（制冷及低温工程专业论文）小型双级压缩空气源热泵的模拟分析与试验研究.pdf

中文摘要 空气源热泵是一种符合我国气候状况、能源条件和居民消费水平的供热方 式。本文利用仿真和试验方法分析双级压缩制冷循环在空气源热泵系统中的应用 问题，以期解决常规空气源热泵( a s h p ) 因冬季环境温度低造成的制热量不足、 制热效率低、压缩机排气温度超高，甚至不能正常运行等问题，该课题具有一定 的理论意义和明确的实用价值。 本文通过对各种双级压缩系统循环形式的比较分析，提出采用一级节流中间 不完全冷却双级压缩制冷循环作为寒冷地区空气源热泵循环，能有效地扩展空气 源热泵的低温适应性。研制出小型双级压缩变频空气源热泵空调系统( t s a s h p ) ，该系统具有常规( 单级) 变频热泵空调系统的功能，且当室外气温降低 后，能自动转化为变频双级热泵系统，弥补了传统a s h p 系统在低温环境下运行 时存在的严重不足。试验结果表明，当外界温度不低于一2 0 时。系统能稳定运 行，能满足室内供热要求，且制热效率可以达到2 0 以上。 本课题在前人研究成果的基础上，建立了具有压缩机串联特征的t s - - a s h p 系统的仿真模型；搭建高、低压级压缩机均为变频压缩机的t s - - a s i i p 系统试 验台，对所建模型进行验证i 并对变频与定速压缩机不同组合的热泵性能进行模 拟分析，给出了各种系统在不同工况下的控制策略：研究表明，当低压级采用变 频压缩机，而高压级采用定速压缩机时，不仅能降低造价，简化控制，而且可以 保证房间的供热要求和设备安全运行( 压缩机排气温度 2 们 2 b a s eo nf o r m e rs t u d y , s i m u l a t i o nm o d a lw i t hs e r i a lc h a r a c t e rh a sb e e ns e tu pa n d e x p e r i m e n t a lb e n c h ，w h i c hu s e dv a r i a b l e 厅e q u e n c yc o m p r e s s o r sa sl o w s t a g e a n d h i g h s t a g ec o m p r e s s o r s ，h a sa l s ob e e n b u i l d u p t h ea c c u r a c y o ft h es i m u l a t i o nm o d e l h a sb e e nt e s t e db yt h ee x p e r i m e n t a lm s u l t 。t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a ti ft h e l o w s t a g ec o m p r e s s o rc a nv a r yv o l u m e w h i l et h eh i g i l 。s t a g ec o m p r e s s o r sv o l u m ei s f i x e d ，s y s t e m c a l lp e r f o r mw e l l ( s u f f i c i e n tq u a n t i t yo fh e a t ，h i 咖e f f i c i e n c ya n dl o w d i s c h a r g et e m p e r a t u r e ) w i t hl o wc o s ta n ds i m p l ec o n s t r u c t i o n t h i si s ar e a s o n a b l e c h o i c ef o rt w o s t a g ec o m p r e s s i o na s h p s y s t e m k e y w o r d s ： v a r i a b l e f r e q u e n c y ，t w o s t a g ec o m p r e s s i o n ，a i r - s o u r c e h e a t p u m p ，e x p e r i m e n t r e s e a r c h ，s i m u l a t i o n 第一章：概述 1 1 课题背景 第一章：概述 随着人民生活水平的提高，冬季供热成为生活的必需，寻求适应我国气候、 能源、环境和人民生活水平的供热方式成为一项重要课题。 1 1 1 气候状况 我国地域广阔，不同地区气候差异性很大。1 9 9 3 年5 月国家技术监督局和建 设部共同制定了建筑气候区域国家标准( g b 5 0 1 7 8 - 9 3 ) ，按一月份和七月份 的温度和相对湿度将我国气候分为8 个区。 幽卜l 中国气候分区图 从图1 1 中可以看出，根据冬季最低温度，我国绝大部分地区在冬季都需要 采暖。其中，黄河以北地区属于我国的法走供暖区域。随着中国经济的快速发展 第一章：概述 和人民生活水平的提高，人们对住宅室内环境要求越来越高，改善寒冷地区住宅 建筑的采暖设施是目前必须解决的课题。 1 1 2 能源状况 能源问题是关系到一个国家生存和发展的关键闯题，能源的短缺会严重地影 响国民经济的正常运行和发展。随着全世界范围内能源危机的日益严重，各国政 府都在积极地开发和推广节能技术，以寻求经济的可持续发展。我国用于供热的 次能源消耗主要包括煤炭、天然气及地热等，二次能源主要有石油产品和电力。 目前，建筑能耗在社会总能耗中所占的比重较大，而空调能耗又是建筑能耗 的最主要的组成部分。2 0 0 0 年，我国寒冷地区采暖耗能增至1 7 9 亿吨标准煤，占 全国能源总能的1 3 6 ，占采暖地区全社会能耗的2 7 2 。因为冬季用能过多， 我国最近多次出现冬季用电高峰，2 0 0 3 年入冬后已有7 省先后拉闸限电，其中以 浙江省最为严重，1 1 月下旬以来，每天拉闸限电3 0 0 万千瓦以上：福建、湖南1 5 0 万千瓦左右；山西、四川1 0 0 万千瓦左右；河北1 0 0 万千瓦以下，内蒙古也有小 规模拉闸限电。北京，上海，广州，湖南，江苏也分别出台措施保证居民用电供 应嘲。我国的能源形势要求应尽量提高冬季采暖的能源利用率。 1 1 3 供热状况 热源是城市供热的核心，热用户是供热的对象，根据热源和热用户的不同类 型将供热形式可以将常见的供热方式分为城市集中热力网供热，小区分散供热( 含 小区分散锅炉房供热、楼栋或单元式集中供热) ，分户供热三大类。集中供热热源 主要有：燃煤热电联产、大型锅炉房( 分为燃煤、燃气、燃油型) 、燃气一蒸汽联 合循环等；小区分散供热的热源主要有小区集中锅炉房( 分为燃煤、燃气、燃油 型) ；分户供热主要包括小型天然气采暖( 包括分户燃气壁挂炉、燃气直燃机) ， 电采暖( 包括分散式直接用电采暖、电热锅炉、电动热泵) ；地热等。 表1 - 12 0 0 2 年北京城区各种供热方式的供热面积( 万m 2 ) ( 1 ) 集中式供热 第一章：概述 集中式供热一般具有较高的能源利用效率，其中城市燃煤热电联产供热的热 效率可以达到7 0 - - 9 0 ，燃气一蒸汽联合循环热电厂供热方式的总能量利用率可 达8 5 - - 9 5 。集中供热与分散供热相比，有明显优势：大量减少了烟囱数量，便 于烟气高空排放；大型锅炉热效率高，减少了燃料消耗，具有明显的节能效果； 能配用除尘效率较高的除尘设备，锅炉燃煤量的减少，从而直接改善了环境状况。 另外，集中供热还减少了锅炉房占地面积，有利于土地资源的合理使用。正由于 这些因素，国家确定了把分散供热逐渐向集中供热过渡作为供热事业发展的一条 基本原则。但是较高的初投资、管网以及分户计量等问题，限制了集中供热的发 展。由于城市发展加快，新建城市热网的供热规模、供热范围和实际供热能力都 远不能满足市区新建民用建筑用热，这些建筑仍然要依靠其它供热形式来解决。 ( 2 ) 小区分散式供热 小区分散式供热与集中供热相比，不需要建设大型的集中热源和供热管网， 投资少、容易集资，建设周期快。但是也存在一些其自身无法解决的重要闯题： 一是环保问题：分散式供热由于燃烧室较小，与集中供热相比，易发生不完 全燃烧，没有降氮措施，造成低空排放，氮氧化物、一氧化碳浓度常会超标，特 别对于高层建筑，在风力不大的情况下，在建筑的中上部形成氮氧化物的烟气 “墙”。 二是安全问题和防火问题：分散式供热必须设置相应的分散式安全保障措施。 三是运行采暖费用高等问题：与集中供热相比，用户要承受相对较高的采暖 费用。 ( 3 ) 分户供热 随着国家和居民环境保护意识的不断加强，家用小煤炉采暖在大中型城市中 已经逐渐被取缔，燃气采暖的应用不断扩大。燃气采暖能源利用率较高，天然气 是一种清洁能源，对环境污染较轻。但是安全问题和防火问题制约了燃气取暖的 推广应用。从政策导向来看，我国政府支持使用电能进行采暖，例如，北京市近 日出台措施，规定从1 1 月1 日到次年3 月3 1 日，从晚上1 1 ：o o 次日7 ：o o t 用于供热的电费降为0 2 元f 3 j ，为电热膜、电暖气、电热蓄能等电取暖技术的发展 奠定了政策基础。但是直接电加热采暖能源利用率太低，除特殊场所外，一般不 提倡使用，需要采用能够充分提高电能利用率的方法。热泵就是一种很有价值的 3 第一章：概述 分户供热方式。 热泵的工作原理是利用工作流体( 工作介质) 在不同压力、温度下的蒸发和 冷凝进行吸一放热的过程，通过压缩机驱动( 电功) ，消耗一定量的电能，将热量 从低温环境送到高温环境，该热量为所耗电能的几倍，达到制冷或制热的目的。 因此，热泵是一种通过少量的高位电能输入，实现低位热能向高位热能转移的一 种技术，具有较高的能源利用效率。热泵同时具有分散式供热投资少、容易集资， 建设周期快，调控方便的优点。因为在建筑附近没有燃烧装置，不会造成使用地 的环境污染问题，是一种清洁高效的供热方式。 1 1 4 家庭经济状况 我国家用中央空调在九十年代中期起步，但近年来普及速度十分快，家用中 央空调在中国的普及率近年己达到5 一8 。一些沿海和经济发达地区如北京、上 海、广州、深圳、珠海、重庆、成都家用中央空调普及率将达到1 0 左右。预计 2 0 0 3 年我国家用中央空调年消费金额将超过6 0 亿元。在3 巧年内将形成使用家 用中央空调消费高潮。目前我国家用中央空调年增长率稳定在3 0 左右，这样至 2 0 0 6 年我国家用中央空调的年需求量将超过5 0 万套，家用中央空调的年销售额 将超过1 0 0 亿元人民币。至2 0 1 0 年我国家用中央空调容量有望超过2 0 0 亿元i ”。 适用于我国寒冷地区的空气源热泵，具有巨大的市场前景， 1 2 家用小型中央空调系统的发展方向 1 2 1 家用小型中央空调系统的基本形式 家用小型中央空调是种集中处理空调负荷，然后通过输送介质将冷( 热) 量输送到空调房间去的空调系统。根据输送介质的不同，家用小型中央空调主要 有以下三中常见形式：空气系统( 管道机) 、水一空气系统( 冷热水机组+ 风盘 管系统) 和v r f 系统( 多联式空调机组) 【5 l ，其主要特点如表1 2 所示，从各自 的特点可以看出，各种形式的系统均有消费层，将会在中国呈现三足鼎立的局面， 均会得到快速的发展。 表1 - 2 各种小型中央空调系统的特点 4 第一章：慨述 空气系统空气好低 较高较差大 较好 护磬系篙较差 低低 一般狲一般 一。1 1 。_ _ _ 。_ _ _ 。- 。_ 。_ _ 。- 。_ 。- 。- _ _ _ _ _ _ _ _ - 。_ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ 。_ _ 一 v r f 系统制冷剂较差高 低好小好 以上三种系统形式一般使用空气源热泵作为冷热源，但是普遍存在低温适应 性差的问题。因此如果能够解决空气源热泵低温适应性问题，可以促进家用小型 中央空调在我国北方中小型民用或商用建筑中的应用。 1 2 2 住宅空调系统的基本要求 根据我国的气候状况和居民消费水平，家用小型中央空调系统需要冷暖两用， 并且需要兼顾投资，能源利用率，环境保护和使用安全等要求。文献【6 峙旨出，住 宅空调的特点是硷睡题旦! 调控选睦! 亘塞丝直! 芷丝鳇遭，只有具备上述四个 方面的空调设备才堪称“住宅空调”，才能在此领域立足壮大。只有寻求空气源热 泵与其它供热方式的比较优势和适用范围，才能充分发挥空气源热泵的优点，推 广空气源热泵的应用。 文献川比较了不同供热方式在能源利用率，运行成本，初投资等方面的优缺 点。 表1 - 3 不同供热方式比较 热泵类型一次能源利用率运行成本初投瓷污染物排热适用范围使用限制 电动热泵1 0 3 44 5 4 81 5 7 0 0无大中小型电力 燃气锅炉8 55 3 4 51 0 7 6 4 c o ，n o ，大中型燃气供应：环境 吸收式热泵 8 55 4 6 31 6 6 o o 无大中型燃油 燃煤锅炉7 0 2 7 1 31 1 1 6 4 c o 。，n o 。大中型环境 电热锅炉2 9 81 1 9 9 11 0 1 6 4无中小型电力 燃气热泵 1 5 03 6 8 8j 7 2 ，。o c o 。，n o 。丈中型燃气供应；环境 从表1 3 可以看出，电动热泵能源利用率较高，适用范围广，而且无污染物 排放，适合在城市中推广使用。 文献【8 1 对空气源热泵热泵，水源热泵和土壤源热泵的效率，适用范围和使用 先制进行了比较。 从表1 4 可以看出，三种热泵形式各有优势，其中空气源热泵不受地质环境 限制，在城市中这一点尤为重要。 1 3 空气源热泵在低温适应性方面的研究现状 1 3 1 空气源热泵面临的主要问题 为便于对空气源热泵性能进行分析，本文使用制热效率c d p 一冬专作为衡 量热泵系统制热性能参数。其中q 。：冷凝器放热量；：系统输入功率总和。 空气源热泵面临的主要问题是低温适应性差，主要包括以下几个方面： ( 1 ) 普通空气源热泵随着环境温度的降低，制热量和制热效率不断降低，而 人们对制热量的需求随着环境温度的降低不断增加。选型过大，会造成初投资增 加，资源浪费；选型过小，无法满足供热要求。普通空气源热泵系统尚无法解决 这对矛盾。 ( 2 ) 普通空气源热泵在低温环境下工作时，压缩机排气温度会超过压缩机允 许的工作范围，压缩机出现频繁启停，无法正常工作。 ( 3 ) 当环境温度降到5 以下时，空气中的水蒸气会在蒸发器表面形成霜层， 使蒸发器换热系数降低，制热量减少，制热效率降低，压缩机压缩比加大，排气 温度升高，热泵系统无法正常工作，严重时甚至会导致压缩机烧毁。 1 3 2 提高系统低温适应性的研究现状 鉴于以上三个原因，空气源热泵在寒冷地区的应用受到限制。为此，许多研 究人员为突破上述限制，进行了诸多研究，试图解决空气源热泵在寒冷地区的适 用性问题。 针对热泵制热量与房阈需热量不匹配的闯题，且静主要采用辅助热源来弥补， 第一章：概述 其中，中小型系统常采用直接电加热作为辅助热源；大中型系统采用燃油或者燃 煤锅炉作为辅助热源。无论是直接电加热还是锅炉，都需要两套加热装置，增加 系统的初投资，并且直接电加热能源利用率较低。 随着变频技术的不断发展，随着环境温度的降低不断增加压缩机频率从而增 加制热量成为解决这一问题的良好方法【9 1 。变频压缩机的变负荷特性使制热量和 房间负荷匹配较好，并且避免压缩机的频繁启动，减小对电网的冲击。尽管变频 压缩机价格较高，近几年在我国仍然得到广泛应用，取得了明显的经济效益和社 会效益。 但是变频系统的制热量调节范围有限，并且随着压缩机频率偏离效率较高的 区域，制热效率下降很快，无法解决热泵系统制热效率低的问题。 鉴于空气源热泵的环境局限性，诸多研究人员进行了大量研究，并且取得了 可喜的成果。根据制冷形式来划分，采用的技术方案主要有以下三大类： ( 1 ) 单级压缩制冷系统： 采用普通单级压缩空气源热泵系统制冷循环，采用更先进的控制技术或性能 更佳的制冷剂，适当改进系统结构，提高空气源热泵系统在低温环境下的性能。 主要有以下几种方法 ( 1 ) 变速风机法： 汪厚泰【1 0 】提出在室外换热器风机采用变速风机，延长毛细管的长度，当环境 温度较低时，风机高速运转，提高空气流速，增大蒸发器换热量，可以提高蒸发温 度和蒸发压力，从而增大压缩机的功率，增加制热量。这种方法只能在环境温度 不很低时使用，而且制热量变化不大，而且风机高速转动，噪音增加。 ( 2 ) 制冷剂替代法： 加拿大的s m s a m i 和p j t u l e j 1 1 】提出使用非共沸制冷剂，实现热泵在低温 环境下的制热。制冷剂的替代要求压缩机，润滑油等作相应变化，这种方法还没 有在实际中应用，而且其在低温环境下的制热效率还不能完全满足房间供热要求。 ( 3 ) 加热蒸发器法： 同本的学者nh o r i u c h i t l 2 j 采用在低温时用煤油加热器来加热蒸发器的办法提 高热泵的制热量，当环境温度较低时，通过燃烧煤油加热蒸发器来提高蒸发温度 和蒸发压力，同时满足房间热负荷。这种方案由于采用两个蒸发器，系统过于复 第一章：概述 杂；而且使用煤油加热蒸发器，能源利用率低。 ( 4 ) 压缩机喷液法： 山神胜治【1 3 1 提出系统使用变频压缩机，同时在压缩机上设置喷液孔，当环境 温度比较低时，向压缩机工作腔内喷液，降低压缩机排气温度，同时压缩机频率 增加，满足房间制热量的要求，使系统可以在低温环境中正常使用。这种方法需 要对压缩机进行改造，对机械加工精度要求较高：另外压缩机高频工作时制热效 率较低。 ( 2 ) 准双级压缩系统( 经济器法) 郑祖义等【1 4 l 在单级螺杆机上设置补气孔，将热泵系统改为准二级，采用一级 压缩两级节流方式工作。 1 蒸发器2 、压缩机3 冷凝器4 膨胀阀5 经济器 图：l - 2 单螺杆机补气循环 环境温度较高时，按照单级压缩双级节流带经济器的节电循环方式运行；当 环境温度较低或者负荷较大时，使用高于大气温度的废水作为辅助热源加热蒸发 器。这种方法可以提高系统制热性能和制热量，但是这种系统仅在大中型系统中 使用，而且必须有水源作为辅助热源。 马国远，彦启森1 1 5 。7 】等提出在涡旋机系 统中设经济器，把系统改为准二级压缩。见 图1 - 3 。 这种方法可以降低压缩机的排气温度， 当环境温度较低时仍然具有一定的制热量， 提高了系统的低温适应性，在冷凝温度4 5 ，蒸发温度一2 5 。c 的工况下，制热效率达到 1 6 9 ，排气温度1 2 1 ，4 。c ，但是在低温时的系 统的制热效率仍然偏低。 3 l 压缩机2 冷凝器3 4 膨胀阀 5 蒸发器6 舞：济器 图：l o 准二缓压缩原理幽 第一章：概述 1 0 2 0 的水中吸取热量，向建 筑物供暖。见图- 也 1 2 压稳黧芋雾豢善利哥水 这种系统在北京地区的季 图：1 - 4 双级耦合热泵 节能效比可以达到2 4 8 ，空气源热泵压缩机的排气温度不超过6 0 。c 。但是系统较 复杂，不适合在小型供热工程中采用。 mh u i t e n ，tb e r n t s s o n 发明了吸收式压缩式耦合热裂2 0 1 ，这种系统把工业 废热作为吸收式热泵的热源，制取温度高于环境温度的空气，压缩式热泵以制取 的空气为热源，提供合适温度的热水。吸收式压缩式耦合热泵在低温环境下具 有比较高的c o p 值，但是系统复杂，而且必须有合适温度的废热资源。 1 3 3 关于结霜与融霜的研究状况 国内外的专家学者对空气源热泵的结霜问题也已经进行了大量研究，v o t s i s p p ，t a s s o us a w i l s o nd r 【2 1 1 。等研究了结霜与除霜对空气源热泵性能的影 响，并指出，优化的方向是准确判断除霜的条件与除霜的时间。 ( 1 ) 结霜的条件 日本有专家指出，只有当环境温度在5 c 一1 2 8 c 时，热泵的蒸发器表面 才会结霜。当环境温度高于5 c 时，蒸发器表面温度一般高于一2 ，由于蒸发器 表面空气流速的影响，水蒸气不会在蒸发器表面凝结成霜；当环境温度低于一1 2 8 时，空气中的水蒸气含量已经很低，同样不会在蒸发器表面结霜；陈航【2 2 】研究 了结霜与环境温度和相对湿度的关系，见下图。 9 第一章：概述 室辨温庭 ( 其中，虚线表示有结霜的可能，阴影部分表示必然结霜区域。) 图：1 ，5 结霜与环境温度和相对湿度的关系 ( 2 ) 影响结霜的因素 r y u n ，y c h a n k i n ，m a n k i m i n 】等研究了平板结霜的特性，霜的密度， 厚度，对传热的影响以及随时间的变化进行了细致的研究，w r e c h a r dj ，o n e a l d e n sl y a n gj i a n x i n i z 4 等研究了蒸发器变片距对结霜和融霜的影响，p a g n e y a h c e 。o n e a ld e n n i sl 【2 5 1 提出随着室外风机转速的提高，结霜速度变慢，而除 霜速度加快，可以减小结霜对制热性能的影响。 ( 3 ) 如何减少结霜量以及缩短除霜时间的问题 m e i y i n gc ，d r a n a l de ，c h e n f a n gc 【2 6 】提出加热汽液分离器中的制冷剂 可以使蒸发器表面的结霜量大大减少； nd a r i nw ，o n e a ld e n n i sl 【”l 提出在 气液分离器上装加热丝可以缩短除霜周期；pv a n c e ，o n e a ld e n n i sl 【2 8 1 分析了 除霜时压缩机在霜层融化以后继续工作与停止工作对系统制热性能的影响。 ( 4 ) 关于除霜条件的判断 目前比较常用的判断除霜条件的方法有温差一时间法，压力一时问法，压差控 制法，智能控制法( i d e a 法) 2 9 1 。关于除霜的方法，主要有热气旁通除霜，热 液旁通除霜，电热除霜，逆向循环除霜。 综上所述，对于结霜的条件，机理，除霜的判断，除霜的方法以及除霜对热 泵性能的影响都有比较成熟的理论，另外空气源热泵在环境温度低于1 2 。c 时，结 霜量很少，除霜问题相对不重要，因此不作为本课题的研究的重点。 1 0 芒堪潮茸簿 墨二望：苎垄 1 3 综述小结 我国的能源状况和可持续发展战略决定冬季的采暖方式必须高效、节能、环 保的。空气源热泵技术由于其安装维修方便，对使用环境没有限制等特点在中小 型建筑中具有广阔的应用前景。但是，空气源热泵在寒冷地区的应用却遇到很多 问题，其中除霜问题已经有比较成熟的解决办法，而低温条件下制热量和制热效 率低的问题，还没有满足要求的理想办法。对于最近提出的双级压缩热泵系统， 是否能有效解决空气源热泵在寒冷地区应用问题还没有进行实质性研究。 1 4 课题的研究内容及其意义 1 4 1 研究内容 本课题的研究内容： ( 1 ) 分析提出适用于小型中央空调系统的双级压缩空气源热泵系统的形式： ( 2 ) 建立双级压缩空气源热泵系统的分布参数法模拟分析数学模型； ( 3 ) 开发试验系统和试验台，对数学模型进行试验验证： ( 4 ) 应用数学模型，对双级压缩空气源热泵系统优化设计与优化控制的重要 问题进行分析，为双级压缩空气源热泵系统的优化设计与优化控制提供理论依据。 1 4 2 研究意义 我国的气候状况和能源状况决定了我过大部分地区需要采用一种清洁，高 效，符合可持续发展要求的供热方式。目前我国的经济发展水平和供热现状要求 采用多种形式的供热模式。压缩空气源热泵符合以上要求，因此在长江流域取得 广泛应用，但是空气源热泵在寒冷地区使用出现的问题，限制了进步推广使用。 因此，对双级压缩空气源热泵进行研究，不仅对于推进双级压缩制冷系统， 特别是具有变容调节的双级压缩制冷系统的优化设计和控制策略的建立，具有一 定的理论意义，而且对于扩大空气源热泵在我国寒冷地区的应用范围、节约能源 消耗、保护自然环境都有着重要的实用价值和社会价值。 第二章：小型双级压缩卒气源热泵系统方案的确矗 第二章：小型双级压缩空气源热泵系统方案的确立 2 1 空气源热泵低温适应性解决思路 2 1 1 压缩比问题 空气源热泵系统在环境温度较高( 5 。c 以上) 具有较好的性能，但是随着环 境温度的降低，蒸发压力不断降低，在冷凝温度( 或冷凝压力) 不变的条件下， 压缩机的压缩比不断升高。对于h c f c 2 2 作为制冷剂的热泵系统，因为氟里昂 的绝热指数相对较小，压缩机的极限压缩比比其它制冷剂系统稍大，但是当压缩 比超过最佳压缩比( 压缩机效率最高) 以后，系统经济性不断降低。 从图2 - 1 可以看出，当冷凝温度= 4 5 ，压缩机吸气过热度= 5 条件下， 当环境温度乞一1 5 ，压缩比r c ，7 ；当环境温度屯= - 2 4 ，压缩比r 1 0 ， 已经超过单级压缩的临界值( 根据制冷剂的不同，容积式压缩机临界值一般取 8 1 0 ) 。 1 一 i l 一2 52 01 5 1 0 蒸发温度 c 图2 1 单级压缩比随蒸发温度的变化 综合考虑压缩机排气温度和经济性因素，文献t 3 0 l 给出了不同冷凝温度下单级 压缩最低临界蒸发温度及环境温度( 蒸发温度比环境温度低5 。c ) ，见表2 - 1 表2 - 1 单级压缩最低蒸发温度 l竺竺塑竺!l 竺l 竺l 竺 l 竺i ! !i 第二章：小型积级压缩空气源热泵系统方| 案的确立 蒸发温度 3 7。3 43 12 8- 2 5 i 环境温度 一3 22 9。2 62 32 0 i 从表2 - 1 可以看出，对应冷凝温度5 0 c ，环境温度2 0 c 是单级压缩的极限， 但在实际系统中，由于润滑油和压缩机排气温度的限制，系统在此工况下往往很 难正常运行。 解决压缩机压缩比过高主要有三种方法：提高蒸发压力，降低冷凝压力，分 级压缩。在室内外温度一定的条件下，尽管可以通过提高冷凝器和蒸发器的换热 能力减小压缩l t ；，但是调节幅度很小。分级压缩时，单级压缩比接近r 。= 疋， 可以解决室外环境温度过低时压缩比过大的问题。 2 1 2 制热量问题 随着室外环境温度的降低，制冷剂的蒸发温度不断降低，制冷剂比容不断增 加，图2 2 给出了随着环境温度的降低，制冷剂的比容变化情况( 其中以环境温 度5 时的比容为基准) 。 甜 基 制 谁 丑 一2 01 00 t 0 环境温暖 图2 - 2r 2 2 比容变化率 热泵系统的制热量q = m 。- ( 。一t 。) ，以环境温度5 为基准，在冷凝 器出口过冷度t = 3 。c ，压缩机绝热指数珂= 1 2 ，压缩机吸气过热度t 。5 工况 下。表2 2 给出了冷凝器中的制冷荆质量流量变化率( 压缩机排气容积保持恒定) ， 冷凝器进出口焓值的变化率以及制热量变化率。随着压缩比的增加，余隙容积对 压缩机实际排气量的影响不断增加，实际制冷齐u 质量流量衰减速度要快于表2 - 2 。一 & 曼 l n 第一二章二小型双级艇缩宅气源热采系统方案的确立 从表2 2 中可以看出，冷凝器进出口焓差变化不大，提高系统制热量只有通 过增加冷凝器中制冷剂质量流量m 。提高m 。主要有以下几种方法： ( 1 ) 减小压缩机入口制冷剂比容，可以在压缩机排气容积不变的条件下增 加制冷剂质量流量。当环境温度不变时，可以依靠增大蒸发器容量( 如换热面积 和提高风量) 、减小蒸发器出口到压缩机入口的压力降、减小压缩机的吸气过热 度等方式，来减小压缩机吸气比容，但效果并不明显。 ( 2 ) 增加压缩机( 单位时间) 的容积排气量。提高压缩机的运转频率( 转 速) ，是提高容积排气量和制冷剂质量流量的有效方法。但对于容量确定的蒸发 器和冷凝器，会造成冷凝温度上升、蒸发压力下降，致使压缩比增大，且压缩机 电机在偏离最佳频率点时效率较低，将导致排气温度上升，有可能导致压缩机排 气温度保护。 ( 3 ) 引进中压制冷剂m 。，使m 。m 。+ m ，从而增加制热量。 丝：蒸发器制冷剂质量流量 m m ：中间制冷剂质量流量 目前采用的压缩机喷液法和经济器法就属于此类。中间补气或补液循环 可以视为两个制冷循环( 压缩机视为两个压缩机) ，如图2 3 所示。循环i 蒸发 压力r e ，冷凝压力，制冷剂流量m 。；循环i i 蒸发压力只，冷凝压力p c ，制 冷剂流量m 。= m 。一m 。循环i 制热量q ，= q + ，其中q ，= q ；制热效率 c ：哆彩，循环i 冷凝压力比普通热泵循环稍高，蒸发器换热量大于( 补气 循环) 或等于( 补液循环) 普通热泵循环，制热量和制热效率与普通热泵循环相 1 4 第二章：小型双级压缩空气源热象系统方案的确矿 差不大：循环i i 制热量q ，= q m + ，制热效率c d 昂；么，在环境温度较 低时，c o p , , c o p 。 l g o 普通热泵循环 循环i 一一一一循环1 1 一循环共同部分 h 图2 - 3o o 间补气( 补液) 循环 设中间补气率a m _ 石。，中阔补气或补液循环制热量口| 4 翻+ q 。，大于 普通热泵循环。整体制热效率c o p b = c o p , ( 1 一口) + c o p , , a 。 因为中间压力只随着口的增加逐渐接近只，循环i i 的制热效率c d 昂也趋近 c o p ，因此中间补气( 补液) 循环制热效率与口有着密切的关系。中间补气( 补 液) 循环制热效率与普通热泵循环制热效率的比较见图2 - 4 。 最佳效率点 。三二二二二二二二二二二二二二二二二二二二二二二二_ 二。一 一中间补气( 补 液) 循环 一普通热泵循环 00 2 0 40 6 中涮补气率 0 8 魁2 - 4 热效率与中间补气率的关系 辟校幕器 第二章：小型职级压缩宁气源热泵系统方案的确立 从图2 - 4 可以看出，中间补气( 补液) 系统的制热效率与中间补气率有着密 切的关系，存在一个使热效率最大的最佳效率点。最佳效率点随着蒸发压力，冷 凝压力和中问压力的不同而变化。但是压缩机喷液法和经济器法都无法保证系统 始终在最佳效率点运行。 t 2 1 3 解决方案 根据上述分析可以看出，当压缩比过大时，采用单级压缩系统，不能保证热 泵系统的制热量和制热效率，甚至因为排气温度过高，而不能正常工作。而采用 双级压缩系统则可降低各级压缩机的压缩比，使足= 影民，即使在环境温度很 低时，也可以保证压缩机有较佳的压缩比。 表2 - 3 单、双级热泵的压缩比( 冷凝温度为5 0 ) 环境温度 ，1 01 52 0 - 2 53 0- 3 5 总压缩比r 5 87 18 68 61 0 ，61 3 1 各级压缩比足 2 4z 72 9 2 93 33 6 从表2 3 可以看出，在环境温度1 0 3 5 ( 2 范围内，双级压缩的单级压缩比 增加5 0 ，远小于单级压缩时的1 2 5 。同时因为系统中增加中间冷却装置，提 高冷凝器中的制冷剂质量流量，从而增加热泵系统的制热量。高低压级压缩机的 匹配可以保证系统有较高的制热效率。 ， 2 。2 双级压缩空气源热泵系统的方案分析 双级压缩的循环形式根据节流次数和中间冷却的形式分为二次节流中间完 全冷却( a l ，二次节流中间不完全冷却( b ) ，一次节流中问完全冷却( c ) 和一 次节流中间不完全冷却( d ) 等四种循环形式。其压焓图如图2 - 3 至2 - 6 所示。 对于相同制热量的双级压缩空气源热泵系统而言，到底采用何种循环形式为 佳，需从压缩机排气温度、制热效率、回油性能以及制冷剂输送距离等方面进行 考察。 1 6 第二章：小型双级压缩空气源热泵系统方案的确立 l g p l g p 图2 3a 图2 5c 厶 表2 - 4 四种循环形式比较 图2 4 b 图2 - 6 d 方案比较排气温度效率回油性能制冷剂输送 一级节流中间完全冷却较低较低好较远 一级节流中间不完全冷却较高较低好较远 两级节流中间完全冷却较低较高 差较近 两级：f ，流中间不完全冷却较高较高 差较近 d 2 从表2 - 4 可以看出，以r 2 2 为制冷剂的空气源热泵系统中，双级压缩系统排 气温度一般在压缩机允许工作范围以内( r 一。 p ，“，) ；一廊 ( 3 9 ) 液相：拿 ( 1 一c “ ) 岛吩】= r h - ( 3 1 0 ) 3 0 第三章：双缎压缩空气源热泵系统的数学模型 具动量守恒万程： 气相：芝( ca ，劓；) a c 口，面d p 一了t i s i c a ，印，叫帆 ( 3 1 1 ) 液相： 芝【( 1 _ c a ，) 刖m _ ( 1 一c ) a 出e + 了 i s i 一了1 ：o s o 一( 1 - ) g p 一+ u l g h l v ( 3 1 2 ) 能量守恒方程： i d p + 五dm ，啪。+ ( 1 一c p t u l h l = 丢日( 3 - - 1 3 ) 公式3 1 3 中：口= a ，一死) ( 3 - - 1 4 ) 整理上述方程，分别得到气液两相流的质量守恒方程和动量守恒方程。 质量守恒方程： 导【 口，p ，“，+ ( 1 一 ) p f h ，】= 0 ( 3 1 5 ) 动量守恒方程： 芝即，咖( 1 - c 翮一一警一警+ ( 3 - - 1 6 ) 在三大守恒方程中存在有p 、 1 0 ) ( 3 1 8 ) 式中x 。为马丁内力常数： 叫爿饼5 饼1 ( 3 - - 1 9 ) 单相区 财板式冷凝器内过热气体和过冷液体单相流动建模之前作如下的假设： ( 1 ) 制冷剂流动为一维流动； 第三章：双级压缩空气源热泵系统的数学模型 ( 2 ) 在板i 司流动断面上是物性均一的介质 ( 3 ) 物性仅沿流动方向上发生变化。 质量守恒方程：导( 几u ，) ：0 动肿叵方程：孚a z ( 舢挣一竿a 1 1 一鲁一 能量守恒方程：芝( 以“ ) 一芝1 口比 4 = a 。( l 一正i ) 水侧 质量守恒方程：生= o 动聍匾方程瓦d ( 椭= 一譬a z 一竿北 月 能量守恒方程：芝( p ，“。k ) 一丢口韶 换热系数计算 ( 3 2 0 ) ( 3 2 1 ) ( 3 2 2 ) ( 3 2 3 ) ( 3 2 4 ) ( 3 2 5 ) ( 3 2 6 ) ( 1 ) 单相工质( 包括过冷液态制冷剂、过热气态制冷剂和水) ： n u = c r e ) n 叫告) 。2 7 由于本文采用a l f a 一1 a v a 的板式换热器，采用文献中的公式： n u = 0 2 1 2 1 r e ； 7 8 p r j l ，3 1 1 8 ( 2 ) 两相! 质： 两相区采用文献1 4 2 l 中适用于区域换热系数的换热公式进行计算： m c 赋o - p 矿埘蝎 蝇 ) 。l 门1 9 ) 公式3 2 9 中r e 。是通过两相流混合物的总流量及液体粘度求得的。 第三章：双级压缩空气源热泵系统的数学模型 阻力计算 p ；4 r l p u 2( 3 3 0 ) d 。2 其中，d 。= 石s ，= c r e 在公式3 - - 3 0 中，系数c 以及指数n 的值根据具体的板片结构而定。根据 所选用板片类型，计算中选用文献【4 3 】中的三角形倾斜波纹板的试验公式： ( p ，l ) = s s - 。t “) ( 。2 ，p ) ( d 。五，肛) 。0 ”( 3 - - 3 1 ) ( 2 ) 蒸发器 蒸发器两相区制冷剂呈环状流，本文以环状流建立模型。在建立两相区模型 方程前，做如下假设： ( 1 ) 制冷剂流动为一维流动 ( 2 ) 在任何流动截面上，汽液相压力相等 ( 3 ) 汽、液截面上的蒸发量以液相流速流动 ( 4 ) 对水平管不计重力影响。 因为两相间存在滑移现象。因此需要列出各相模型方程。 质量守恒方程： 汽相老( 州，p 肌) _ m * ( 3 - - 3 2 ) 液相：导( ( 1 一c 口 ) p l u ，) ；一m 。 ( 3 3 3 ) d 厶 动量守恒方程： 汽相：壶( 2 0 0 0 ( 1 ) 热力膨胀阀梗型： 根据文献i 删的方法，建立了热力膨胀阀数学模型 m ，。m 邶c 。厶( ) l ；r 。：额定制冷剂流量 | 】i ；r ，：实际制冷剂流量 c 。：过冷度修正系数 c ”= 矗+ 0 0 4 0 8 9 + 0 9 8 2 6 7 5 a l 。：冷凝器出口过冷度 t s h ：蒸发器出口过热度 厶( - l ) ：额定压差下p 。p 。a p 的m ，一a t s h 曲线 t s h ：过热度 其误差在2 之内，在可以接受的误差范围。 ( 2 ) 毛细管模型 连续性方程：型：丘4 ：m ( 3 4 5 ) ( 3 4 6 ) ( 3 4 7 ) ( 3 4 8 ) ( 3 - - 4 9 ) ( 3 5 0 ) 第三章：双级压缩空气源热泵系统的数学模型 动量方程：印+ a 些d 芝2 v + 筹y = 。 能量施蛳+ 争= 。 两相流制冷剂参数的确定： h = x h 。+ ( 1 一x ) h ( 3 5 1 ) ( 3 5 2 ) v = 驯，+ ( 1 一x ) v 摩擦系数的确定1 4 5 】： f 6 4 1 r疋s 2 3 2 0 单相区a：j(3-54) 1 0 3 1 6 4 r 。”2 3 2 0 s 毽s 1 0 4 两相阶杀唧【曹r 2 面v d 3 2 。4 储液器模型 当液位位于最高液位与最低液位之间时，储液器仅相当于冷凝器后的一段凸 出的大管段f 4 6 j ，在稳态条件下，存在能量平衡和质量平衡。 质量平衡：m。=m。，(3-55) 能量平衡：m - h 。；m - i l 。+ o 。( 3 - - 5 6 ) 其中储液器与外界换热量：q 。；墨。4 。( f 。- t 。) ( 3 - - 5 7 ) 但是关于高压储液器中制冷剂质量还没有精确的计算公式。文献【4 6 】通过试 验得出单高压储液器制冷热泵系统储液器入口温度和对应的饱和温度关系式： f 。；t 。一c ( 3 5 8 ) 其中c 取常数。 3 2 5 管路及附件模型 制冷剂在管道及附件中流动采用均相模型，并作以下假设： ( 1 ) 制冷剂流动为一维流动； 第三章：双级压缩空气源热泵系统的数学模型 ( 2 ) 在板间流动断面上是物性均一的介质； ( 3 ) 制冷剂在流动过程中干度保持不变； ( 4 ) 物性仅沿流动方向上发生变化。 质量守恒方程：d - ( p , u s ) ：0 ( 3 5 9 ) 动黔叵施芝( 彬) - - 竿a z 一等 ( 3 矗6 0 ) 船月 毹d - n q 恒方程：- f f i ( p , u s h , ) 一丢牙( 3 - - 6 1 ) 式中：口= 坼田一l 。) 其中制冷剂的物性按照方程( 3 5 3 ) 计算。 忽略在微元内制冷剂比容的变化。 对于单相制冷剂：d m ：一d v ( 3 6 2 ) 两相制冷剂：d m 。仁+ ! 二匀d 矿( 3 6 3 ) v g v i 3 3t s a s h p 系统模型 3 3 1 模型封闭 在部件模型完成以后，就可以将各个部件有机的结合起来，形成完整的系统 仿真模型。为使仿真模型封闭，需要满足以下四个平衡约束条件。 1 能量平衡：蒸发器、吸气管及压缩机得到的能量等于冷凝器、排气管放 出的能量。同时，压缩机自身需要实现能量平衡，即输入功率与吸气得到的能量 等于排气带走的能量与压缩机向外界散热之和。 彬。f + 。 + q 。= + 既_ f + q c m + q c 。+ q c 口。+ q 。+ 既。f + q 。 + q ” ( 3 6 4 ) 。+ 埘。h 。= q 一。+ m 。，h 。， ( 3 6 5 ) 2 压力平衡：压缩机提高的压力等于系统各部件的总压力降。 卸2 0 ( 3 - - 6 6 3 动量平衡：低压级压缩机制冷剂流量等于节流装置制冷剂流量。 m 。_ = m 。， 。 ( 3 6 7 ) 第三章= 双级压缩空气源热泵系统的数学横型 4 流量平衡：高压级流量等于低压级流量和中间流量之和。 m=m+m。(3-68) 本系统模型通过调整中间压力实现流量平衡，通过调整冷凝温度实现质量平 衡，通过调整蒸发温度实现能量平衡，通过调整压缩机吸气过热度实现压缩机能 量平衡。 3 3 2 仿真流程 程序的计算从低压级压缩机吸气口开始，首先根据室内外空气温度设定系统 的蒸发压力，冷凝压力和中间压力，并初步设定低压级压缩机吸气过热度5 c ， 高压级压缩机吸气过热度1 0 。c ，设定高低压级压缩机频率，系统制冷剂充注量和 室内外换热器参数。由低压级压缩机入口压力，过热度和中间压力，使用压缩机 模块迭代计算低压级压缩机出口制冷剂状态、质量流量、输入功率、内部制冷剂 质量，并通过能量平衡计算入口过热度，如果压缩机吸气过热度偏差在容许范围 以内，则继续执行下一步计算，否则对压缩机吸气温度进行修正。 设定套管式换热器中压出口制冷剂状态，调用节点计算程序，由低压级压缩 机出口制冷剂状态求出混合后制冷剂参数。 调用高压级压缩机计算模块，由混合后制冷剂状态，求得高压级压缩机出口 制冷剂状态、质量流量、输入功率、内部制冷剂质量，并通过能量平衡计算入口 过热度，如果压缩机吸气过热度偏差在容许范围以内，则继续执行下一步计算， 否则对高压级压缩