对复叠式热泵热水系统准稳态分析的性能研究

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. 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，许多研究人员试图克服这一障碍的方法也各有不同。现在，R134aR410a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，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/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，HDD（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和压缩功率图8 通过实验和计算数据得出（a）和(b)的温度分布 表2核实储罐模型的实验与计算条件图9中显示在案例1的条件下热泵工作第七天工作情况，之所以以图显示第七天的工作情况，是因为它要达到一种周期状况需要几天时间13，通常，当进水温度升高，由于较大的压力比，系统的压缩功整加。另一方面，加热容量在恒定环境温度和匀速质量流率下几乎不变。因此，系统COP的下降是在热泵热水器充电期间经历的。入水口温度初始下降源于前面提到的初步循环。 图9 热泵性能随时间变化（案例1）在图10a中显示出储水罐中水的温度分布。水在热泵中恒定加热和恒定流动，水温逐渐整加，并不是瞬间完成的。水箱内的水从热泵的顶部加热，直到流出水箱。初始温度为30，经过大约50分钟加热，温度达到60为止。就像图10b中显示的，由各种途径吸收过热量的热水储存到热泵热水器中。随着时间的推移，温度分布曲线走向左上侧。水箱上部的水流出热泵，水箱下部流入等量的冷水。因此，水温从底部开始降低，推开顶端水被外部使用。图10 储蓄罐内温度分布（a）（b）4.2 热水需求对系统性能的影响图11和图12分别代表案例2和案例3的温度分布。案例2和3的环境温度一样，但案例2有多整加200L水。图11a和b给出的温度分布的数据表明，热水量的变化影响热泵运行时间。在案例2中，热泵在工作36分钟后往储水罐中填入水，案例3却需要62分钟。图11b和图12b描述的温度曲线表示，当热水被消耗，初始温度影响热泵性能。如果大量的热水从水箱消耗时，冷水占据了储罐的一个重要组成部分。之后，温度分布曲线向左移动较多，特别是在底部，而罐内水的平均温度减小。图11 储罐内温度分布的变化（案例2）（a）加热中（b）峰值 图12 储罐内温度分布变化（案例3）（a）加热中（b）峰值在图13中描绘了热泵在案例2下的性能。数据显示系统工作的第七天性能结果，在图14显示了在案例3工作情况下的相反的结果，热水供给对系统性能的影响。从图13和图14,发现，热泵入水口温度、COP和压缩功率由不同的热水需求而改变。随着热水需求量的整加，热泵运行时间也相应整加，当然，热泵的功率也会整加。例如，案例2每天消耗3.01千瓦时，案例3就消耗4.76千瓦时。如果按案例1操作50分钟，消耗4.00千瓦时，案例不同，消耗电量也不同，工作的时间也不同。这是因为越多的水被使用，平均COP整加越多。如果大量的热水被消耗，水罐中的平均水温就降低。水温较低导致热泵工作时间长，而水的压力比减小，就要整加COP。案例2中，如果热泵工作时水的平均温度为34.4，那平均COP就是3.00。另一方面，在案例3中，水的平均温度为20.32，平均COP为3.25。图14是对应案例3这一情况，观察自冷水进入罐内的温度曲线。来自热泵运行之前，加水之后。由于水在水箱中循环的整个过程中，剩余的温水开始流入热泵。在这种方式中，水入口温度是周期性变化的。当更多的水被消耗掉，这种现象加剧，环境温度就越低。 图13 热泵的性能随时间变化（案例2） 图14 热泵的性能随时间变化（案例3）为方便比较，每个案例的主要参数都在表3中。如果热水需求整加100L，热泵得多工作15分钟，能量消耗整加20%。同样，平均COP提高4%，水箱内热水消耗后平均温度下降约7%。热水需求不同，大多数参数变化呈线性变化。当热水需求上升，电力消耗却减小。 表3 不同热水需求下系统性能的主要参数4.3 环境温度对系统性能的影响图15和图16显示案例4和5中储存罐中温度分布。不同的环境温度在图4中表示不同的温度曲线，案例4的曲线是曲线2，温度比案例1小10以上。另一方面，案例5比案例1的温度高上10以上。同样的热水需求，因为环境温度不同而不同。图15a和图16a描述在低温环境下，热泵长时间工作的罐内温度分布。环境温度从曲线2下降到曲线3，热泵工作时间从36分钟整加到68分钟。这是越低的环境温度下热泵内达到稳定时间越长的原因。在案例4和5中恒定的热水需求流入，供给水相同，入口水的温度因为环境温度不同而变化。案例4的进水口水温为3，案例5的进水口温度为19，这就是两种案例之间的差异。如图15和16所示，案例4比案例5的热水消耗梯度更大。其结果是储罐内的平均温度彼此不同，案例4的为18.8，案例5的为32.7。图15 热泵的性能随时间变化（案例4）（a）加热中（b）峰值图16 热泵的性能随时间变化（案例5）（a）加热中（b）峰值 图17和18分别表明案例4和5热泵性能的不同。当环境温度降低时，某些方面类似于热水需求整加。更高的热水需求导致工作时间的整加和能量消耗，而在低温环境中则相当于更多的电力消耗。如案例4每天消耗5.72度，案例5仅仅消耗2.68度。环境温度要比热水需求更显著。首要原因是低温环境带来的COP不像热水需求整加的COP,这是很自然的增长，由于寒冷环境的高压力比。另一个原因是系统影响和供给水影响。这种变化建立在寒冷环境温度下的热泵通过降低存储罐内的整体温度。系统随温度变化的主要变量被设置在表4中。当环境温度降低约10，热泵的运行时间约16分钟，并且在储罐内热水消耗后平均水温减小约7。同时，功率消耗增加约38，并且平均COP的降低约9。此外，随着环境温度降低大多数参数升高。 图17 热泵的性能随时间变化（案例4） 图18 热泵的性能随时间变化（案例5） 表4不同环境温度下系统性能的主要参数5 结论在本研究中，数值模拟进行的目的，是了解出级联热泵热水系统的性能。学习动态分析，同时减少计算量，运用半瞬态分析。基于实验结果，该分析包括一个储罐的动态模型和级联热泵热水器的稳态模型。并且，案例15被选择作为调查热水需求和环境温度对系统的性能影响。通常，储罐充满热水时，热泵功率整加或COP减小。热水需求整加，工作时间和热泵功耗整加。平均COP随热水需求整加而整加，然而，其他参数相比较平均COP对热水需求的影响就不是那么明显。此外，热水需求造成的不同系统变化基本不变，除非功耗发生改变。当环境温度变得更冷，系统平均COP的下降而操作的时间和热泵功率消耗增加了。通常，环境温度比热水需求对系统的性能影响更大，因为在环境温度下，供给水的温度也对系统的性能有影响。此外，环境温度造成的系统的变化，在寒冷环境整加。在本研究中，级联热泵系统的基本性能是根据有目的控制条件来研究在过热和热容量不同情况的性能影响。然而，考虑到在一个级联系统中有两个不同的循环，操作的各个方面，可以根据如何使用压缩机频率和制冷剂充量来平衡这两个循环。为了连续的研究，因此，采用更先进的操作方式，能够应对各种情形，如最大COP和最大热容量应进行调查。致谢这项工作已经得到了世界一流大学和NRL工程支持的韩国研究基金会的教育，科学和技术的资助。从韩国重点21项和首尔国立大学IAMD得到援助。这项工作的部分内容，也适合热泵/燃气锅炉混合动力系统的性能分析。参考文献1 ISSN: 1226e606XYearbook of energy statistics 2011. 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