1、 对复叠式 热泵 热水 系统准稳态分析的性能研究 摘要 :复叠式制冷系统 已用于热泵热水器以克服低温环境下高压缩比问题。在研究中，对级联热泵热水系统进行研究与准稳态分析，找出了系统的瞬态行为。水加热系统是采用了 R134a 和 R410a 作为制冷剂和水存储罐组成的热泵热水器。稳态 复叠式 热泵模型是基于 实验结果建立， 动态存储罐模型开发 由 热力学方程建立。该模型的计算与系统性能相关的几个主要参数，如加热容量，功耗， COP（性能系数），和储存罐中的温度分布。此外，该系统研究在各种条件下环境温度和热水需求对性能的影响。 关键词：复叠式制 冷系统 热泵热水器 数值模拟 准稳态 系统性能 0.
2、 引言 随着时代的发展，科技成功的改善人类的生活，但全球能量也随之剧烈消耗。在韩国， 能源消费总量已经从 193 百万吨油当量（ 2000）增长到 263 百万吨油当量（ 2010） 1 。由于能源消耗的不断增长，节能也引起人们的跟多关注，并创出各种技术以更有效的利用能源。 热泵热水 被称为空气 水热泵，也有节能的功能，与传统的电热水器相比，它可以有热水的两到三倍高效率的潜力 2 。 然而，如在其它热泵工作的情况下，热泵热水器有一个临界值的弱点，性能的下降与寒冷区域的效率问题 3 。 这个问题如果考虑到空气 -水热泵具有比由于热水需要被供给的温度等热泵更大的声压比的事实就更糟糕。因此，许多研究
3、人员试图克服这一障碍的方法也各有不同。 现在， R134a R410a 级联循环已经引入热泵热水器 4 。 级联系统使热泵热水器的重负载被分配到两个不同的制冷循环，可以用 一个公平的环境进行操作。一些研究已经进行分析了级联热泵热水器的性能，并优化它们。 Park 等人 5将之安装在韩国的三个参考网站监控级联热泵热水系统的性能。他们证实该系统可以在数月里以大约 2.1的总 COP（性能系数）提供热水，包括冬季。 Kim 等 6研究了级联热泵的压缩机运行方法。他们专注于填补储罐用热水的热泵热水器的情况。在给定的操作条件下，两种策略进行比较，以找出哪一个是更好实现高效率。Park 等人 7进行了实验
4、，得到了级联热泵热水器的最佳中间温度。他们通过使系统达到最 高效率的最佳温度，并建立一定的相关性的方法，找出温度。 Wu 等人2设计采用相变材料储热设计级联热泵热水器，讨论了级联系统和单级系统之间的差异。此外，他们通过比较有无使用相变材料使用的水箱之间的能量性能了解相变材料。 Jung 等人 8通过实验比较了级联热泵热水器和单级热泵。他们发现，级联系统有更稳定的操作和更高的水出口温度。然而，很少研究者会进行计算级联热泵热水器的动态性能，即使该系统很少用在一个稳定的状态中。因此，这个模型在各种条件下的操作结果是必需的。 在本文中，通过 准稳态分析的数值 对级联热泵热水器与储水罐的性能研究， 为配
5、合大量来自于级联系统的复杂性和运行长时间范围内计算，准稳态分析采用热泵和储罐瞬态模型稳态模型。通过重复的在一定时间间隔测量热泵和 储水罐，来得到实验的主要性能参数，如加热容量，压缩机工作数据， COP，并且在所述存储罐中的温度分布中得到。此外，热水需求和环境温度的对系统的影响也在韩国各种条件的实际情况下进行了研究。 1. 系统说明 图 1描绘了级联热泵热水系统，如前所述，这种级联系统采用 R134a 为高温循环制冷剂，以 R410a 为低温循环制冷剂。高温循环中 R134a 的流动与 R410a 循环中通过一个级联式热交换器传递热量。当然还有其他的设备中的水加热系统，也就是储水槽。储水槽作为热
6、泵和水龙头在房间里的缓冲区。水流从储水罐的底部流入热泵，带走热 量再从顶部流出。从水箱上部流出的水量和下部流入的水量相同。研究是对 15KW 的热泵热水器和 350L 的储水罐进行的。 图 1 级联热泵热水系统的示意图 2. 该系统的数学模型 2.1 级联热泵热水器的建模 复叠式制冷系统建模仅供稳定状态，详细的模拟需要相当多的时间 9 。 因此，在这项研究中，简化了静态模型，包括从实验结果数的相关性的应用。和它 们最相关的系数的类型是从结果分析，得到与之相同的实验数据 10 。对于压缩机，制冷剂的质量流量和压缩机的工作情况是可以与某些类型的多项式方程相同，这些方程中吸入压力，排出压力和压缩机的
7、频率作为变量来计算。 （ 1） （ 2） 该实验的相关性 11通过电子膨胀阀的质量流量（ EEVs）确定的，其由下式表示： (3) (4) 传热量是根据各传热器传热系数和传热面积乘积的总和。 （ 5） （ 6） （ 7） 尽管在热交 换器中有多个参数影响传热速率，这些变量被给定了四个定值。另外，过热度和过冷度将通过简单的迭代过程在计算过程中获得。方程（ 1） -（ 7）所有系数都可在表一中查到。 表 1 回归模型的 复叠式 热泵热水器的系数 2.2 储水罐的建模 由于一维模型的简单性和节约性被用于储热水箱的建模。 此外，位移混合模型其中假定的入口或出口水被相等地分布为几个控制量，控制量采用以处
8、理水的流入和流出为适宜 12 。 每个控制量都是根据标编号的质量和能量平衡方程中 J，控制量和对流传热之间的热传导选定，被表示为： （ 9） （ 10） （ 11） （ 12） （ 13） 其中 n 代表混合部分的控制量的数量， N 代表所有控制量的数量。（ 8）中Section 1和（ 12）中 Section 5分别表示储水罐的顶部和底部的控制量。（ 10）中 Section 3是指中间控制量，水箱和外部空间没有质量转移。（ 9）中 Section 2和（ 11）中 Section 4是容器内部分布式水流的上部和下部的允许流出流入的控制量。 存储罐和周围空气之间的传热系数被假定为 0.8W
9、/m213 。在 图 2中含有模型的相关信息。 图 2 储罐模型的结构 3数值模拟 3.1模拟的轮廓 在图 3中示出模拟的流程图。基本上，在输入某个数值来计算级联热泵热水器和储水罐中初始温度分布，如压缩机频率，开口 EEV(电动膨胀阀 )，环境温度。在热泵的计算，系统中的饱和压力是由一些迭代过程决定的，开口 EEV 自动调整到合适的值，以满足给定过程的过热问题。热泵计算之后，储罐的动态模型在一定的时间范围内，使用先前的计算结果，如出口水温热泵的数值。当储罐的计算结束，储罐计算的结果再次输入热泵计算中。如果出口水温超过目标温度或完成指定的时间计 算，模拟将被终止。 在系统中流动的流体的热力学性质
10、是由REFPROP 计算 14 。 图 3 数值模拟流程图 3.2 仿真条件 一般来说，研究分析是对类似韩国家庭真实情况的条件下进行的。环境温度取自 2011年首尔的月平均气温值。在图 4中描绘了每小时温度值及其变化的平均值。给水温度是根据 2011年在首尔岩寺 ARISU 水质净化中心测得的月平均水温，也在图 4中显示。 图 4 温度分布和供给水的温度 图 5 热水需求的标准 住宅中热水的需求量由 NREL（国家可再生能源实验室）给出 15，因为对热水的需求量并没有像在日本 17一样包含近年来韩国热泵热水器需求标准 16。水的流量和使用持续时间是根据首尔的气候数据 得到，像温度，海拔， HD
11、D（热天天数）， CDD（冷天天数）。热泵热水器的热水温度根据韩国标准假定为 42 ，以此为标准描绘图 5。在此情况下每天大约使用 270L 热水。 事前热泵热水系统在储水箱中储存热水，通过控制热水器中水的流量和温度来满足对热水的需求。因此，在黎明工作的时候有一个稳定的水流量，像在凌晨3点到 5点，这时候基本不使用热水。在工作之前，热水在储存箱内循环大约 10分钟，避免水箱内出现温度梯度，即使系统完成操作，储水罐的水也只是部分得到加热。此外，为了维持一定水平的热容量，使用 R410A 的压缩机的频率随 环境温度变化而调节， R134a 压缩机的频率一定。 热泵的水温设定为 60 。因此，热泵的
12、出水口温度超过 60 时热泵停止运行。此外，这两种制冷剂循环的过热度通过自动调节膨胀阀保持在 3 。根据此前计算，储存罐的控制数量和运行时间最优值设置为 120和 2分钟。例如，图 6示出控制数量对储蓄罐计算的影响。该计算基于水箱充满 285K 的冷水被预热到333K 的情况下进行。图 6b 和图 6c 的结果并不是不同的，即使图 6c 的控制数量是图 6b 的两倍不止。当控制数量变得更小，水的温度开始从 333K 下降到 285K时，结果的差异显露无疑，如图 6a 和 b。图 6a 和 c 之间的平均值和最大绝对误差分别是 2.36 和 6.60 ，但图 6b 和 c 分别是 1.13 和
13、2.80 。 图 6 储蓄槽控制数目不同的计算结果，（ a） 60，（ b） 120，（ c） 240. 最后，为了调查热水需求和环境温度对实验的影响，计算的进展如下： 案例 1：标准热水需求下的温度曲线 1. 案例 2：标准热 水需求减少 100L 下的温度曲线 1. 案例 3：标准热水需求增加 100L 下的温度曲线 1. 案例 4：标准热水需求下的温度曲线 2. 案例 5：标准热水需求下的温度曲线 3. 案例 1,2和 3旨在找到热水需求量的影响，案例 1,4和 5是建立在环境温度对系统性能的影响。 4. 仿真实验的结果与讨论 4.1 热泵热水系统的基本操作 根据经验，采用简化热泵模型以
14、减少计算来得到相应的实验结果。图 7 所示的实验与计算数据，验证该模型能够反映实际数据。本实验使用的实际是 16KW的热泵热水器 10。 实验数据与计算出的数据存在误差， COP 的平均误差为 3.8%，压缩功的是 4.6%，热容量的为 5.3%。为了用相同的方法验证储藏型号的计算方式，图 8 示出由数字模型块得到的数据，与计算出的数值进行比较。图 8a 描绘了容器内温度分布，图 8b 显示热泵入水口温度为 30 在水箱中加热到 60 的情况。在表 2 中有实验与计算的详细信息。被发现两种结果都令人接受。特别是，入水口水温对整个系统性能的影响，实验与计算的数据在平均值和绝对误差值分别为 0.74 和 1.69 。 图 7 通过实验和计算数值来比较 COP 和压缩功率
