（制冷及低温工程专业论文）多功能热泵空调热水器理论分析与实验研究.pdf

东南大学硕士学位论文 多功能热泵空调热水器理论分析与实验研究 0 2 0 2 3 3 武文彬 摘要 节能是热水技术发展的永恒主题，丽高能耗则是常规热水技术无法克服的缺憾。热泵技术是开 发和强化高质能源利用率的重要手段，是获取可再生能源及维护生态平衡的有效途径之一。 本文研究的对象多功能热泵空调热水器则将热泵空调与热水器有机的结合在一起，其在夏 季时通过室内蒸发器实现对室内空气的降温、降湿的同时，利用冷凝器中的热量生产热水。在不需 使用空调的春秋季节则可以作为热泵热水器使用。而在冬季其仍作为热泵空调器实现供暖的目的， 并能够通过切换实现供应热水的目的。本文研究内容如下： ( 1 ) 设计并建成了一套多功能热泵空调热水器实验台，由一台框机空调改装而成，实现了空调、 热泵、热水器集为一体的样品装置，能够在制冷同时供热水；冬季也体现出热泵和热水器的多功能 特性。 ( 2 ) 本文对多功能热泵空调热水器系统原理、组成进行了简单的介绍与研究，并针对实验台的 室内侧蒸发器、室外侧冷凝器、热水器侧换热器等装置建立了相应的数学模型，并进行了数值模拟 与分析。 ( 3 ) 利用搭建的试验装置，对此台特定结构的多功能热泵空调热水器在夏季制冷、制热水工况， 春秋冬季制热水工况等条件下的性能分别进行了试验研究，并分析讨论了各参数变化对系统的影响， 对今后类似系统的设计及改进提供了一定的实验数据。 ( 4 ) 最后与其他类型的热水器对比进行了经济性分析比较，数据表明这种热水器装置更为经济。 关键词：热泵热水器；热泵；热水器；节能 东南大学硕土学位论文 t h et h e o r e r a t i c a la n a l y s i sa n de x p e r i m e n t a ls t u d i e so n m u l t i f u n c t i o nh e a tp u m pw a t e rh e a t e r a b s t r a c t e n e r g y c o n s e r v a t i o ni s t h ee t e r n a lt h e m eo ft h et e c h n i c a l d e v e l o p m e n to fw a t e rh e a t i n g ，b u t h i g h e n e r g yc o n s u m p t i o ni st h es h o r t c o m i n gt h a tt h ec o r m n o nt e c h n o l o g yo f w a t e rh e a t i n gc a u td e a lw i t h t h et e c h n o l o g yo f h e a tp u m pi sa ni m p o r t a n tm l r l st od e v e l o pa n ds t r e n g t h e nt h eu t i l i z a t i o nr a t i oo f h i g h q u a l i t ye n e r g y ；a l s oi ti so n eo f t h ee f f e c t i v ew a y so f o b t a i n i n gt h er e g e n e r a t e de n e r g ye n ds a f e g u a r d i n gt h e e c o k g i c a lb a l a n c e t h es y s t e mt h a tt h i sp a p e rs t u d i e d - - t h em u l t i - f i m c t i o nh e a tp u m pw a t e rh e a t e rc o m b i n e dt h eh e a t p u m po fa i rc o n d i t i o n e r 谢l hw a t e rh e a t e rt o g e t h e rw e l l ，w h e nt h ee v a p o r a t o rw o r k e di n s i d e ，t h ei n d o o r t e m p e r a t u r ea n dh u m i d i t yc o u l d b ed e c r e a s e d s i m u l t a n e o u s l yt h es y s t e mc o u l dm a k eu s eo f t h eh e a to f t h e c o n d e n s e rt op r o d u c eh o tw a t e r i tm i g h ts e r v ea sw a t e rh e a t e ro f h e a tp u m pi ns p r i n ga n da u t u m nw h e na i r c o n d i t i o n e rw a sn o tn e e d e d b u ti ts t i l lc o u l db eu s e dt oh e a ta sh e a tp u m pi nw i n t e r , a n dc o u l ds u p p l yh o t w a t e rt h r o u g hs w i t c h i n g a st h ef o l l o w i n go f r e s e a r c hc o n t e n t si nt h i sp a p e r ： ( 1 ) as e to fm u l t i f u n c t i o nh e a tp u m pw a t e rh e a t e re x p e r i m e n t a le q u i p m e n th a db e e nd e s i g n e da n d b u i l tu p i tw a sam u l t i - f u n c t i o n a ls a m p l ed e v i c er e f i t t e db yac a b i n e t - t y p ea i rc o n d i t i o n e r , a n dc o u l db e u s e da sa i rc o n d i t i o n e r , h e a tp u m pa n dw a t e rh e a t e r i tc o u l do f f e rt h e h o tw a t e rw h i l ei tw a si nt h ec o o l i n g m o d e ，a n da l s o ，i tc o u l de m b o d yt h em u l t i - f u n c t i o n a lc h a r a c t e r i s t i c so f h e a tp u m pw a t e rh e a t e ri nw i n t e r ( 2 ) t h ep r i n c i p l ea n ds t r u c t u r eo ft h es y s t e mw e r es i m p l yi n t r o d u e o da n ds t u d i e d ；a l s om a t h e m a t i c m o d e l so ni n d o o re v a p o r a t o r ，o u t d o o rc o u d e n s e ra n dh e a te x c h a n g e rb yt h es i d eo fw a t e rh e a t e rw e r e e s t a b l i s h e d ；m o r e o v e r , n u m e r i c a ls i m u l a t i o na n da n a l y s i sw e r ec a r r i e do i l ( 3 ) t h es y s t e mp e r f o r m a n c eh a db e e ns t u d i e di nt h ec o n d i t i o no f d i f f e r e n ts t a t u s ，s u c ha s ，t h ec o o l i n g a n dw a t e rh e a t i n gi ns t m l m e r , w a t e rh e a t i n gi nt h eo t h e l s e a s o n s ，如r t h 铷l o r e ，t h ei n f l u e n c eo ft h e p a r a m e t e r s c h a n g eo nt h es y s t e mw a sa n a l y z e d a l lt h ew o r kp r o v i d e ds o m ee x p e r i m e n t a ld a t af o rt h e s i m i l a rd e s i g na n dm e n di nt h ef u t u r e ( 4 ) e c o n o m i c a lc o m p a r i s o nw i t ho t h e rw a t e rh e a t e rw a sc a r r i e do n ，t h er e s u l ts h o w e dt h a tt h i ss y s t e m o f w a t e r h e a t e ra r e m o r ee n e r g y - s a v i n ga n d e c o n o m i c a l k e y w o r d s ：h e a tp u m pw a t e r h e a t e r ；h e a tp u m p ；w a t e r h e a t e r ；e n e r g ys a v i n g i i 东南大学硕士学位论文 横断面积( m 2 ) m a r t i i n e l l i 数 比热容( k j k g ) 伽利略数 空间步长( m ) 努谢尔特数 时间步长( s ) 佛罗德数 温度( ) 普朗特数 压强( p a ) 雷诺数 焓( 1 0 k g ) 摩擦系数 比容( m 讥g ) 制冷剂干度 密度( k g m 3 ) 空隙系数 主要符号表 l i i 动力粘度( k g s m ) 导热系数 直径( m ) 熵值( k j k g k ) 汽化潜热( k j k g ) 第k 个时间 换热系数( w m 2 ) 制冷剂参数 第i 个空间 液体参数 蒸汽参数 换热管管壁的参 水的参数 压缩机的参数 蒸发器 冷凝器 过冷 饱和 u k d 。 ， k 。 ， ； l ， 一 一 唧 训 蹴 a ；耄 c 吼 出 r t 脚 p & h ， 。 。 p 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过 的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。 研究生签名：挝剁 日 期：趔堕丝 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 研究生签名：狲导师签名：。2 丝堕日期：盟 东南大学硕士学位论文 1 1 课题背景 第一章绪论 开发新能源、利用可再生能源、节约现有能源和提高能源的利用率已成为2 1 世纪人类发展的重 要课题之。热泵技术是开发和强化高质能源利用率的重要手段，是获取可再生能源及维护生态平衡 的有效途径之一。通过热泵“1 1 可以把热源中一般不能直接利用的低温热量提升温度后向生活和生产 提供有用的热量，这就给人们提供了一条节约矿物燃料、合理利用能源、减轻环境污染的途径，因此 热泵具有节能和环保的双重功效。 从1 8 5 2 年威廉汤姆逊提出热泵的设想，热泵已经经过了1 5 0 多年的发展，特别是二十世纪的 后五十年中，由于能源危机的影响，热泵得到了快速的发展，在工业和民用的各各领域都有广泛的 应用，热泵广泛的用于建筑物的供热，棉，纸张，农作物的较低温度下的干燥，工厂的工艺过程如 造纸厂，化工厂等的废热的回收利用。 在民用方面，热泵最主要的应用还是建筑物的供热。最近二十年年以来，很多的研究者注意到 热泵在提供家用热水方面有非常明显的优势，熟泵热水装置有很大的发展，特别是在美国和日本， 蒸汽压缩式热泵热水装置已经占有了一定的热水器的市场。在美国，热泵热水器自1 9 8 8 年问世以来 发展很快目前已占据了热水器很大的市场份额。 我国是一个常规能源并不富裕的国家，有着辽阔的采暖区域。随着社会生产的发展和人民生活水 平的提高，人们对舒适性的要求提高，空调广泛的使用，洗浴用的低温热水的使用也大大正加口1 】， 两者都消耗大量的商品味的电能和其他高品味的能源如煤气等，用于空调制冷，供热的能耗占能源 总用量的比例越来越大，费用也快速增加。因此节约能源，提高空调制冷，热泵设备，热水装置的 能源利用效率得到国家和民众的关注。 目前国内的热水器主要有：电热水器、燃气热水器以及太阳能热水器。大型的热泵热水装箕国 内最近两年有厂家模仿国外的产品开始生产，发展很快，但是家用装置还没有大规模的出现，但已 经有一些研究机构、大学开始了试验性的研究和开发。 热泵热水器比前三类热水器而言，可园地制宣地利用废热和自然能源，还有节约能源、运行费 用低廉、使用区域广泛等优点。而且我国地处冬冷夏热的地区很广，国内空调市场规模很大，采用 压缩式热泵热水器，可以非常明显地提高能源利用效率 g q 2 j ( 热泵的c o p 一般可以达到3 ) ；鉴于我 国开始推广电峰、谷电价的实施，热泵在低电价时生产热水的节能和节约费用的效果更为凸现：用 于替代燃气热水器可以减少高品位燃气的消耗，减少c 0 2 的排放，减少环境污染；可以和空调以及 广泛关注的太阳能的利用相结合，合理利用能源，迸一步提高用能效率。 另外，目前我国大多数家庭或商业使用的热泵空调装置，在夏季对实现制冷，冬季供热但是 在春秋过渡季节，机器闲置，没有被利用。而且在夏季使用时冷凝器中的热量排入环境，能量没有 被利用。这些都是对能量与设备投资的一种极大浪费。 综上所述，开发一种集空调一热泵一热水器于一体的多功能热泵空调热水器便成为社会与技术 发展的一种必然趋势。 第一章绪论 1 2国内外热泵空调热水器技术研究与发展综述 1 2 1 国外的研究与发展概况： 国外对热泵热水器的研究起步较早，其最早出现在2 0 世纪5 0 年代，7 0 年代能源危机之后，家用 热泵热水系统得到了较大发展，仅在美国就出现了三家生产热泵热水器的公司，形成一定的市场规 模。在另外一些国家，热泵热水器也得到了较好的发展，例如在南非，1 9 9 8 年的统计数字表明，热泵热 水器在商业热水器市场的销售份额达到1 6 左右1 ”。 图1 12 0 0 0 年南非商用建筑中不同类型热水装置所占的比例 近些年来，国外对热泵热水器的研究多集中在： 1 ) 新型制冷剂在热泵热水器中的应用研究 c o 。具有绝对的环保优势( g 肿= 1 ，o d p = o ) ，在传热、流动、压缩、单位容积制冷量以及价格 等方面具有显著优势；另外，c o ! 跨临界单级压缩热泵循环最适合于在冷却介质进口温度低，温 度提升大的情况下使用，这时节流损失相对较小，同时温度匹配很好，能够充分发挥c o , 跨临界 热泵循环的优势，这种场合的最好应用就是热泵热水器。 p e t t e rn e k s a 、h a v a r dr e k s t a d 等人提出了c 如跨临界循环空气源热泵热水器1 1 q ，实验表 明：蒸发温度0 的条件下。自来水温度由9 加热到6 0 。系统c o p 值可达4 3 ，全年运行平 均供热c o p 值可以达到4 0 ，与传统电加热或燃煤系统比较，可节省一次能源7 5 ，而且最高供 水温度可达9 0 。 2 ) 以太阳能作为辅助热源的热泵热水器的理论及试验研究 国外对太阳能辅助热泵热水器的研究开展得比较早，并有商业化产品出售。太阳能辅助热 泵热水器一般有三种系统组织形式：分体双循环式、分体单循环式、集成式。 分体双循环式包含两个循环，即制冷剂循环和水循环。这种组织形式系统复杂，安装不便， 成本高，因而难以商业化推广。分体单循环式只有制冷剂循环，蒸发器与太阳能集热器集成， 而冷凝器则为蓄水箱中的浸没式散热器。这种组织形式相对简单，而且效率高，已有产品出售， 但需要安装现场灌注制冷剂，因而安装比较不便。h a w l a d e r 等人提出的太阳能辅助热泵热水系 统i l “，对于新加坡的气候条件，当水箱水温为3 0 5 0 时，集热器效率为4 0 一7 0 ，系统c o p 值为4 9 ，经济分析表明投资回收期约为2 年。 集成型太阳能辅助热泵热水器将集热器蒸发器、压缩机、冷凝器、蓄水箱等部件集中组合 2 东南大学硕士学位论文 成一个紧凑的整体。系统结构紧凑，外型尺寸小，无循环水泵等附加功耗，所有部件在工厂一 次性组装集成，安装方便灵活。在阴雨天气则以空气源热泵模式运行，因而能全天候供应热水， 而且性能平稳，但受结构和采光面积的局限，系统c o p 值较分体式系统低。 b jl l u a n g 和j pc h y n g 等人在集成型太阳能辅助热泵热水器方面做了大量的理论与实验研 究，其研究 g , 9 1 表明：根据台湾省的气象条件，太阳辐射强度达到最高值5 5 8 1 ，9 k j m 2 d 时，环 境温度3 0 7 ，水箱水温变化3 8 6 5 2 ，系统平均c o p 值为2 5 4 ；辐射强度中等值1 2 8 5 5 k j m 2 d 时，环境温度3 1 3 ，水箱水温变化2 4 6 3 5 1 ，系统平均c o p 值为3 8 3 。 图1 - 2b jh u a n g 和j pc h y n g 等人研究的太阳能辅助热泵的完整模型示意图 3 )特殊形式热泵热水器的研究 h a s e g a w a 等人提出了两级复叠压缩式热泵热水系统1 1 q ，对于6 5 。c 的供水温度，系统c o p 值 为3 7 3 。 热电热泵热水器在近室温条件下，现有热电制冷系统的制冷效率不够理想，但是，作为热 泵技术用作加热用途时，相对于直接电能加热的技术，仍不失为一种节能途径；而且，热电热 泵无工质运行，无转动部件，结构简单，便于精确控制，因而独具安全、环保方面的优势。 k h e d a r i 等人提出了热电空调热水器一体化系统【17 。，结合利用太阳能和空调制冷排热，可 在2 小时内将1 2 0 升自来水升温到接近5 0 ( 2 ，系统c o p 平均值为3 1 2 。 4 ) 热泵热水器可接受性的综合研究 p gr o u s s e a u 提出的一种改进系统综合方法论l l ，其对热泵热水器的经济性进行了深入的 探讨：另外m cc l a r k 和s g i r 则对热泵热水器、电热水器及燃气热水器在经济性、环保性等 方面进行了广泛的比较i 】“。 1 2 2 国内的研究概况： 相对来说，国内在这方面的研究不多，但也取得了一定的成果。 中国科技大学季杰等研制出的空调一热水器一体机1 1 9 1 并对其在制冷兼制热水模式下的性能进 行数值模拟和实验研究，系统能效比的平均值为3 5 。华中科技大学吴小平等也建立了家用热泵热水 装置的实验平台“，并对热泵供热水装置进行了连续运行实验，得到了稳定负荷下一昼夜的温度曲 线。还有天津大学的余乐渊等也做了大量的实验研究。 中科院广州能源所在国内率先开发成功了高温地源热泵，最高输出温度达到7 5 ( 2 ，该系统除提 第一章绪论 供冬季采暖、夏季制冷外，全年每天可提供6 0 的热水8 0 t 。利用该技术制取热水水可比常规方法 节能8 0 以上“i 。 上海交通大学与青岛建筑工程学院的旷玉辉、王如竹等建立了太阳能热泵供热系统实验台及实 验台测试系统”“，实验表明，在整个供暖测试期内，室外平均温度为1 5 6 ，平均太阳辐射强度为3 2 7 8 w m 2 , 热泵机组平均供热系数为2 5 5 ，整个系统平均供热系数为2 1 9 。 哈尔滨商业大学土木与制冷工程学院的李晓燕与闰泽生则在热泵热水系统中对新混合工质r 4 1 7a 进行了理论制冷循环分析和灌注式替代r 2 2 的循环性能对比试验研究结果表明混合工质r 4 1 7a 的制热量稍低于r 2 2 ，但性能系数cop 、压缩机排气温度和功耗等循环性熊指标均优于r 2 2 1 2 3 1 。 1 3 本论文的基本任务 基于该领域目前的研究现状可以看出，目前熟泵空调热水器系统的实验研究仍然处于研究的初 级阶段，研究的内容还不够丰富，研究对象的功能相对比较单一。而本文研究的对象多功能热 泵空调热水器则是将空调与热泵热水器有机的结合在一起，可实现制冷、采暖、胡取热水等多种功 能，而且系统还留有接口，为将来进一步与太阳能集热器的联合循环研究提供了基础平台。 本文主要面向解决以下的问题： 1 目前对整体系统的工作循环和优化设计方面还没有很大的突破，特别是缺少实验对模型的验 证，无法为系统的优化设计提供可靠的理论保障，本论文将建立的整体模型结合实验加以验证； 2 目前对热泵空调器和热泵热水器两个独立的系统研究很多，但是把两者放在一个独立的热泵 空调热水器系统中研究还比较少，对实现两种功能的核心部件的匹配、联合运行特性研究就更少丁。 本文也将在此方面加以适当的探讨： 3 由于热泵空调熟水器是集制冷、采暖和供应热水于一身，所以在不同季节，不同环境条件对 整个系统的影响状况也是本文涉及的一项重要内容； 4 热泵空调热水器系统作为一种可以用于商用的设备，那么对此系统的运行调节这方面的内容 也是必须加以研究，特别是出水状态点、蒸发温度点调节等等都会影响到系统的稳定性运行，那么 对在满足系统要求的同时，系统的运行参数如压缩机吸排气压力、温度，制取热水流量、换热性能 等方面的内容也将加以探讨。 4 东南大学硕士学位论文 第二章多功能热泵空调热水器原理及实验系统 本文研究的对象多功能热泵空调热水器是将空调与热水器有机的结合在一起，其在夏季时 通过室内蒸发器实现对室内空气的降温、降湿的同时，利用冷凝器中的热量生产热水。在不需使用 空调的春秋季节则可以作为热泵热水器使用。而在冬季其仍作为热泵空调器实现供暖的目的，并能 够通过切换实现供应热水的目的。 2 1 系统组成及原理 多功能热泵空调热水器功能实现的方法是在系统中设置两个冷凝器，一个为普通的空冷冷凝器 来实现普通的热泵空调器的制冷、制热的功能，另加入一个水冷冷凝器，在需要热水的场台将制冷 剂切换到水冷冷凝器中冷凝。实现同时制冷与制热水的目的和单独作为热泵热水器的目的。 2 1 1 热泵侧装置甄理： 1 压缩机，2 四通阀，3 室内翅片管换热器，4 室外翅片管换热器，5 套管冷凝器 6 、7 节流毛细管，8 、9 、1 0 、i 1 、1 2 电磁阀，1 3 单向阀。 图2 1 多功能热泵空调热水器热泵侧原理图 该装置有如下几种工作模式： ( 1 ) 夏季普通制冷模式：此时电磁阀8 、1 1 、】2 关闭，电磁阀9 、1 0 开启。制冷剂经压缩机l 排 气管，四通阎2 ，电磁阀9 进入室外翅片管换热器4 冷凝，通过电磁阀1 0 ，经过节流毛细管6 ，进入 室内翅片管换热器3 蒸发，通过四通阀2 ，压缩机的吸气管，进入压缩机l ，完成一个制冷循环。 ( 2 ) 冬季普通热泵制热模式：此时电磁阀8 、l l 、1 2 关闭，电磁阀9 、1 0 开肩。制冷剂经过压缩 机1 排气管，四通阀2 ，进入室内翅片管换热器3 冷凝，经过节流毛细管6 节流后，过电磁阀l o ，进 入室外翅片管换热器4 蒸发，经由电磁阀9 ，通过四通阀2 ，压缩机的吸气管，进入压缩机1 ，由此 完成一个热泵循环。 ( 3 ) 夏季制冷、制热水模式：此时电磁阀9 、1 0 、1 2 关闭，电磁阀8 、1 l 开启。制冷荆经压缩机 1 排气管，四通阀2 ，电磁阀8 进入套管冷凝器5 ，在其中冷凝后经由电磁阀1 l ，通过节流毛细管6 节流后，进入室内翅片管换热器3 蒸发，冷却室内空气，通过四通阀2 ，压缩机1 的吸气管，进入 压缩机1 ，完成一个循环。 第二章多功能热泵空调热水器原理与试验研究 ( 4 ) 制热水模式：此时电磁阀9 、“关闭，电磁阀8 、1 0 、1 2 开启。制冷剂经压缩机1 的排气管， 四通润2 ，电磁阀8 进入套管冷凝器5 ，在其中冷凝后经由毛细管7 ，单向阀1 3 ，电磁阀1 0 ，进入 室外翅片管换热器4 蒸发从大气环境中吸取热量，然后制冷齐经电磁阀1 2 ，四通阀2 ，压缩机1 的吸 气管，进入压缩机1 ，完成一个循环。 2 1 2 水侧装置原理： 本文研究的多功能热泵空调热水器水冷侧采用的是套管换热器( 不同于一些热泵热水器采用的 沉浸式换热器) ，纯逆流换热，换热系数很大，而且系统内的压缩机、换热器都是根据空调要求设计 的，冷凝热量比较大。 因此本文涉及的熟泵空调热水器水侧就有两种可以达到制取要求热水的循环方式： 1 ) 通过适当调整流经套管换热器的水流量，实现直接由自来水进水温度升温至要求热水出水 温度的循环方式； 2 ) 通过循环水泵将水箱中的水打入换热器中进行循环，实现逐步升温直至达到最终要求温度 的循环方式： 1 1 套管冷凝器，2 保温水箱，3 循环水泵，4 、5 、6 、7 旋拧阀。 图2 2 多功能热泵空调热水器水路系统原理图 2 2 试验装置及测试系统 试验平台是按照原理图2 一l 与图2 2 进行的，具体装置及布置形式如下： 6 东南大学硕士学位论文 自 温度测点压缩机功率测点( b 压力测点质量流量测点 图2 3 多功能热泵空调热水器测试系统图 2 2 1 热泵与水循环系统设备： 设备名称规格型式 压缩机 l go j 2 9 2 p t 2 4 全封闭转子式压缩机 蒸发器 a u xk f r 一4 5 w 铜管铝翅片 风冷冷凝器a u xk f r 一4 5 l i i i 铜管铝翅片 水冷冷凝器铜套管换热器( 发泡保温) 节流机构毛细管膨胀阀 室外风机轴流式风机 室内风机离心式风机 制冷剂 r 2 2 水泵1 2 w g 一8 管道增压泵 水箱 6 0 升保温水箱 7 东南大学硕士学位论文 多功能热泵空调热水器实验平台室外侧部分照片 多功能热泵空调热水器实验平台室内侧部分照片 8 东南大学硕士学位论文 2 2 2 测量系统设备： 多功能热泵空调热水器实验平台水侧装置照片 设备名称规格型式 数据采集仪 h g il e n t3 4 9 7 0 a 测温装置 k 型热电偶 测匿装置m p m 4 8 0 压阻式压力变送器 功率测量 y d d p 1 有功功率变送器 流量测量 l z b 一2 5 玻璃转子流量计 采集软件 h g il e n tb e n c h li n kd a t al o g g e r h g i1 e n t3 4 9 7 0 a 多功能数据采集仪 9 y i ) d p 1 有功功率变送器 东南大学硕士学位论文 m p m 4 8 0 压阻式压力变送器l z 8 2 5 玻璃转子流量计 a g i l e n tb e n c h l i n kd a t al o g g e r 采集软件界面 o 东南大学硕士学位论文 第三章多功能热泵空调热水器的实验研究 本文利用2 ，2 图2 3 所示的试验装置，对此台特定结构的多功能热泵空调热水器在夏季制冷、 制热水工况，春秋冬季制热水工况等状况下的性能进行了试验研究，主要讨论了：( 1 ) 在夏季制冷、 制热水工况下的室内空气源温度变化对出水温度、系统制热水能效比的影响情况以及出水温度对系 统制热水能效比、压缩机吸排气压力的影响情况。( 2 ) 在春秋冬季制热水工况下的出水温度对系统 制热水能效比、压缩机吸排气压力的影响情况以及在通过水泵将水箱内的水逐渐加热升温过程中的 温度、制热水能效比、压缩机吸排气压力的变化情况。 另外由于系统制热量q - 及热水换热能效比e e r w 实验系统不能自动测试，其数值按下式计算： q = m c a t e e r ，= 式中，m 为热水的质量流量；c 为水的比热容；n 为输入功率。 3 1 在夏季制冷、制热水工况下的性能实验结果及分析 3 1 1 室内空气源温度对系统的影响 在此试验过程中保持流经套管换热器的水流量在4l m i n 不变，自来水进水温度为2 8 8 。c 。实 验结果如图3 1 、图3 2 所示。 p 越 赠 疆 室内温度。c 图3 1 热水出水温度随空气源温度变化曲线 图3 一l 表示了室内空气源温度变化对出水温度的变化情况，出水温度随着空气源温度的升高商 升高，空气源温度在2 8 5 3 2 之间变化时，出水温度相应地在4 9 2 5 2 5 c 的范围内变化，特别 是当室内温度在2 9 5 3 1 c 之间变化时，对出口水温的影响最大。但整体实验数据表明，经过套管 换热器之后水温平均上升2 2 5 ，并能够达到日常用水的温度要求。 东南大学硕上学位论文 本组实验数据较好的反映了热泵热水器出水温度( 即制热量) 与室内蒸发器蒸发温度之间的耦 合关系，其变化规律与理论变化规律基本一致，即系统制热量随蒸发温度的上升而提高。至丁宝内 温度在2 9 5 3 1 之间变化时，出l 1 水温变化较快的原因，则是由于在此温度条件下，蒸发器出口 制冷剂刚刚过热，而随着温度的继续提高，过热区不断增长，系统的制热景增加趋势则逐渐变缓。 室内温度。c 图3 2e e l h v 随空气源温度变化曲线 5 图3 2 反映了室内空气源温度变化之后对系统的制热水能效比的影响情况，实验数据表明系统 的制热水能效比一般都在3 2 5 以上。最大可达到3 6 ，平均在3 4 5 左右。室内空气源温度在2 95 3 0 5 之间变化时，对系统的能效比影响摄大，随着室内热源温度的升高，系统制热水能效比显著 增加。 本组实验数据与上面图3 1 数据相对应，反映出随着蒸发温度的上升，系统的制热量逐渐上升， 但由于冷凝温度( 即冷凝压力) 也随之上升，压缩机的功率变化不大，所以系统e e r , 随空气源温度 变化趋势与热水出水温度随空气源温度变化趋势基本一致。 3 1 2 热水出水温度对系统的影响 在试验过程中保持室内温度为2 8 1 ，自来水进水温度2 8 8 4 c 。实验过程是通过改变自来水 的流量来调节出水温度从而分析其对系统性能的影响，其中自来水流量在2 5l m i n 的范围内变化。 实验结果如图3 3 、图3 4 所示。 出水温度 图3 3e e 随热水出水温度变化 1 2 叱山 东南大学硕十学位论文 图3 3 反映了制热水能效比随着出水温度变化的响应情况，从图中可以看出，随着出水温度的 升高制热水能效比几乎是直线卜降，当出水温度升高到5 5 。c 以上时制热水能效比已降到3 0 以r 。 这是由于为保证出水温度的不断提升，流经冷凝换热器的水流量就要不断减少，同时冷凝温度 ( 即冷凝压力) 也会逐渐的提高，而在蒸发压力基本不变的情况f ，压缩机的压比增大，输气系数 减小，系统单位容积制冷量吼降低，比容积功w o 。增加，根据公式 e e r ，：里_ ! 叠，可以看出e e r 。会直线下降。 h 饥 基 芒 r 出 4 64 b5 05 25 4坼 出水温度 图3 4 压缩机吸排气压力隧热水出水温度变化 图3 4 反映了出水温度变化对压缩机吸排气压力的影响情况，室内温度相对比较恒定，吸气压 力变化比较小，平均在7b a r 左右，而排气压力的变化相对比较大，变化范围在2 0 2 3b a r 之间。但 随着出水温度的升高，压缩机的压比是不断提高的，这最终导致了压缩机的功率不断升高。 3 2 在春秋冬季制热水工况下的性能实验结果及分析 3 2 1 热水出水温度对系统的影响 在试验过程中环境温度保持在1 1 1 ，自来水进水温度l o 7 。实验过程是通过改变自来水 的流量来调节出水温度从而分析其对系统性能的影响，其中自来水流量在1 2l m i n 的范围内变化。 实验结果如图3 5 、图3 6 所示。 图3 5 反映了制热水能效比随着出水温度变化的响应情况，从图中可以看出，和夏季情况一样， 随着出水温度的升高制热水能效比几乎是直线下降，当出水温度升高到5 0 以上时制热水能效比已 降到2 0 以下，但接近6 0 时仍可达到1 5 左右。 同时由于冬季的蒸发温度比夏季要低，所以压缩机在制取相同出水温度的热水时，冬季要比夏 季耗功增加不少。 东南大学硕士学位论文 2 6 2 4 2 2 壶2 0 出 18 16 1 4 4 04 55 05 5 出水温度 图3 - - 5e e k w 随热永出水温度变化 6 0 图3 6 反映了出水温度变化对压缩机吸排气压力的影响情况，环境温度相对比较恒定，吸气压 力变化比较小，平均在6 b a r 左右，而排气压力的变化相对比较大，变化范围在1 5 2 5 b a r 之间。 对比夏季工况，在此工况下，由于蒸发温度的降低，吸气压力有所降低，而排气压力( 即冷凝 压力) 的变化则基本一致。因此压缩机的压比上升，这是导致冬季热泵热水器效率较低的主要原因。 2 6 2 鼻 2 2 2 0 盘1 8 罩1 墨 奁，。 12 1o 0 8 n 6 4 , 0 4 55 0 弱 出水温度 圈3 6 压缩机吸排气压力随热水出水温度变化 3 2 2 将水箱内的水逐渐加热升温过程中系统变化情况 在试验过程中环境温度保持在1 2 。c 左右，水箱内有6 0 l 水，循环水泵流量调整到3 5 l m i n 。实 验过程是记录随着时间的延长系统各性能参数的变化情况。实验结果如图3 7 、圈3 8 、图3 9 所示。 1 4 东南大学硕士学位论文 p 世 瑁 时间 图3 7 换热器进、啦水温度醢时间变化曲线 图3 7 表示了随着时间变化套管换热器进出水温度的变化情况，进出水温度随着时问的延长而 逐渐升高，而进出水之间的温差则逐渐减小。实验数据表明，经过近5 5 分钟循环后，水箱内6 0 l 水 的水温上升到5 0 c 以上，完全达到了日常用水的温度要求。 在这个水箱热水逐渐升温的过程中，冷凝温度是逐渐上升的，如前所述，随着冷凝温度( 即冷 凝压力) 的提高，而在蒸发压力基本不变的情况下，压缩机的压比增大，输气系数 减小，系统单 位容s q s f j 冷量q 。降低，因此系统的制热量到一定程度后会逐渐降低，这是导致进出水之间的温差逐 渐减小的主要原因。 a 0 z 8 2 6 2 4 2 2 壶2 0 出18 1 扁 14 12 10 6 2 01 3 01 9 4 02 6 2 03 3 03 f f 4 04 啷5 3 o 时间 图3 8e e r w 随时间变化曲线 图3 - - 8 表示了随着时间变化系统制热水能效比的变化情况，制热水能效比随着时间的延长而逐 渐降低，开始时系统制热水能效比还接近2 8 ，当接近终了时系统制热水能效比降低到了接近】1 的 水平。 这是主要是由于随着时问的延长冷凝温度的不断升高。如前所述，压缩机的功耗不断增加，而 同时流经套管换热器的进出水之间的温差义逐渐减小( 即系统制热量降低) ，两方面的作用叠加最终 导致了系统制热水能效比的不断降低。 1 5 东南大学硕士学位论文 2 6 2 4 2 2 z 0 18 量1 6 蕞” 幽 12 0 0 8 0 6 2 6 2 0 3 3 0对4 04 9 2 0 5 3 o 时问 图3 9 压缩机吸排气压力随时间变化曲线 图3 9 反映了随着时间变化对压缩机吸排气压力的影响情况。由于环境温度相对比较恒定，吸 气压力变化比较小，平均在6b a r 左右，而排气压力由于冷凝温度的不断攀升导致其不断的升高，由 最初的1 8 b a r 左右上升到最终的2 5 b a r 左右。这组的测试结果与前面“压缩机吸排气压力随热水出水 温度变化”的规律是基本一致的。 1 6 东南大学硕士学位论文 第四章热力参数和物性参数的程序化 制冷系统的仿真和优化都离不开制冷剂和空气等的物性参数，而这些物性参数都不能靠查表的 方法米获得，所以物性参数和热力参数的程序化是制冷系统仿真的前提条件。然而，要做到物性参 数和热力参数的方程既精确又简便却不是一件容易的工作。 多年来，国内外有很多科技t 作者致力于这方面的研究工作，建立的方程各异，但一个菇同的 目标就是高精度和商效率。早在1 9 4 0 年提出的b w r 方程( b e n e d i c t - w e b b r u b i n ) 是比较成功的通 用状态方程，1 9 4 9 年r e d l i c h k w o n g 提出的r k 方程是最成功的二常数状态方程之一，1 9 7 2 年s o a v e 修正后的r k s 方程，1 9 7 6 年的p r 方程( p c n g r o b i n s o n ) ，以及1 9 8 1 年j j m a r t i n 和我国的候虞钧 教授共同开发的比较著名的m h 2 4 方程；还有c h a n 和h a s e d e n 开发的方程m 。”，具有极高的精度， 但运算效率不高，占用计算机资源。在大多数制冷设计和仿真模拟中并不需要用到c h a n 和h a s e d 计算出的所有的性质参数，而只需要使用其中一部分经常使用的性质。 目前，对于常用制冷剂。通过试验研究已经积累了较为丰富的热物性数据，在这些数据的基础 上，已经开发了一批比较精确的气相区状态方程、饱和蒸汽压方程、饱和液体密度方程和理想气体 状态下的定压比热容方程。制冷剂的物性参数和热力参数可根据一般热力学关系式用上述四个基本 方程计算。对于一些尚且缺乏文献资料的参数，可根据沈志光撰写的制冷工质热物理性质表和图口m 采用最小二乘曲线拟和、切比雪夫( c h e b y s h e v ) 曲线以及最小二乘曲面拟和的方法得到。 4 1 制冷剂参数程序化( r 2 2 ) 4 1 1 制冷剂的热力性质 由于目前大多数的多联空调大多都还是采用r 2 2 最为制冷剂，所以本文也采用r 2 2 作为研究对 象。经过比较各种方程和针对本文的实际需求，本文选择a c c l d a n d 2 9 编写的快速方程求解制冷剂 参数，节省计算时间。 a c c l e l a n d 编写的算法中r 2 2 制冷剂热力性质参数的总适用范围如下： 最小饱和温度：一6 0 ； 最人饱和温度：6 0 ； 最大蒸汽过热度：6 0 ； 1 ) 饱和状态压力温度： 已知饱和温度求饱和压力只。， 匕= e x p n l + d 2 ( v ，o ，+ ) 】p a ( 4 - 1 ) 已知饱和压力求饱和温度7 二 7 羔，= 。：o n ( 匕，) 一a 。】一口， 与c h a r t 和h a s e l d e n 方程比较( 由于c h a r t 和h a s e l d e n 开发的方程计算精度较高 剂的真实性质，快速方程计算结果误差是以此作为基础得出的，) 误差不超过0 4 1 4 0 。c 的范围内，误差小于0 2 1 。 】7 f 4 - - 2 ) 反映了制冷 在- - 4 0 到 东南大学硕士学位论文 2 ) 液体焓值( 已知饱和温度和过冷度) h h l = n 4 + 5 砭+ n 6 巧+ 口7 e j k g 式中：正一液体温度，。 3 ) 饱和蒸汽焓值h 。 h j l = 口8 + d 9 7 二+ 口1 0 瑶f + a 1 1 咒f h ，= h i l + a 1 2 1 k g 式中：瓦，一饱和温度，。 4 ) 过热蒸汽焓值h 3 ( 4 3 ) ( 4 4 ) f 4 5 1 ”h i + a 1 7 ( , 3 a 搬t + a i 冉, ( a t , ) 2 + a l s ( a t , x t , a t 卜池y ) )酬“l 蝎，( 瓦地。) 2m 。) 2 ) ：j 一 h ，= h ，2 + a 】2 j k g c = 正一乇， 式中： r a 一饱和温度， i 一过热蒸汽温度， r 过热度， 5 ) 饱和蒸汽比容v 。 f 4 7 ) ( 4 8 ) v ，= e x p ( a 。，+ 口：。i ( r , o ，+ 2 7 3 15 ) x 口：，+ 4 ：2 乙，+ 口：，咒，+ 口：。z 三) m 3 k g ( 4 - - 9 ) 式中：瓦，一饱和温度， 6 ) 过热蒸汽比容v ， ，骸+ a 2 8 粼拦盼( a r ：怕x l 2 0 磐箍a 2t2 卜傀c 。训，5 ”l( t ) 2 伍。)