组，并且机组实际具有制冷和制热两种工况，所以在非同一工况下，必须明确上述公式中：
。
首先求取水源热泵机组在制冷工况下，制冷量与蒸发温度、冷凝温度的指数函数关系。(1) 由式两边取对数，得到：
。(2) 根据压缩机性能曲线选取五个点对应的制冷量，求与、的指数函数关系。3) 由这五点对应的与、，分别构成20个线性方程式，并联立组成一个线性方程组：
(4) 最后，求解这个线性方程组。把该方程组看作一过限定系统，利用MATLAB6.0进行编程计算得到。解得
，
，
，即：
。最后求得：
(15)
同理，求得耗功量与蒸发温度、冷凝温度的函数关系：
(16)
机组在制热工况下，在求取制热量与蒸发温度、冷凝温度的指数函数关系时，考虑到该工况下：
，同理求得：
(17)
以上分析和计算得到的螺杆式压缩机在水源热泵工况下的运行特性数学模型能较准确地反应该压缩机的运行特性；并且从理论分析基础上给出的水源热泵机组制冷量，制热量和耗功量的计算公式更具有说服力，也更为准确。由于实际因素的影响，水源热泵机组制热工况的变化特性要较其制冷工况特性复杂，不能简单地按其制冷工况变化规律理解。
3、冷凝器、蒸发器的变工况特性3.1 冷凝器变工况特性
考虑水源热泵机组的运行特点：开停机不频繁，机组大部分时间处于稳定运行状态，这时，机组开停机时对冷凝器进行按过热区、两相区和过冷区分段处理就显得无足轻重，可以不予考虑；并且，本研究是从整体上进行冷凝器的研究，不必考虑冷凝器的具体结构，因此冷凝器内制冷剂的汽、液相变化从整个机组运行的宏观角度来看，也可以忽略，从而简化冷凝器的建模。于是作者尝试采用以下的方法建立冷凝器的数学模型。
建立冷凝器基于稳定运行状态的几个方面的假设：
1) 冷凝器的总换热系数为一常数，等于水源热泵机组在标准工况下冷凝器的换热系数。
2) 传热管外制冷剂的流动为一维均相流动，不考虑压降。实际制冷剂的流动是复杂的分相流动，而且实际冷凝器内管外侧由于结构布置上的原因，导致流速分布不均，会对换热造成一定影响，这与具体装置有关。
原文网址：http://www.pipcn.com/research/200612/8756.htm
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