水环热泵机组系统性能的模拟
摘 要 水环热泵机组是一能效比高、运行能量回收的空调设备，它主要由压缩机、室外侧换热器、室内侧换热器和膨胀阀组成。基于稳态分布参数方法和质量守恒、能量守 恒、压力平衡原理，本文建立了小型水环热泵机组部件及系统模拟的数学模型。对制冷剂为R-22、额定制冷量为3kW小型水环热泵机组制冷系统的制冷和热泵 运行工况进行了系统模拟，预测了系统的性能，分析了水源入口水流量和温度、室内空气温度对影响系统性能的影响。模拟结果对机组的性能预测、优化设计与控制 具有重要的指导作用。
关键词 水环热泵 系统性能 稳态模拟 分布参数模型
0 前言
水环热泵机组由于具有能效比高、运行能量回收、便于计量和施工维修方便等的特点，因此该机组得到了广泛的应用[1]。在水环热泵机组的设计开发中，主要还 是经验性设计，而若能用计算机仿真技术对系统进行模拟，则将取得更加高效的成果。对于制冷空调装置的模拟仿真研究，主要是为产品开发服务。在常规的设计 中，是先定下产品的性能目标，然后推断其工作状况，最后确定产品的结构，没有一套完整描绘整个系统特性的模型，仅是部分经过高度简化，能反映系统部分特性 的模型。而对于模拟而言，是先定下产品的结构，利用所建系统模拟模型可知具体的工作过程是如何的，在算出其工作过程的基础上，就可以得出在任意室内外空气 参数下的系统循环各主要状态点参数，如制冷量、耗功率、能效比COP及蒸发温度等系统重要性能参数，随室内外空气参数的不同及可能的变化范围计算出整机性 能参数，这就给系统的产品质量检验、系统的最优匹配设计及改善整机性能创造了极为有利的条件，从而实现系统的仿真以及系统的优化匹配[2-6]。本研究将 对小型水环热泵机组的部件建立数学模型，针对额定制冷量为3kW小型水环热泵机组制冷和制热工况进行模拟仿真，研究其系统的性能及影响性能的因素。
1 机组系统结构
如图1所示，水-风式水环热泵机组主要由压缩机、室外侧水冷（热）换热器、室内侧空气换热器和电子膨胀阀组成。模型对象为小型水-风室水环热泵机组，制冷 剂选用R22。系统的四个主要部件分别是小型滚动转子式压缩机、套管式室外侧换热器、翅片管式室内侧换热器和电子膨胀阀。
图 1 水-风式水环热泵系统图
2 数学模型建立分析
2.1 压缩机模型
对于装置仿真用压缩机模型，主要是建立压缩机的流量与功率、蒸发器和冷凝器的关系，以及计算出其他影响装置性能的参数，如排气温度等。其制冷剂流量、功率、排气温度 计算分别为[3] ：
(1)
(2)
(3)
式中， — 压缩机的理论输气量； — 压缩机环节吸气口的制冷剂气体比容； — 输气系数， —电机的理论功率； —电机效率。
2.2 室外侧换热器模型
& nbsp; 水环热泵机组在运行时处于动态平衡的稳定状态，可采用稳态分布参数模型，即把制冷剂管道分成若干微元段，用上一个微元段的出口参数作为下一个微元段的入口 参数。对一个微元段而言，管内外定性温度是未知的，故先假设微元出口参数（例如，在单相区假定制冷剂和水的出口温度，在两相区假定微元段制冷剂出口干 度），经过多次迭代计算，算出微元出口参数（温度、压力、干度）。
模型中，作冷凝器运行时分三个相区来考虑：过热区、两相区、过冷区；而作蒸发器运行时，分两个相区来考虑：过热区、两相区[2-3]。每个相区划分若干个 微元。对一个基本的微元建立能量守恒方程和压力平衡方程。
2.2.1 能量守恒方程
制冷剂侧、水侧和划分的微元总的能量守恒方程分别表示为：
(4)
(5)
(6)
式中， —微元换热量， —微元制冷剂质量流量， —微元制冷剂进出口比焓差， 为微元冷却水质量流量， 为微元水进出口比焓差， —水的定压比热； —微元水的进出口温差。
2.2.2 压力平衡方程
制冷剂压力平衡方程为：
(7)
式中， —微元制冷剂进出口压力差； —微元制冷剂流动阻力。
2.3 室内侧换热器模型
类似于室外侧换热器的模型建立，将管长分成许多微元段，把这些微元段作为控制体，上一微元段的出口参数为下一微元段的进口参数。
在计算过程中，对制冷剂而言要判断制冷剂的状态，是处于两相区还是过热（冷）区；对空气而言，要判断其是否析湿，如果析湿要计算热交换量和微元出口湿球温 度[3]。然后建立基本微元建立微元能量守恒方程、压力平衡方程和质量守恒方程。
2.3.1 能量守恒方程
微元段制冷剂侧的能量守恒方程与上述描述的一样，空气侧和微元总的能量守恒方程分别为
(8)
(9)
式中， —微元空气质量流量， —微元空气进出口比焓差， —空气的定压比热， —微元空气的进出口温差， —水的汽化潜热。
2.3.2 空气侧质量平衡方程
&nb sp; (10)
式中， —空气含湿量， —微元空气进出口含湿量差， —微元外表面凝结水量。
2.4 电子膨胀阀模型
电子膨胀阀的通流特性可以根据水力学原理进行描述。在一定的蒸发温度、冷凝温度和膨胀阀进口处流体制冷剂温度的情况下，通过膨胀阀的制冷剂流量可以按下式计算[7]：
(11)
式中， —电子膨胀阀入口压力； —电子膨胀阀出口压力； K—常数，对于R22制冷剂，K=15346； —流量系数。
3 算例结果及讨论
在稳态条件下，以额定制冷量3kW的水环热泵机组系统的制冷和热泵运行工况进行算例模拟，分析了水源流量和温度、室内空气温度对影响系统性能的影响。下面对系统仿真结果进行讨论。
图 2 制冷工况下冷却水流量对系统性能的影响 图 3 制冷工况下冷却水温度对系统性能的影响
3.1 制冷工况模拟
在进行制冷运行工况时，室外侧水冷换热器是冷凝器。冷却参数对系统性能的影响如图2~5所示。图2 图3分别是水源冷却水入口的流量和温度对系统的COP值的影响。从图可见，在其他参数是额定工况条件下，随着在冷却水温下降和冷却水流量增加，系统COP 值升高。图4表示水源冷却水的温度对系统制冷能力的影响，可见随着在冷却水温下降，系统制冷能力上升。
通过水环热泵机组回风温度就是室内空气温度。图5表示制冷工况下室内空气温度对系统COP值的影响。从图中可见，在其他参数是额定工况条件下，随着室内空气温度升高，系统COP值升高。
图 4 制冷工况下冷却水温度对系统制冷量的影响 图 5 制冷工况下室内温度对系统性能的影响
3.2 热泵工况模拟
在进行热泵运行工况时，室外侧水冷换热器是蒸发器。水源入口温度对系统性能的影响如图6所示，从图可见，在其他参数是额定工况条件下，随着在水源入口水温 增加，系统COP值升高。图7表示热泵工况下室内空气温度对系统COP值的影响。从图中可见，在其他参数是额定工况条件下，随着室内空气温度升高，系统 COP值下降。
图 6 热泵工况下水源入口温度对系统性能的影响 图 7 热泵工况下室内温度对系统性能的影响
4 结论
建立了小型水环热泵稳态模拟模型。 对其制冷和热泵运行工况进行仿真。结果显示在制冷工况下，随着冷却水温下降和冷却水流量增加，系统COP值升高；室内空气温度升高，系统COP值升高。在 热泵工况下，随着冷却水温增加和室内空气温度下降，系统COP值升高。
参 考 文 献
[1] 马最良等. 水环热泵空调系统设计.化学工业出版社,2005
[2] 丁国良, 张春路. 制冷空调装置智能仿真. 北京：科学出版社，2001
[3] 吴业正, 韩宝琦. 制冷原理及设备. 西安交通大学出版社, 1987
[4] 苏祖坚，伏龙，丁国良，张春路.螺杆冷水机组稳态仿真.低温工程, 2002，Vol. 125:53-60.
[5] Zhao Lei, Zaheeruddin M. Dynamic simulation and analysis of a water chiller refrigeration system. Applied Thermal Engineering, 2005, Vol. 25: 225 8-2271
[6] Baek, N.C., Shin, U.C. and Yoon, J.H., A study on the design and analysis of a heat pump heating system using wastewater as a heat source, Solar Energy, Vol. 78:427-440.
[7] 张乐平，张早校，郁永章, 电子膨胀阀流量特性及选型的分析，流体机械，2000,Vol. 53:51-54.
