（热能工程专业论文）双级压缩空气源热泵热水器系统动态仿真.pdf

硕士学位论文 摘要 随着全球能源供应的紧缺，可再生能源技术水平的提高和产业的发展成为能 源战略的必然趋势。热泵技术作为提高能源利用率的重要手段，得到了世界的关 注和迅速的发展。 目前热泵技术在各行业得到广泛的应用。从采暖供热到热水系统的运用，都 显示出热泵系统的优越性。在热水器市场，一种新型的节能产品空气源热泵 热水器应运而生。空气源热泵热水器采用少量的电能驱动压缩机运行，通过吸收 空气中的热能对水箱内的水加热，从而达到加热冷水制取生活热水的目的。空气 源热泵热水器具有节能、环保、安全、方便、寿命长、无毒的诸多优点，它的开 发利用受到社会各界的广泛关注。 但由于国内的空气源热泵热水器发展还处于初级阶段，普通单级压缩空气源 热泵热水器系统在技术上还存在一些亟待解决的问题，普通的单级空气源热泵热 水器在室外气温降低到一定温度时不能达到较好的制热效果，同时压缩机的压缩 比增大，引起排气温度过高而减少了压缩机的使用寿命。针对空气源热泵热水器 的低温不适应性问题，提出了双级压缩空气源热泵热水器系统。 本文对双级压缩空气源热泵热水器系统的动态特性进行分析，用数学模型仿 真的方法对变工况动态特性及开关机动态特性进行分析。研究内容有以下几点： ( 1 ) 建立各部件的动态仿真数学模型。针对响应时间的不同，压缩机和节 流装置采用稳态模型计算，冷凝器和蒸发器采用动态模型，并采用分区集中参数 法进行建模，再根据二阶r u n g e k u t t a 方法积分，将各微分方程代数化求解，然 后根据各部件的耦合参数将整个系统连接成完整的循环。 ( 2 ) 在变工况动态特性研究中，采用数学模型计算了膨胀阀的静态过热度 l 。从1 5 c 增加到6 5 的过程中，蒸发温度、出口过热度、蒸发压力、冷凝压 力、冷却水出口温度以及空气出口温度随时间的变化。 ( 3 ) 对系统的启停动态特性进行分析研究。从计算的数据来看，开机启动 加热时过程时间较长，蒸发器、冷凝器性能参数在启动瞬间有较大幅度的振荡。 所以，冷凝器和蒸发器为动态特性显著的部件。 关键词空气源热泵双级压缩动态仿真数学模型动态特性 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t l lt h es h o r t a g eo ft h eg l o b a le n e r g ys u p p l y , t h ei m p r o v e m e n to fr e n e w a b l e e n e r g yt e c h n o l o g i e sa n dt h ed e v e l o p m e n to fi n d u s t r i e sh a v eb e c o m ea ni n e v i t a b l e 臼e n do fe n e r g ys t r a t e g y h e a tp u m pa sa ni m p o r t a n tm e f l l l st oi m p r o v et h ee n e r g y e f f i c i e n c yh a sg o tm o r ea t t e n t i o nf r o mt h ew o r l da n dd e v e l o p e dr a p i d l y a tp r e s e n t , h e a tp u m pt e c h n o l o g yh a saw i d er a n g eo fa p p l i c a t i o n si nt h e i n d u s t r y f r o mh e a t i n gt o w a t e rh e a t i n gs y s t e m s ，h e a tp u m ps y s t e ms h o w si t s s u p e r i o r i t y i nt h ew a t e rh e a t e rm a r k e t , an e wt y p eo fe n e r g y - s a v i n gp r o d u c t - a i r - s o u r c 2h e a lp u m pw a t e rh e a t e re m e r g e sa st h et i m e sr e q u i r e as m a l la m o u n to f e l e c t r i c i t yi su s e dt od r i v et h ec o m p r e s s o ri na i r - s o u r c eh e a tp u m pw a t e rh e a t e r s y s t e m ，t h e nt h ew a t e ri nt a n ki sh c a t e db ya b s o r b i n gh e a tf r o mt h ea i r , a n dh o tw a t e r f o rl i f ew i l lb eg o t t e n a i r - s o u r c eh e a tp u m pw a t e rh e a t e rh a sl o t so f a d v a n t a g e ss u c ha s e n e r g y - s a v i n g ，e n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n , s a f e t y , c o n v e n i e n c e ，l o n gs e r v i c el i f ea n dn o g a se m i s s i o n s oaw i d er a n g eo fa t t e n t i o nh a sb e e np a i dt oi t sd e v e l o p m e n ta n d u t i l i z a t i o n h o w e v e r , t h ed o m e s t i ca i r - s o u r c eh e a tp u m pw a t e rh e a t e ri ss t i l li nt h ei n i t i a l s t a g eo fd e v e l o p m e n t s o m et e c h n i c a li s s u e so fg e n e r a ls i n g l e s t a g ec o m p r e s s e d a i r - s o u r c eh e a tp u m pw a t e rh e a t e rs y s t e mw e r en e e d e dt ob er e s o l v e d w h e nt h e o u t d o o rt e m p e r a t u r ed r o p p e dt oac e r t a i nt e m p e r a t u r e ，ab e t t e rt h e r m a le f f i c i e n c yc a n t b ea c h i e v e df o rt h eg e n e r a ls i n g l e s t a g ea i r - s o u r c eh e a tp u m pw a t e rh e a t e rs y s t e m a n d 、 r i mt h ei n c r e a s i n go fc o m p r e s s o r sc o m p r e s s i o nr a t i o ，t h ee x h a u s tt e m p e r a t u r ei s t o oh i g ht h a tt h el i f eo ft h ec o m p r e s s o rw i l lb er e d u c e d 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 eh e a tp u m ph e a t e rw a sp u tf o r w a r dt os o l v et h ep r o b l e mo ft h el o w t e m p e r a t u r ei n a d a p t a b i l i t y i nt h i sd i s s e r t a t i o n , t h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so ft h et w o - s t a g ea i r - s o u r c eh e a t p u m pw a t e rh e a t e rs y s t e mh a v eb e e na n a l y z e d n ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so f v a r i a b l ec o n d i t i o na n do n o f fs y s t e mw e r es i m u l a t e db yu s i n gt h em a t h e m a t i c a lm o d e l t h em a i nr e s e a r c hc o n t e n t sw e r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) m a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h ev a r i o u sc o m p o n e n t sw a se s t a b l i s h e df o rd y n a m i c s i m u l a t i o n a c c o r d i n gt ot h ed i f f e r e n tr e s p o n s et i m e ，t h ez o n i n gl u m p e dp a r a m e t e r d y n a m i cm o d e l sw e r ee s t a b l i s h e df o rc o n d e n s e ra n de v a p o r a t o r d y n a m i cs i m u l a t i o n i i 硕士学位论文 m o d e l sw e r eb u i l tf o rh e a tp u m ps y s t e m sc o m p o n e n t s ，b a s e do ns e c o n d o r d e r r u n g e k u t t am e t h o d ，d i f f e r e n t i a le q u a t i o nc h a n g e st ob et h ea l g e b r a , a n dt h e nc o u p l e t h ev a r i o u sc o m p o n e n t so ft h es y s t e mp a r a m e t e r si n t oac o m p l e t ec y c l e ( 2 ) i nt h ev a r i a b l ec o n d i t i o ns t u d y , t h em a t h e m a t i c a lm o d e lw a g u s e dt oc a l c u l a t e t h es t a t i ce x p a n s i o ns u p e r h e a tt e m p e r a t u r ef r o m1 5 t o6 5 ，t h es u p e r h e a t t e m p e r a t u r ea te x p o r t ，t h ee v a p o r a t i o np r e s s u r e ，c o n d e n s i n gp r e s s u r e ，c o o l i n gw a t e r a n da i rt e m p e r a t u r ea te x p o r tc h a n g ew i t ht i m e ( 3 ) d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c sw e r ea n a l y z e df o rt h es y s t e ms w i t c h t h ec a l c u l a t i o n d a t as h o w e dt h a th e a t i n gt i m ew a sl o n g e rt h e nt h ec l o s i n gt i m e t h ep e r f o r m a n c e p a r a m e t e r so fe v a p o r a t o ra n dc o n d e n s e rh a dm a r k e do s c i l l a t i o n t h e r e f o r e ，t h e c o n d e n s e ra n d e v a p o r a t o r w e r et h e s i g n i f i c a n tc o m p o n e n t s晰md y n a m i c c h a r a c t e r i s t i c s k e y w o r d sa i r - s o u r c eh e a t p u m p ；t w o s t a g ec o m p r e s s i o n ；d y n a m i c s i m u l a t i o n ；m a t h e m a t i c a lm o d e l ；d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i i i 主要符号表 一 主要符号表 换热面积，1 1 1 3 换热系数，w ( m 2 k ) 定压比热，j ( k g ) 管径，m 当量直径，r a 压缩比 比焓，j k g 汽缸数，取i = 1 ： 质量流率，k g s 功率，w 压力，p a 空气流速，m $ 饱和状态 过冷区 气体 进口 蒸发器 压缩机 吸气 管壁 管壁与肋片 水 l o c k h a r t m a r t i n e l l i 系数 雷诺数 空泡系数 温度， 密度，k g m 3 比体积，m 3 k g 动力粘度，p a s 导热系数，w ( m k ) 电效率 压缩机转速， r m i n 换热量，w 汽化潜热，j k g 干度 时间，s 两相区 过热区 液体 出口 冷凝器 理论值 排气 肋片 制冷剂 空气 n u 努塞尔数 p r 普朗特数 r y 乃 p y p a 叩 刀 q 厂 x f 钿 m 伽 c - 暑 d 血 r a 彳口q d d 厅，m p p甜。贼?m e眦s幽仃w擞k k 量 南 坝 她 体 删 硕士学位论文 目录 摘要i a b s t r a c t i i 主要符号表i 第1 章绪论。l 1 1 课题研究背景1 1 2 空气源热泵热水器系统动态仿真的国内外研究现状2 1 2 1 空气源热泵热水器的发展概况及面临的问题。2 1 2 2 空气源热泵系统的研究现状3 1 2 3 热泵系统仿真的研究现状4 1 3 本课题的研究内容和意义7 1 4 本章小结8 第2 章双级压缩空气源热泵系统及工作原理9 2 1 空气源低温适应性解决方案9 2 2 双级压缩空气源系统的方案分析l o 2 3 两级节流中间不完全冷却双级压缩空气源热泵系统及工作原理1 2 2 4 本章小结1 3 第3 章双级压缩空气源热泵系统动态仿真数学模型1 4 3 1 压缩机数学模型1 4 3 2 冷凝器数学模型1 7 3 2 1 板式冷凝器动态模型建立：18 3 2 2 换热系数计算1 9 3 3 节流装置模型2 l 3 3 1 内平衡热力膨胀阀2 l 3 3 2 外平衡热力膨胀阀。2 1 3 3 3 膨胀阀数学模型2 2 3 4 蒸发器的数学模型2 3 3 4 1 制冷剂侧模型2 3 v 目录 3 4 2 管壁侧模型2 4 3 4 3 空气侧模型2 5 3 5 制冷剂和载冷剂的热物性参数计算2 6 3 5 1 制冷剂r 1 3 4 a 热物性质计算一2 7 3 5 2 水的热物性参数计算3 1 3 5 3 空气的热物性参数计算3 2 3 6 本章小结3 4 第4 章双级压缩空气源热泵系统动态模拟及验证3 5 4 1 双级压缩空气源热泵系统动态模型的数值计算3 5 4 1 1 冷凝器模换热器数学模型的数值计算方法3 5 4 1 2 系统模型的计算流程及方法3 9 4 2 双级压缩空气源热泵系统动态模拟结果与验证4 4 4 2 1 双级压缩空气源热泵热水器试验4 4 4 2 2 模拟结果与试验验证4 6 4 3 本章小结5 0 第5 章双级压缩空气源热泵热水器装置动态特性研究。5 2 5 1 双级压缩空气源热泵典型动态性能分析。5 2 5 1 1 双级压缩空气源热泵启动特性5 2 5 1 2 双级压缩空气源热泵停机特性5 5 5 2 本章小结5 7 第6 章结论与展望5 8 6 1 总结5 9 6 2 展望5 9 参考文献5 9 攻读硕士学位期间发表论文及获奖情况6 4 致谢6 5 硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究背景 当前全球气候变暖和能源供应安全已成为世界各国共同关注的重大战略问 题。随着我国经济的快速持续增长，能源资源环境已成为影响未来发展的严重制 约因素。在这一新形势下，可再生能源技术水平的提高和产业的发展成为能源战 略的必然趋势【l 】。 早在十九世纪初，人们就对如何将热量从温度较低的介质“泵”送到温度较 高的介质中的热泵技术开始研究。热泵技术作为提高能源利用率的重要手段和获 取可再生能源的有效途径，现在已经有了快速的发展【2 】。热泵技术的形式多种化， 不仅有传统电能驱动式，还有地源式、空气源式；不仅是单级系统，还有双级、 复式耦合型。产品应用多样化，从采暖供热到热水系统都显示出热泵系统的优势。 在热水器市场，随着国家的能源政策的倡导和推广，一种新型的节能型热水 器产品空气源热泵热水器应运而生。空气源热泵与常用的电热水器不同，它 并非采用电热管直接对水加热，而是采用少量的电能驱动压缩机运行，通过吸收 空气中的热能对水箱内的水加热，从而达到加热冷水制取生活热水的目的。空气 源热泵热水器，与燃气热水器、电热水器相比，在产品的安全性、能源利用率等 方面具有不可比拟的优势，而且空气源热泵热水器具有太阳能热水器节能、环保、 安全的优点，又解决了太阳能热水器依靠阳光采热和安装不便的缺点。由于高安 全性、节能、寿命长、无毒等诸多优点，以及可以有效地解决目前国内有关部门 对节约能源、环保、安全等各方面较为棘手的问题，因而空气源热泵热水器受到 社会各方面的广泛关注和开发利用。 空气源热泵热水器国内的发展还处于初级阶段，普通单级压缩空气源热泵热 水器系统( 系统简图如图1 1 ) 在技术上还存在一些待解决的问题。在室外气温 降低到一定温度时，普通的单级空气源热泵热水器不能达到较好的制热效果。这 是由于室外气温降低，制冷剂吸气比容增大，机组吸气量迅速下降，从而减少了 热泵系统的制热量；同时压缩机的压缩比增大，引起排气温度过高而减少了压缩 机的使用寿命。这一问题也阻碍了空气源热泵热水器在北方寒冷地区的推广使 用。 针对空气源热泵热水器的这一低温不适应性问题，业内研究人员提出了多种 第1 章绪论 改进的方案。本课题就针对其中一种有效的改进方案双级压缩空气源热泵热 水器系统进行动态性能仿真研究。这一研究对改进热泵热水器的结构及性能、缩 短生产周期等都具有明显帮助。 图1 一l普通热泵热水器系统简图 f i g 1 1p r o c e s so ft h ec o n v e n t i o n a lh e a tp u m pw a t e rh e a t e r 1 2 空气源热泵热水器系统动态仿真的国内外研究现状 1 2 1空气源热泵热水器的发展概况及面临的问题 空气源热泵技术1 9 2 4 年就已在国外发明。然而在很长的一段时间里并没有 被人类充分地认识和运用。直到二十世纪六十年代，世界能源危机以后才受到充 分的重视，所以此后世界各国纷纷加大了研发力度，进一步推广了热泵技术，使 得目前热泵技术已经比较广泛地使用。二十世纪七十年代初期，由于“能源危机” 的出现，热泵又以其回收低温废热，节约能源的特点，在产品经过改进后，更受 到了人们的青睐。如美国，热泵的产量从1 9 7 1 年的8 2 力套年猛增至1 9 7 6 年的 3 0 万套年，1 9 7 7 年再次跃升为5 0 万套年，而此时同本后来居上，年产量更超 过5 0 万套。就目前而言，国外的空气源热泵热水器市场已经相当成熟，在发达 国家使用的比例有的高达7 0 。在欧美大多数发达国家，如澳大利亚、英国、法 国、北欧及南欧的一些国家，热泵产品已经进入了大多数家庭，而在我国的毗邻 国家如新加坡、马来西亚等也是热泵热水器使用比较普遍的国家1 2 1 。 空气源热泵热水器在我国香港和台湾地区也有将近5 0 的使用率。在国内， 近年来由于能源紧缺，空气源热泵热水器逐渐被j 一大厂商重视起来，尤其是近两 年来有了比较大的增长，单就生产企业也由屈指可数的几家突飞猛进爆涨到目前 的儿十家甚至近百家。并有调查显示，我国2 0 0 7 年热泵热水器完成3 0 力台的销 量【3 1 。 总体来说，中国空气源热泵热水器市场处于起步的初级阶段。无论是基础技 目 硕士学位论文 术上还是生产周期上，都还存在有待解决的问题，主要从两个方面考虑： ( 1 ) 低温不适应性。由于空气源热泵系统的低温制热性较差，限制了空气 源热泵热水器在北方寒冷地区的推广，如何从技术上改进系统来满足低温地区的 空气源热泵热水器的使用是研究人员面临的重要问题之一。 ( 2 ) 开发周期性。双级压缩空气源热泵热水器产品的开发和生产还处于初 步的研究阶段。为了缩短新系统地研制和开发周期及费用，则必须引入新的技术 制冷( 热泵) 仿真技术。仿真是确定结构参数进行性能检测的过程。通过仿 真，对所确定的结构参数是否合理作出评价，其须通过配置优化程序完成。而且 在实际运行中，系统各参数都呈现动态特性，所以对系统的实际动态特性进行仿 真成为系统开发和优化的一个重要基础。 1 2 2 空气源热泵系统的研究现状 空气源热泵系统的国内外研究不少，但与本课题双级压缩空气源热泵系统相 关的研究并不多。具体的研究进展如下： l 、清华大学建筑技术科学系的田长青等提出了用于寒冷地区的双级压缩变 频空气源热泵【4 】。采用一次节流不完全冷却双级压缩方式，并将最佳中间压力作 为控制目标来调节低压级压缩机运行频率，以实现涡旋式压缩机系统的最佳能效 控制。这与本课题双级压缩研究有较大的共同处。 2 、清华大学的柴沁虎提出了采用带经济器的具有辅助进气口的涡旋压缩机 系统【5 】，并得出最合理的开孔位置位于吸气腔的刚刚闭合处。开孔位置在一定范 围内变化对于系统的经济性、安全性影响并不明显，但对系统在低温工况下的制 热量有明显的影响作用。而且此研究对于带经济器的螺杆压缩的准二级系统同样 适用。但并不适用于中间回路流量调节元件不是热力膨胀阀的系统。 3 、哈尔滨工业大学的喻银平等提出的双级耦合热泵系统1 6 1 ，利用空气源热泵 从大气中吸取热量，提供1 0 2 0 的水，作为水源热泵的低位热源再来供暖。 但由于将两个循环系统耦合运行，其投资和系统设备的复杂性大得多。所以，在 应用方面受到了很大的局限。 4 、清华大学的马国远等提出的采用带辅助进气口的涡旋压缩机【7 1 在低温工 况时通过辅助进气口向压缩机工作室喷制冷剂，以此改善热泵内部压缩过程来提 高热泵的低温性能。中间补气可以增加机组的制热量，也会增大功率消耗，但制 热量增加的速度大于功耗增加的速度，因此通过补气可以提高系统的c o p 随着 第1 章绪论 蒸发温度的升高，补气改善c o p 的效果越来越小。而且中间补气也会明显降低 压缩机的排气温度。 5 、s t e f a ns b e r t s c h 和e c k h a r da g - r o l l 8 】为推广热泵在美国北部地区的使用， 提出了两级压缩空气源热泵系统。采用两级压缩循环，使低温环境3 0 时的系 统c o p 达到2 1 ，提高了系统的低温性能。 1 2 3 热泵系统仿真的研究现状 关于热泵系统动态仿真的研究目前已经很多，但是与本课题中研究的双级压 缩空气源热泵动态仿真的相关文献很少。目前对热泵系统的动态仿真大多是在单 级压缩系统方面。对系统各部件的动态仿真以及算法方面的文献不少，这些文献 对系统的动态仿真具有很大的参考价值，具体研究如下： 1 、关于压缩机的仿真 1 ) 清华大学建筑技术科学系的王宝龙等建立了适用于制冷空调仿真的涡旋 压缩机的分布参数简化模型【9 】。统一考虑工作过程中的泄漏和排气，建立了基于 能量守恒、质量守恒和实际气体状态方程的涡旋压缩机模型，并用四阶 r o n g e k u t t a 法求解。其模拟计算的压缩机功耗和质量流量能够准确地描述涡旋 压缩机的吸气预压缩、压缩泄漏以及排气过压缩等详细工作过程。 2 ) 甘肃工业大学的刘振全等分析了全封闭式涡旋压缩机压缩腔的能量传递 机制【1 0 l ，同时对作为热容环节的壳体的温度分布以及它与制冷剂、周围环境的热 传递做了分析，进而建立起用于制冷系统仿真研究及优化设计的以r 2 2 。为制冷 剂的全封闭涡旋压缩机动态数学模型。 3 ) 华东船舶工业学院的伏龙就用于系统仿真的螺杆压缩机建立了模型i l l 】。 由于压缩机的热惯性相对于蒸发器和冷凝器来说要小得多，系统采用稳态仿真。 并分别对标准压缩机( 不带经济器运行的压缩机) 和带经济器运行的压缩机建立 模型。 4 ) 中南大学的胡益雄等针对单级热小型全封闭活塞式压缩机进行了稳态仿 真【1 2 】，采用经验公式建立了以蒸发温度、冷凝温度、压缩机单程排量及转速为输 入参数，压缩机制冷量、功耗、排气温度为输出参数的小型全封闭活塞式压缩机 稳态数学模型。 5 ) app e s k i n t l 3 1 建立计算流体动力学模型，针对采用r 1 3 4 a 为制冷剂的往复 式压缩机的各项特性参数进行模拟计算。采用气体状态方程、维里方程、 4 硕士学位论文 p e n g r o b i n s o n 方程与能量方程联立求解特性参数。 2 、关于换热器的仿真 空气源热泵系统中的换热器包括冷凝器和蒸发器两大部件，冷凝器和蒸发器 这两个部件的热工过程有许多共同的特征。它们的仿真模型也有很多相似之处， 主要研究进展为： 1 ) 上海交通大学动力与能源工程学院景步云等建立板式蒸发器稳态仿真计 算模型1 4 】，并采用分布参数模型建立数学方程。利用模型，精确计算了板式蒸发 器中流体沿流道方向温度、压力的分布以及冷热流体的速度分布和板壁温度分 布。根据模型的计算结果，分析换热器运行性能。模型微分方程采用二阶 r u n g e k u t t a 方法积分。 2 ) y i y i ey a h 等【1 5 1 ，对采用r 1 3 4 a 制冷剂的板式冷凝器建立稳态集中参数 模型，并计算流体在板间的传热性能及压降。得出对于板式冷凝器，沿制冷剂流 体板片方向换热系数增大，换热加强。 3 ) 重庆大学陈红等研究的制冷系统蒸发器动态过程数学模型模糊辨识【1 6 1 。 通过熵方法和竞争学习算法对输入空间进行聚类，利用递推最小二乘辨识算法 ( r l s ) 确定模型的结论参数，实现了蒸发器动态过程数学模型的在线模糊辨识。 4 ) 重庆大学动力工程学院陈红等对汽车空调蒸发器分布参数动态模型及数 值仿到1 7 1 。蒸发器分布参数动态数学模型，并给出了具体的数值仿真算法。用于 预测不同运行工况下蒸发器热力参数的瞬态分布状况。 单相区能量平衡方程： 互旦笺巫：t j ( z s z ) - t ( z , z ) ( 1 1 ) 两相区能量守恒方程：瓦里警= 了与一x ( l z ) ( 1 - 2 ) 上，r“一“” 5 ) 浙江大学制冷与低温研究所岳婷等对小型制冷装置冷凝器进行分区集中 参数稳态仿真【1 8 】。对制冷剂的单相区( 过热区、过冷区) 建立集中参数仿真模型， 对制冷剂的两相区建立分布参数仿真模型。 6 ) 天津大学环境学院王书中等基于m a t l a b 对板式换热器建立了动态特性仿 真模型【悖】。考虑了流体沿流动方向的导热扩散特性、换热平板的金属蓄热以及沿 径向的导热对出口温度瞬态响应的影响。基于m a t l a b 的数值计算基础，对无量 纲动态仿真数学模型的空间维变量的一阶导数项采用向后差分，二阶导数项采用 5 第1 章绪论 中心差分，然后采用m a t l a b 的o d e 求解器进行求解。 3 、关于节流装置的仿真 热泵制冷冷系统的节流装置通常包括膨胀阀、毛细管等。相关文献有： 1 ) 上海交通大学伏龙等在螺杆冷水机组动态仿真中2 0 1 ，忽略膨胀阀的热惯 性，将膨胀阀的节流过程视为等焓过程。结果证明：仿真模型能够较好地反映出 机组特性。节流阀流量计算方程如下： = c 耐风卸 “3 ) 2 ) 清华大学的邵双全等对电子膨胀阀与毛细管在变频空调系统中的性能作 出分析【2 1 1 ，分别建立了毛细管和电子膨胀阀的数学模型和整个空调系统的仿真模 型，用验证过仿真软件进行数值计算。结果表明，在设计工况下，两个系统的性 能接近。若偏离设计工况，电子膨胀阀系统的调节特性明显好于毛细管系统。 3 ) 上海交通大学动力与能源工程学院的仲华等对电子膨胀阀动态特性进行 辨识】。针对制冷系统蒸发器过热度随e d m 型电子膨胀阀开度变化的关系模型， 对电子膨胀阀的步进电机施以电脉冲驱动，从而获得蒸发器过热度作为动态响应 的运行规律，为以后制冷系统模拟、仿真奠定较好的基础。 4 ) p r a i t o o nc h a i w o n g s a 和s o m c h a iw o n g w i s e s l 2 3 1 提出了采用两相流喷射装置 作为r 1 3 4 a 制冷剂的制冷系统的膨胀装置。采用试验方式研究了喷射装置的压 降、温度降以及质量流量的变化。此装置可作为简单方便的节流手段。 4 、关于中间冷却器的仿真 在课题中综合考虑制热性能、排气温度、回油性、和系统制冷剂输送距离远 近等方面，选定制热性能较好一些的两级节流中间不完全冷却循环，所以增加了 中间冷却器这一系统部件。但是关于中间冷却器的具体模型很少见。与中间冷却 器具有近似功能的经济器的模型有文献提出，从原理上可以作为参考： 1 ) 清华大学建筑技术科学系的田长青，石文星，王森提出了用于寒冷地区 的双级压缩变频空气源热泵【4 】，并从流量，能量和热量三个方面对中间冷却器建 立模型。这对本课题二次节流中间不完全冷却系统中的中间冷却器部分提供了一 个较好的参考。 2 ) 清华大学的柴沁虎【5 l 和北京工业大学的马国远【2 4 】对带经济器的涡旋压缩 机制冷循环进行了分析，以及华东船舶工业学院伏龙【2 5 】对螺杆压缩机模型带经济 6 硕士学位论文 器运行进行分析，重点分析了补气过程，以及补气开孔的位置，并建立了相应的 模型，但是他们所建立的模型有一定的局限性。 5 、关于制冷剂物性参数计算 本课题的实验系统采用的是r 1 3 4 a 制冷剂。r 1 3 4 a 制冷剂热物性模型的可以 根据a s h r a e 中的数值来拟合公式1 2 6 】。目前，r 1 3 4 a 制冷剂热物性模型的建立 有如下的相关文献： 1 ) 上海交通大学的张春路等提出了制冷剂饱和1 2 7 】与过热气体热力性质【2 8 】的 隐式拟合方法，此法具有良好的精度，外推性和稳定性，但计算稍复杂。 2 ) 天津商学院制冷与空调系工程的王成生等提出在过热状态和饱和状态的 热力性质计算采用m a r t i n h o u 方程2 9 1 ，过冷状态的热力性质计算采用c l e l a n d 简 化计算模型 6 、系统仿真与算法 对于热泵系统的仿真在国内外都有研究，但主要是在单级压缩热泵方面。在 双级压缩热泵系统仿真方面则主要是以c o ，为制冷剂的双级压缩热泵系统和吸 附式热泵系统，如： 1 ) 上海交通大学的伏龙等对风冷热泵冷热水机组动态过程进行仿真计算【3 0 l 。 针对每个部件建立了质量和能量平衡方程，并通过“预测一校正 和“自适应步 长 方法实现系统仿真。此热泵系统为单级压缩系统。 2 ) z h a ol c i 和m z a h e e r u d d i n 3 1 】对水冷式制冷循环系统进行动态仿真研究。 分别对压缩机、冷凝器、节流阀、蒸发器建立数学模型。鉴于时间常数等级，将 压缩机和节流阀以稳态模型计算；冷凝器和蒸发器采用分区集中参数模型计算。 3 ) n e e r a ja g r a w a l 和s o u r i kb h a t t a c h a r y y a 研究了以c 0 2 为制冷剂的双级压 缩热泵系统循环f 3 2 1 ，他们所研究的蒸发温度范围是：- 4 0 c - 3 0 ( 2 ；冷凝温度的 范围是：3 5 - 5 0 ；并且指出对于夸临界循环，在冷凝温度选定的情况下，由 于快速中间冷却存在，选n h ，比c o ，占优势。 4 ) 天津大学的马一太等对c o ，跨临界双级压缩采暖热泵进行了理论分析【3 3 1 。 研究了双级压缩回热循环的可行性。 5 ) 上海交通大学的吴静怡等对连续回热型吸附式空调热泵循环特性与动态 性能建立模型进行仿真【3 4 i 。实验采用集总参数法给出了系统各主要性能参数的计 7 第1 章绪论 算方法，为系统循环特性与动态性能的进一步分析奠定了基础。 仿真系统算法目前主要有传统迭代算法，有限差分法和人工神经网络算法。 相关的文献集中在人工神经网络这种新型的智能算法。在本课题中不采用这种算 法，因此，不详细介绍。 1 3 本课题的研究内容和意义 本课题对双级压缩空气源热泵系统的动态仿真特性进行研究。为改进普通空 气源热泵系统的低温适应性，提出的双级压缩空气源热泵系统的生产开发还需要 深入的研究。为了能对不同结构的此系统的实际运行性能有所掌握，研究中采用 模型仿真，模拟运行状态，得到运行特性曲线，从而指导产品的开发，达到缩短 周期的效果。课题的主要研究内容包括以下几个方面： ( 1 ) 分析双级压缩空气源热泵热水器的优越性，为实际应用提供理论依据。 ( 2 ) 在实验装置的基础上建立正确的部件模型，合理地耦合成系统仿真模 型。运用模型对系统进行动态特性仿真。 ( 3 ) 在部件的模型建立过程中考虑初始输入参数和最终输出参数的选择。 并选择合适的计算方法对模型仿真计算。而对于闭合系统模型来说，顺序计算的 断开点也是本课题要考虑的问题。 ( 4 ) 对空气源热泵系统仿真结果进行分析，并结合实际的实验数据，将系 统模型加以完善，使仿真模型能够指导工程实际中的运行参数的调整，而优化系 统的运行性能。 1 4 本章小节 ( 1 ) 本章介绍热泵技术作为提高能源利用率的重要手段和获取可再生能源 的有效途径，得到重视和快速的发展；阐述空气源热泵热水器的发展和问题，交 待了进行本题研究的背景。 ( 2 ) 针对课题研究对象双级压缩空气源热泵热水器，对国内外的研究现状 及文献资料进行学习和综述分析。并且从文献研究中发现采用r 1 3 4 a 制冷剂的空 气源热泵热水器存在低温不适应及生产周期长的技术性问题，因此确立了论文的 主要研究内容是双级压缩空气源热泵系统的的动态仿真，并根据课题背景确立了 课题的研究价值。 8 硕士学位论文 第2 章双级压缩空气源热泵系统及工作原理 长期以来的理论和实践均表明：空气源热泵系统的应用受到气候条件的约 束。随着室外气温的不断下降，室内采暖热负荷会不断增加，同时传统空气源热 泵将会产生下列问题【3 5 1 【3 6 】： ( 1 ) 随着室外气温的降低，制冷剂吸气比容增大，机组吸气量迅速下降， 从而减少热泵系统的制热量，不能满足室内最大采暖热负荷； ( 2 ) 由于压缩机压缩比的不断增加，压缩机的排气温度迅速升高。在较低 的室外温度下，压缩机会因防止过热而自动停机保护，这使得热泵只能在不太低 的室外气温下运行； ( 3 ) 由于压缩机压力比的增大，系统的性能系数( c o p ) 急剧下降。 这些低温不适应性问题使传统的单级空气源热泵系统难以推广到黄河流域、 华北、西北等地区。 2 1 空气源低温适应性解决方案 根据上述在低温环境下传统的单级空气源热泵产生的问题分析可知：在吸气 比容和压比过大的情况下，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。图2 1 是以r 1 3 4 a 为工质的单 级压缩空气源热泵系统压缩比随蒸发温度的变化曲线。 2 5 2 0 丑1 5 嫖 出1 0 5 o - 2 01 00 蒸发温度( ) 图2 1 压缩比随蒸发温度变化 f i g 2 - lv a r i a t i o no fc o m p r e s s i o nr a t i ow i t he v a p o r a t i o nt e m p e r a t u r e 9 第2 章小型双级压缩空气源热泵系统及工作原理 从图中可以看出，当冷凝温度为4 0 ( 2 时，蒸发温度降到2 0 时，压缩比接 近压缩机极限压缩范围( 小型容积式压缩机临界值一般为8 1 0 3 7 】) ，而当冷凝温 度为6 0 ，蒸发温度在5 附近即已达到压缩比极限。可见，当环境温度过低的 情况下，即使氟利昂物质的绝热指数相对较小，要制取温度比较高的生活卫生热 水，单级热泵系统压缩比很容易超出压缩机工作极限值【3 引。 针对这些问题，许多的研究人员进行了多种热泵系统的改造，主要有以下几 种方法： ( 1 ) 引进中压制冷剂，来提高制热量和制热效率。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( 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 凝压力和中间压力的不同而变化。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。而且这种系统优势只局限于低温运行的情况，其普通工 况的可行性并未能得到足够的关注。 ( 2 ) 提高低位热源温度，减小压缩比。马最良等【3 9 】提出的双级耦合热泵和 mh u l t e n 和tb e m t s s o n l 4 0 】发明的吸收式压缩式耦合热泵就属于此法。但此改造 系统需要两个热泵循环系统，结构复杂、投资大，不适合在小型供热工程中采用。 ( 3 ) 分级承担压缩比，提高制热量。双级压缩系统则属于此法。双级压缩 系统可降低各级压缩机的压缩比，即使在环境温度很低时，不仅能使各级压缩机 压比不会过大，还可以保证系统有较佳的总压缩比，保证制热量。 综上所述，空气源热泵系统在低温环境下制取较高温度的生活热水，压缩比 过大，普通单级压缩循环系统难以保持较高制热量，甚至可能会因为恶劣的运行 状况导致系统运行故障。因此，选择双级压缩循环，低压和高压级压缩机分别承 担合适的压比，通过合理的设置匹配，使双级压缩系统达到较高的制热系数。并 且在实际的试验验证得到：在环境温度低于5 的相同