（热能工程专业论文）中水源热泵系统的建模与仿真研究.pdf

华北电力大学硕士学位论文 摘要 污水( 包含原生污水、二级水、中水) 源热泵作为一种新型的制冷供暖方式，在 节能环保方面都有巨大的发展前景。但由于污水水质的特殊性，影响了热泵的换热 效果，使其在应用中受到了一定的限制。因此，本文拟展开中水源热泵系统的建模 与仿真研究，以期得到中水源热泵系统的静态性能和动态性能，为系统优化设计、 运行提供理论基础。运用制冷系统热动力学理论，建立了中水源热泵系统动态集总 参数模型，并结合神经元p i d 控制法，利用仿真软件m a t i a b s i m u l i n k 建立计算 机仿真模型进行了冬( 夏) 季运行工况仿真。研究表明：热泵神经元p i d 控制系统仿 真模型，具有良好的稳定运行和变工况调控特性，同时中水回用与热泵技术的结合 还可实现经济效益和环境效益的统一。 关键词：中水源热泵，动态仿真，神经元p i d a b 江r a ( ? r a san e wt y p eo fc o o l i n ga n dh e a t i n gm e t h o d ，s e w a g e ( i n c l u d eu n t r e a t e ds e w a g e ， s e c o n d a r ye f f l u e n t ，a n dr e c l a i m e dw a t e r ) s o u r c eh e a tp u m p st a k ej u d g ed e v e l o p m e n t f o r e g r o u n do ne n e r g yc o n v e r s a t i o na n de n v i r o n m e n tp r o t e c t i o n b u td u et ot h es e w a g e q u a l i t y ，t h ee f f e c t i v e n e s so ft h eh e a tt r a n s f e ro fh e a tp u m pi sa f f e c t e d ，s oa st oc a u s et h e a p p l i c a t i o no fs y s t e mt oh a v eg r e a tl i m i t f o rt h i sp u r p o s e ，s i m u l a t i o no fr e c l a i m e dw a t e r s o u r c eh e a tp u m pi sc a r r i e do u ti nt h i sp a p e r , i nt h eh o p eo fg e t t i n gs t a t i ca n dd y n a m i c c h a r a c t e r i s t i c so fr e c l a i m e dw a t e rs o u r c eh e a tp u m p ，w h i c hp r o v i d e st h et h e o r e t i cb a s e f o ro p t i m i z i n ga n do p e r a t i n gt h es y s t e m t h ed y n a m i cm a t h e m a t i c a lm o d e lo fr e c l a i m e d w a t e rs o u r c eh e a tp u m ph a sb e e nd e v e l o p e db ym e a n so fl u m p e d p a r a m e t e r sa c c o r d i n g t ot h et h e r m o d y n a m i c st h e o r yo ft h er e f r i g e r a t i o ns y s t e mc o m b i n e dw i t hn e u r o np i d c o n t r o l l e ra n dt r a n s l a t e d i n t o t h e c y b e r s i m u l a t i o n m o d e lw i t hm a t l a b s i m u l i n k s o f t w a r e ，t os i m u l a t et h eo p e r a t i o np e r f o r m a n c eo ft h es y s t e ma r ec o n d u c t e di nw i n t e r a n ds u m m e rr e s p e c t i v e l y t h es t u d yi n d i c a t e st h a th e a tp u m ps y s t e mc o m b i n e dw i t h n e u r o np i dc o n t r o l l e rh a sw e l lo p e r a t i n g s t a b i l i t ya n dr e g u l a t i n gc o n t r o lo fv a r i a b l e o p e r a t i n gc o n d i t i o n s t h er e c l a i m e dw a t e rr e u s ec o m b i n e dw i t hh e a tp u m pt e c h n o l o g y c a nf o c u so ne n v i r o n m e n ti m p r o v e m e n tw i t he c o n o m i cb e n e f i t s y a n gl i n g ( t h e r m a lp o w e re n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f y a n gy o n g p i n g k e yw o r d s ：r e c l a i m e dw a t e rs o u r c eh e a tp u m p ，d y n a m i cs i m u l a t i o n ，n e u r o np l d - i - 声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文中水源热泵系统的建模与仿真研 究，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工作和 取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包 含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教育 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。 学位论文作者签名 韶论 日期：趁醵缝 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或 其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校 可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同 媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：盘盗导师签名：盈鱼窒耋 日期：幽生塑日期： 华北电力大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 选题背景及研究的意义 近年来，利用可再生能源如水源、土壤源、太阳能作为热源，热汇的热泵系统在 国内得到了迅速的发展。其中，水源热泵以其可利用各种自然水源和人工水源、运 行效率较高、系统稳定可靠等优点而得到广泛的应用。以水源热泵为基础的中央空 调系统被认为是一种高效、节能、环保的产品，然而由于水源的制约，水源热泵的 推广受到了相当大的影响。 目前在全球面临能源危机和环境污染日趋严重的形势下，由于城市污水中赋存 的能源潜力巨大，因此，污水( 包含原生污水、二级水、中水) 源热泵作为一种新型 的制冷供暖方式，在节能环保方面都有巨大的发展前景i l h 4 1 但由于污水水质的特 殊性，使得污水在流经换热器的同时会产生严重的堵塞、结垢和腐蚀等现象【研，阻 碍了其发展。目前已应用的城市污水热能回收与利用系统中，大多是以二级出水作 为热源，热汇，但由于污水处理厂及污水泵站往往远离城市，比较适用于周边场所的 应用，经济效益和利用效率有所下降。 当前，城市污水的再生回用，正在成为开辟城市新水源，解决城市水资源不足 问题的一个重要途径，特别是水源热泵技术的日趋成熟和发展，为在实际工程中推 广和使用污水源热泵系统提供了可靠的技术保证。同时，随着国内中水设施建设和 管理的不断完善，对中水热能回收的研究和应用具有极其重要的意义。 通过热泵系统回收中水水源中的低位热能，既开发了一种清洁能源，同时又降 低了城市废热的排放，保护了环境。尽管水源热泵是一节能系统，但是其节能条件 和最佳工况的确定仍需要进一步研究，开展城市中水热能利用技术的研究，是一项 具有节能和环保意义的应用技术研究，这也为水源热泵系统在我国空调工程中的进 一步应用提供一些依据，以此来促进该系统的推广使用。 1 2 中水热能的回收利用 1 2 1 中水热能的特征 中水主要是指城市污水或生活污水经处理后达到一定的水质标准、可在一定范 围内重复使用的非饮用杂用水，其水质介于上水与下水之间，是水资源有效利用的 一种形式【6 1 。中水系统一般可分为三类：大型建筑物或建筑群中的建筑中水系统； 华北电力大学硕士学位论文 建筑小区或院校、机关大院内的区域中水系统：城市规划区内建立的城市中水系统。 中水回用广泛应用于企业生产和居民生活，适用于宾馆、饭店、居民小区、学 校、医院、工厂区域等单位的浇洒绿地、洒扫卫生、景观用水、消防补充水、冲车 用水等等。从热力学的角度看，中水原水经集流、水量调节及平衡、水处理等技术 措施再生成中水，其热能的品质较低，因此我们较少提倡对其热能的利用。 近几年，随着人民生活水平的日益提高，城市生活在空调和热水供应方面所消 耗的能源增加十分显著，通常是在5 6 0 c 左右这一低温区域，利用中水中赋存的 热能可以满足这部分能源需求，提高能源的综合利用率。 1 2 2 热泵技术及其应用 赋存在中水中的低位热能之所以能得到回收和利用，主要归功于热泵。由予能 够提供比驱动能源多的热能，热泵在节能与环保方面具有独特的优势，因此在空调 领域得到广泛应用i 刀。热泵工作的原理与制冷机相同，二者的差别主要是运行工况 的不同。目前在空调系统中应用的主要是蒸气压缩式热泵装置，而应用热泵的技术 经济性与低位热源热汇的关系最密切【引。根据热泵低位热源热汇的不同，热泵系统 主要可分为空气源热泵、水源热泵、土壤源热泵和太阳能热泵。 1 1 空气源热泵 空气作为低位热源，随处可取，可以无偿地获得，并且空气源热泵装置的安装 和使用也都比较方便。但当室外空气的温度降低时，空气源热泵供热量减少，而建 筑物的耗热量却在增加，这就造成空气源热泵供热量与建筑物耗热量之间的矛盾， 再加上空气侧换热器表面的结霜问题，将严重影响压缩机及四通阀的稳定运行。 2 、土壤源热泵 土壤同样是一种良好的低温热源，它像空气一样，处处皆有，丽其温度变化不 大，换热器基本不需要除霜，并有一定的蓄能做用。但土壤源热泵除初投资和施工 问题外，城市土地紧缺，地下埋管不足，土壤传热性能又差，可能造成夏季土壤热 量难以散失，损及持久运行；冬季土壤热量不易吸取与补充，土壤可能会形成冻结， 破坏地下结构，损及建筑基础。 3 1 太阳能热泵 太阳能是地球上一切能的主要来源，它是无穷无尽的的干净能源，但由于太阳 能是稀薄的能源，太阳辐射热量具有很大的不稳定性，受时间和地域的限制，因此 要在我国发展太阳能热泵空调系统，必须解决太阳能的问歇性和不可靠性问题i ”。 4 1 水源热泵 水源热泵是一种利用地球表面或浅层水源( 如地下水、河流和湖泊) ，或者是人 工再生水源( 3 2 , 1 k 废水、地热尾水等1 的既可供热又可制冷的高效节能空调系统，因 华北电力大学硕士学位论文 此水源热泵技术作为一种有益于环境保护和可持续发展的冷热源形式，已经得到了 广泛认可。但由于地下水资源的长期开采引发了一系列的问题，因此，寻求一种可 再生资源以满足热泵低位水源的需求是目前所要解决的首要问题。 利用热泵技术有效地回收和利用中水热能，具有明显的经济、节能和环保性， 符合能量的梯级利用和循环经济的要求，也提高了中水回用工程的经济效益，缓解 了水量不平衡的问题，对于中水工程的推广和发展十分有益。随着今后热泵技术的 不断发展，回收和利用中水热能的效率也必将会有进一步的提高，由此产生的经济 效益和社会效益将会更加明显。 1 2 3 中水源热泵系统及其特点 中水源热泵系统，就是以中水作为提取能量和储存能量的基本源体，通过水源 热泵来实现对建筑物的冬季供热、夏季制冷以及生活热水等多重需求的供热制冷系 统。 1 2 3 1 中水源热泵系统的工作原理 中水源热泵系统是由末端( 室内空气处理末端等) 系统、水源热泵主机和中水水 源系统三部分组成。以制热工况为例，系统原理如图1 - 1 所示。 固1 - i 中水源热泵空调系统原理图 1 ) 室内末端系统由用户侧水管系鍪，循环水泵，水过滤器，静电水处理仪，各 种末端空气处理设备，膨胀定压设备及相关阀门配件组成。 2 ) 水源热泵机组由压缩机、蒸发器、冷凝器、膨胀阀、各种制冷管道配件和电 器控制系统等组成。 ，3 1 中水水源系统由水源取水装置、取水泵、水处理设备、输水管网和阀门配件 华北电力大学硕士学位论文 等组成。 为用户供热时，中水源热泵系统从中水中提取低品位热能，通过电能驱动的水 源热泵主机“泵”送到高温热源，以满足用户供热需求。制冷时，中水源热泵系统 将用户室内的余热通过水源热泵主机转移到中水中去，以满足用户的制冷需求。 1 2 3 2 中水源热泵系统的形式 根据中水与热泵的热交换部分是否利用换热器的不同，中水源热泵系统可分为 直接利用方式和间接利用方式两种；从工况转换方式上看，中水源热泵系统又可分 为“四通换向阀”的换向来实现制冷制热工况的切换和通过阀门改变水流方向来实 现工况转换的水切换式。在实际工程中，具体方式的选择要由中水水量、水质以及 建筑物的形式、结构和功能来决定。 1 2 3 3 中水源热泵系统的特点 与水源热泵其它低位热源( 河水、海水、地下水等) 相比，中水源热泵系统还具 有如下特点： 1 ) 中水的水质较好，可以和热泵内工质直接进行热量交换，大幅度提高熟泵效 率和中水余温利用率。 2 ) 中水温度适宜稳定，且随季节变化幅度较小，冬暖夏凉，是水源热泵空调系 统较好的热源热汇。 3 ) 与未处理的原生污水相比，减少了自动筛滤器等设备，同时换热器的材质可 选用暖通空调换热器常用的锅，其设备费用大大降低 4 ) 采用中水回用和热能利用相结合的方式，污水处理的成本可以从中水使用费 和制冷供热费中部分或全部回收。 中水源热泵的应用可以为部分建筑物提供冬季供暖( 夏季制冷) ，同时该系统 也适用于公共浴室和游泳池，应用该系统既可以回收洗澡废水、游泳池水的热量来 加热浴室用水和游泳池池水，又可以为室内游泳馆提供空调供暖。 1 3 国内外研究现状 1 3 1 中水热能利用研究现状 受能源危机的影响，2 0 世纪7 0 年代以来，世界各国对热泵的研究工作十分重 视，并取得了显著进展，热泵技术也逐渐被广泛用于采暖空调、工业、农业和商业 领域。 中水回用技术在国外早已应用于实践，例如在美国、日本、以色列等国，大量 的中水被用于厕所冲洗、园林和农田灌溉、道路保洁、洗车、城市喷泉、冷却设备 华北电力大学硕士学位论文 补充用水等。日本以有较多的“中水道”供生活杂用而著称，早在2 0 世纪6 0 年代， 东京、名古屋、川崎、福冈等地即开始考虑将城市污水厂的出水经迸一步处理后回 用于工业、生活或生活杂用1 9 j 。 前苏联杨图夫斯基等人于1 9 7 8 年首次对河水、污水、海水的热能利用进行了 研究探讨i l 州，2 0 世纪年代初在瑞典、挪威等北欧国家建造的一些以工业污水为 低温热源的大型热泵站相继投入运行，日本东京的落合污水处理厂和汤岛污水泵站 也有应用【n l 。韩国一宾馆利用热泵从桑拿浴水、公共浴水和建筑杂排水中提取热量， 并利用低谷电( 2 2 ：0 0 8 ：0 0 ) 蓄热，除了周末及高峰期都能满足热水需求量，热泵年平 均性能系数为4 8 ，如果该方案设计中降低循环工质冷凝温度与蒸发温度之间的差 值，还可以满足整个建筑物的供热、制冷需求【1 2 1 。 国内城市中水回用的研究早在“六五”已开展，“八五”期间，分别开展了以 大连、太原、天津等为依托的工程性实验。2 0 0 0 年，以。十五”纲要为标志，中水 回用被正式写入文件，表明全国开始启动中水回用工程【1 3 1 目前，城市中现有的建 筑物、居民小区、学校等大都设有小型中水回用系统 我国城市污水源热泵技术的推广应用有较快的发展，目前北京市的污水处理厂 内已建成数个小型污水热泵项目，例如高碑店污水处理厂、酒仙桥污水处理厂等； 2 0 0 4 年初，一项利用污水作为能源供热制冷的工程由北京市住总市政工程有限责任 公司在密云污水处理厂水源热泵工程中得以实现。 根据奥林匹克公园区域规划，用清河污水处理厂和北小河污水处理厂进行处理 的“中水”( 冬季1 8 2 0 、夏季2 0 - - 2 5 1 2 ) 作为补给水注入国家森林公园的人工湖， 其管道已埋设至国家森林公园的人工湖，距奥运村仅一路之隔。因此，奥运村的热 泵空调系统，具有得天独厚的条件利用中水。距测算，该项目建成后采暖每年可替 代燃煤8 0 0 0 余吨，每年减少向大气排放一氧化碳( c 1 8 0 余吨、碳氢化合物( c n h m ) 3 6 吨、氮氧化物( n o x ) 3 0 吨、二氧化硫( s 0 2 ) 1 3 5 吨，粉尘8 0 余吨【1 4 l 。 文献 1 5 1 对城市污水热能回收的利用方式以及技术经济性指标进行了细阐述， 进一步说明污水资源化的利用对推动城市发展的重要性。对于大型公共建筑、宾馆 和新建高层住宅区，建筑中水更具有灵活、易于建设、勿需长距离输水、运行管理 方便等优点，是一种较有前途的污水直接再生利用方式。同时，中水回用和热泵相 结合，不仅可以实现污水资源化综合利用，同时还可以作为采暖空调清洁能源的补 充，减少化石燃料消耗和环境污染，实现经济效益和环境效益的统一。 1 4 2 热泵系统计算机仿真技术研究现状 自2 0 世纪6 0 年代开始，仿真技术开始在制冷、空调领域开始得到应用。经过 几十年的发展，这种技术在该领域内已经得到充分研究和广泛应用，对制冷空调系 华北电力大学硕士学位论文 统的运行特性研究、产品技术创新起到了非常重要的作用。 近年来，在已有的工程实例以及实验数据的基础上，模拟仿真技术在热泵的研 究中越来越重要，主要侧重于对系统的各个主要部件的性能研究，提出了许多有效 的建模方法。压缩机建模方法主要有动态法、稳态法、两结点法、神经网络和模糊 法，常用的是稳态建模法【1 6 】，而变频调节【1 7 1 的引入可以提高机组的性能、降低能耗。 热泵机组常用的节流机构有毛细管、热力膨胀阀和电子膨胀阀，文献 1 8 1 建立了毛 细管的分布参数模型，并与m e l o 提供的实验数据和关联模型进行了比较；对热力 膨胀阀一般建立稳态模型【1 9 1 ；对电子膨胀阀可采取结合模糊p i d 控制的动态模型 i 刎。冷凝器和蒸发器的模型较为复杂，一般分为稳态模型和动态模型，同时稳态模 型和动态模型又都可分为集总参数模型、分布参数模型和分区模型，目前常用的主 要是稳态分布参数模型【1 8 1 和分区集总参数模型【2 n ，特别是对板式换热器的研究也越 来越多吲叫2 3 l 。 对于整个热泵系统的仿真研究，主要有准稳态模型和动态模型，但更多的是关 心机组的瞬态响应【2 4 j 以及动态运行规律【瑚。目前m a t i a b s i m u l i a k 作为动态系统 仿真领域中最著名的仿真集成环境之一，在各领域得到广泛的应用，s i m u l i n k 与传 统的仿真软件包用微分方程和差分方程建模相比，具有更直观、方便、灵活的优点。 利用s i m u l i n k 中现有的神经网络工具箱、模糊逻辑工具箱还可以更好的分析空调系 统设计以及控制系统的仿真【2 6 l 一 z 8 l 。文献1 2 9 对热环系统开机动态和变工况动态过 程进行了计算机动态仿真研究和动态实验研究，文献【3 0 】【3 l l 采用外界扰量为连续 变化的动态仿真，以s i m u l i n k 为平台编制仿真程序，并结合模糊控制器针对冬季工 况进行了仿真模拟，文献 3 2 1 将神经元p i d 控制在热泵系统中的应用进行了研究。 1 4 课题研究的主要内容及方法 本文将从水源热泵的原理、设计及运行工况等方面作一些研究，为该系统在我 国的进一步应用提供一定的技术参考。针对国内大多数城市缺水的现状，重点对以 中水作为低位热源热汇的热泵系统进行分析研究，主要研究工作有以下几个方面： 1 本文首先以一个建筑面积为3 1 4 m 2 的实验室为对象，进行热泵系统的设计和 设备选型。以中水作为热泵热源，热汇，并选用制冷剂r 2 2 对热泵系统进行了热力计 算，利用m a t l a b 软件拟合出了所选用涡旋压缩机的输气系数和电效率与压缩比 之间的关系式，并对压缩机、膨胀阀、换热器分别进行设计选型及校核。 2 通过引入状态空间法计算围护结构的传热量，分析整个房间的热环境，利用 m a t i a b 编制了外墙热传递的计算程序，并建立了末端装置的模型。 3 在质量守恒、能量守恒定律的基础上，采用机理建模方法，分别建立了用户 华北电力大学硕士学位论文 末端、热泵机组各部件( 压缩机、膨胀阀、蒸发器和冷凝器) 和室外水源的数学模 型，并通过分析其内在关系，建立水源热泵系统的动态集总参数模型。 4 通过分析中水源热泵系统各个部分：用户末端一涡旋式热泵机组一室外水源 之间的相互关系，运用模块化建模方法，采用m a t l a b s i m u l i n k 搭建中水源热泵 系统仿真模型，分别建立各子系统的s i m u l i n k 模块，并将神经元p i d 控制法引入热 泵系统的控制中，开展中水源热泵控制系统的动态运行仿真。 5 为验证仿真模型的调控性，对中水源热泵系统冬季工况外扰突变的运行特性 进行分析，为系统的优化设计提供理论基础。 华北电力大学硕士学位论文 第二章热泵系统的设计计算 蒸气压缩式循环是目前应用最广泛的热泵循环方式之一，它主要由压缩机、冷 凝器、节流机构和蒸发器等组成，如图2 - 1 ( a ) 所示。在热泵系统的设计过程中，系 统的给定参数包括：夏季冷负荷与冷冻水供回水温度，冬季热负荷与热水供回水温 度。如果针对水源热泵系统而言，还包括水源的出水温度。独立设计参数包括：蒸 发温度乞、冷凝温度f c 、过冷度虬，与过热度a 0 以及水源的回水温度o ：。根据给 定参数和这五个独立参数，就可以计算出热泵机组的设计参数。 ( a ) 蒸气压缩式循环装置示意图( b 蒸气压缩式循环的t - s 图 图2 1 蒸气压缩式理论循环 对于全年运行的热泵系统来说存在着冬季工况和夏季工况，因此在选型计算时 应对两种工况分别进行计算，然后按照负荷较大的工况进行设计选型，本文针对冬 季供热工况和夏季制冷工况对机组的部件分别进行选型和匹配。 2 1 热泵热源热汇的选定 城市污水( 包含原生污水、二级水、中水) 具有冬暖夏凉的特点，适宜作为热泵 的低位热源热汇。中水工程所具有的水量调节及平衡能力和水质处理工艺，为应用 热泵进行热回收创造了良好的条件。 以某校中水回用工程设计方案为例，学校为了保护环境，树立学校美好形象， 美化校园环境，提出将学校教学楼、宿舍楼和食堂的生活污水处理回用，计划每天 回用中水8 0 0 t ，回用水用于绿化、冲厕、扫除等。2 0 0 5 年1 1 月1 日经北京市水环 境监测中心进行采样监测，检测环境：室温1 5 2 2 ，湿度3 5 6 5 ，检测结果 华北电力大学硕士学位论文 见表2 - 1 ，并且各监测参数符合表2 2 所示的北京市中水设施建设管理试行办法一 中水水质标准。采用中水作为热泵的热源热汇，可以为部分分建筑物提供冬季供 暖、夏季制冷以及生活热水的供应。 表2 - 1 学校中水检测报告 瀑 水温嗅和悬浮物c o d 口 b o d 5细菌总数 p r i 取样地点、融阕、 ( )昧 ( m g l )( m g l )( r a g l ) ( 个m i ) 1 0 ：0 01 8 o7 3 0强6 53 5 6 01 5 1 8 原水 1 1 1 3 ：0 01 8 37 2 8 强 7 73 7 3 71 9 6 6 生化月 1 0 ：0 0 1 8 97 7 4无1 14 8 31 1 5 水1 1 3 ：0 01 9 57 7 6无1 24 2 39 3 日 1 0 ：1 7 87 5 6无54 7 99 63 中水 1 3 ：0 01 7 57 7 4 无 1 03 9 - 58 5 3 表2 - 2 北京市中水水质标准 i 项目 p t x悬浮物( m g l )c o d ( m g l )b o d 5 ( r a g l ) 总大肠菌( 个l ) i 标准6 5 9 o1 05 01 03 2 2 热泵机组设计条件 2 2 1 设计参数的确定 该热泵系统为一间面积为3 1 4 m 2 的实验室冬季供热、夏季制冷，水源出水直接 与机组蒸发器或冷凝器换热，用户侧制冷与供热工况的选择通过水路切换实现。实 验室冷负荷指标取7 0 w m 2 ，热负荷指标取5 0 w m 2 ，则夏季冷负荷q ，= 2 2k w ，冬 季热负荷幺- - 1 6k w ，用户侧和水源侧进出i = 1 温差取5 c 3 3 】。 影响冷凝温度t 和蒸发温度t 的主要因素是制冷剂种类及供热制冷介质温度， 对于氟利昂制冷剂，般要求冷凝温度较冷凝器侧水源的出口温度高5 c 左右，蒸 发温度较蒸发器侧水源的出口温度低5 c 左右；为了降低制冷剂经过膨胀阀后的汽 化率，要求制冷剂在冷凝器内能够充分冷凝，过冷度& 。一般为2 3 。c ；为了防止 压缩机因吸入液体而发生液击，要求压缩机吸气有一定的过热度，过热度f 。一般 选为1 0 c p ”，但由于热泵工况温度高于制冷循环，故该过热度可以适当降低，在该 设计中取5 。则热泵机组的设计参数如表2 - 3 所示。 华北电力大学硕士学位论文 表2 3 热泵机组设计参数 末端供回水温度水源供回水温度冷凝温度蒸发温度过冷度过热度 项目 冬季4 5 4 01 6 ，1 l5 0 6 25 夏季 7 1 2 2 5 3 0 3 52 2 2 2 系统热力计算 从热力学角度出发，对热泵工质主要可从理论循环的制冷( 供热) 系数、蒸发压 力、冷凝压力、压比、单位容积制冷( 供热) 量和压缩机理论排气温度等特性来进行 评估。无论是在热泵还是制冷机中，氟利昂2 2 ( r 2 2 ) 都是应用最为广泛的一种工质， 其安全性较好，价格便宜，因此本文选用r 2 2 作为热泵循环工质，并进行热力计算。 图2 - 1 ( b ) 是理想蒸气压缩式热泵循环在z t 图上的表示，此图中热力过程线下亟 的面积为该过程所收受的热量，很直观，便于分析比较但由于定压过程的吸热量、 放热量以及绝热过程压缩机的耗功量都可用初、终状态的比焓计算，所以，进行制 冷( 供热) 循环的热力计算时，常采用压焓图，如图2 - 2 所示 i g p 图2 2 蒸气压缩式循环在压焓图上的表示 图2 2 中，1 2 为从蒸发器中出来的蒸气在压缩机中被可逆绝热压缩的过程；2 - 3 为过热蒸气在冷凝器中定压放热被冷凝至过冷液体的过程；3 - 4 为饱和液体在节流 阀中节流、降压、降温的过程，节流前后焓不变，h 3 - - h 4 ；4 - 1 为湿饱和蒸气在蒸发 器中定压吸热、汽化为过热气体的过程。其工质循环的各状态参数如表2 4 所示。 根据稳定流动能量方程式进行冬、夏季热力计算，如表2 5 、2 6 所示。 华北电力大学硕士学位论文 表2 - 4 工质循环的状态参数表 冬季夏季 项目 t p h svt p a5v k p a k j k gk j ( k g 、 d m 3 k g k l a k j k gk j ( k g 、d m 3 k g 1 66 0 2 24 0 7 51 7 43 9 1 525 3 0 84 0 6 11 7 54 4 2 7 11 16 0 2 24 1 1 21 7 64 0 2 27 5 3o 8 4 0 9 71 7 6 4 5 4 6 27 3 91 9 4 2 34 4 1 31 7 61 3 8 55 5 31 3 5 4 84 3 3 51 7 61 9 5 9 2 5 01 9 4 2 34 1 7 91 6 91 1 6 73 51 3 5 4 84 1 5 61 7 l1 7 2 7 34 81 9 4 2 32 6 0 51 2 00 9 1 43 31 2 8 7 82 4 0 61 1 40 8 6 466 0 2 22 6 0 51 2 2x = 0 2 725 3 0 82 4 0 51 1 5x = o 1 7 注：上表中t 为温度；p 为压力； 为焓值；，为熵值；v 为比容；善为干度。 表2 - 5 冬季热力计算表 项目单位计算公式计算结果 单位质量制热能力q k k j a g 吼一心一鸟 1 8 0 8 单位容积制热能力q v k j m 3 q v 一吼1 2 1 3 0 5 3 6 制冷剂的质量流量舰 k g sm r = 幺q h 0 0 8 8 5 蒸发器的冷负荷q k w q ，m 魄- h 。) 1 3 3 4 压缩机的理论耗功 t w 虬- 辨r 魄- h ，) 2 6 6 压缩机实际输气量形m e 一3 6 0 0 r a , h 1 0 0 0 1 2 8 压缩机理论输气量圪 m 3 h 圪一k 仇o 9 5 1 5 0 注：上表中q v 为压缩机的容积效率，涡旋压缩机取o 9 ；考虑其用于热泵机组，可加大5 捧 气量作为设计值【3 ”。 表2 6 夏季热力计算表 项目单位计算公式结果 单位质量制冷能力毋k k g吼= 一h 。 1 6 9 2 2 单位容积制冷能力吼 k j m 3 吼- 吼v , 3 7 2 2 3 9 制冷剂的质量流量g q r k g s m r q ，q , o 1 3 冷凝器的热负荷q k w q 一坼如- h ，) 2 5 1 压缩机的理论耗功心 k w 虬一坼魄- h ，) 3 0 9 压缩机实际输气量矿 m 3 h 矿一3 6 0 0 m , v x 1 0 0 0 2 1 2 8 压缩机理论输气量吃 m 3 h 圪一k n , o 9 5 2 4 8 8 华北电力大学硕士学位论文 2 3 热泵机组设计选型 2 3 1 压缩机的设计计算 近年来，涡旋式压缩机由于其效率高、噪声低、运转平衡而受到了人们的重视。 涡旋压缩机结构简单，不需要进排气阀组，在较大压力范围内可保持较高的容积效 率，而且，允许气态制冷剂中带有液体，故很适合小型热泵系统使用。 根据表2 6 按夏季制冷工况下的设计参数，选用b i t z e re s h 7 2 5 型涡旋压缩机， 冬夏季工况参数条件参照表2 3 ，则涡旋压缩机的设计参数如表2 7 所示。 本文根据比泽尔涡旋压缩机样本提供的数据可以拟合出涡旋压缩机的输气系 数和电效率与压缩比之间的关系式，根据该软件提供的工况数据，冷凝温度分别为 3 0 、4 0 、5 0 ，蒸发温度在1 0 1 0 c 范围内的制冷量和压缩机功耗，可计算 出压缩机相应的输气系数和电效率。 表2 - 7 涡旋压缩机参数袭 冷量 蒸发器输入冷凝器质量电流电压 捧气量p 型号工况容量 功率换热量流量 0 0 0 ) 范围 k w k wk w“rm 3 h k g h av 夏季2 4 82 4 84 9 52 9 - 32 55 0 05 2 6 9 8 2 e s h 7 2 53 8 0 4 2 0 冬季 2 4 12 4 16 9 l3 0 52 5 4 4 l5 7 31 2 1 4 2 3 1 1 输气系数 压缩机的输气系数是指压缩机的实际输气量k 与理论输气量之比，从样本的 已知工况数据拟合出关联的输气系数a 的表达式为： a _ - o 0 0 1 1 ( p j p t ) 3 + o o 1 0 5 ( g y 一0 0 5 3 9 吧) + 1 0 1 3 2 ( 2 1 ) 式中，、分别为机组蒸发压力、冷凝压力，k p a 。 图2 3 输气系数拟合曲线图2 - 4 电效率拟合曲线 较大，若分不同工况进行分别拟合，不适宜用于仿真的实现，因此在实际应用中可 在式( 2 - 1 ) 的基础上乘以一个修正系数。从图中可以看出，压缩机工作时其压比不能 ( 1 ) 理论功率心【3 3 l 管炉1 】 式中，七为工质的绝热指数( 对1 1 2 2 取为1 i s ) 。 ( 2 ) 电机输入功率： 虬。虬慨 ( 2 3 ) 式中，为电效率 ( 3 ) 电效率 本文根据样本上工况的性能数据拟合出关联的电效率表达式为： 锄- o 0 1 3 2 化) 3 一o 1 6 7 7 化) 2 + o 6 4 9 9 化只) 一0 0 9 2 4 ( 2 4 ) ( 2 - 5 ) 即可进一步计算出压缩机的排气焓_ i l ： 如- ，也，见) ( 2 6 ) 按照相同的方法- - f 以得到输气系数和电效率的计算关联式，这些公式虽然通用性 特定的压缩机预测精度高【2 1 1 。从而根据输气系数和电效率的回归关联式，就可以计 2 3 2 节流装置的设计计算 华北电力大学硕士学位论文 毛细管的调节性能比较差，它的供液量不能随工况的变化而调节，因此只适用于蒸 发温度变化范围不大、负荷比较稳定的小型机组。电子膨胀阀是近几年出现的一种 新型节流元件，它可以通过计算机来控制阀的开度，电子膨胀阀具有调节精度高、 调节范围大、节能的特点，但它对系统的控制要求较高，而且成本也较高。目前国 内生产的多数商用热泵机组，仍以热力膨胀阀为主。热力膨胀阀可根据蒸发器出口 处蒸汽过热度的大小，自动调节阀门的开启度，达到调节制冷剂流量的目的，使得 制冷剂的流量与蒸发器的负荷相匹配，这样既能充分利用蒸发器的传热面积，又能 防止压缩机产生“液击”嘲。 热力膨胀阀选用外平衡式，装在蒸发器的入口，自动调整阀孔开启度，调整进 入蒸发器的制冷剂流量，使蒸发器出口过热度稳定在一定范围内。 热力膨胀阀两端压力差为【3 6 l ： 印。见一见一规一锄一瓴 ( 2 7 ) 式中，瓴为供液管中的压力降，约为1 8 3k p a ：瓴为分液器和分液管中的压力降， 约为1 0 0 k p a ：印。为冷凝器至膨胀阀入口之间的液柱压力，取5 0 k p a 则压差计算如表2 - 8 所示 表2 8 膨胀阀压差计算表 蒸发温度，蒸发压力，k p a冷凝温度，冷凝压力，k p a膨胀阀压差，k p a 冬季66 0 么35 01 9 4 2 31 0 ( o 夏季 25 3 0 83 51 3 5 4 84 9 1 0 在一定的蒸发温度、冷凝温度和膨胀阀进出口制冷剂温度的情况下，可计算出 膨胀阀的制冷剂质量流量。对任一膨胀阀，假定膨胀过程是绝热的，则根据热力学 第一定律，膨胀阀前后制冷剂的焓值不变，如= 屯则通过膨胀阀的制冷剂质量流量 朋可采用下式计算【2 l j ： 坼一c o a 、2 p 2 a p ( 2 8 ) 式中，c o 为流量系数；4 为阀孔的流通截面积，m 2 ；p 2 为膨胀阀前制冷剂液体的 密度，k g m 3 。 流量系数的经验公式为【3 3 1 ： c o 一0 0 2 0 0 5 - 、p 2 + o 6 3 4 v 3 ( 2 - 9 ) 由式( 2 9 ) n - - 知，流量系数与阀的结构无关，只与制冷剂进出口的状态参数有关。 因此，当膨胀阀的结构和制冷剂进出口状态一定时，即可确定阀的流通面积彳。 根据艾可( a t , c o ) 生产的膨胀阀，夏季选用t c l e 7 - 1 2 一h c 型外平衡式热力 华北电力大学硕士学位论文 膨胀阀，适用于工质为r 2 2 ，名义制冷能力( 基于表2 - 8 中夏季的蒸发温度和冷凝温 度) 为2 2 6 4 k w ，如图2 - 5 ( a ) 所示。；冬季选用t c l e - 3 一h c 型外平衡式热力膨胀阀， 适用于工质为r 2 2 ，蒸发器名义换热能力( 基于表2 - 8 中冬季的蒸发温度和冷凝温度) 为1 3 3 0 k w ，如图2 - 5 ( b ) 所示。 ( a 冬季选型结果( b 夏季选型结果 图2 - 5 膨胀阀选型软件 2 3 3 换热器的设计计算 制冷换热设备的工作压力、温度的范围比较窄；介质间的传热温差较小。小温 差传热导致制冷设备的热流密度小、传热系数低，使得传热面积增大和设备的体积 增大。因此在设计和制造中强化这些设备的传热，改进结构形式和加工工艺是正确 的途径。以板式换热器作为热泵的冷凝器和蒸发器的原因主要因为板式换热器在较 小的温差下仍具有较高的传热系数吲。 近年来，随着国外一些先进技术的成熟与引进，钎焊板式换热器在小型热泵装 置中应用越来越多，根据北京某换热设备公司生产的b r h 0 0 6 系列人字形板式换热 器，其结构参数如下： 板片问的距离：b = 0 0 0 3 2 m 板片厚度：d = o 0 0 0 6 m 通道长度：l = 0 5 0 3 m ( 其中包括2 0 的波纹展开长度) 当量直径：以= 0 0 0 6 4 m 单通道横截面积：s = 0 0 0 0 3 7 m 2 每片板的有效换热面积：爿f 0 0 5 5 m 2 流程数： 仁1 波纹倾斜角：p = 6 0 0 该钎焊板式换热器所采用的材料是不锈钢3 0 4 ，查得相关参数如下【3 8 1 ： 华北电力大学硕士学位论文 板的导热系数：a 。= 1 4 4 w l ( m ) 板的污垢热阻：r m 产0 0 0 0 0 5 ( m 2 - c ) w 2 3 3 1 制冷剂侧的计算 1 单相区p 9 l 表面换热计算式为： q 一( d , x o 2 6 6 8 - 0 0 0 6 9 6 7 f l + 7 2 4 4 e - 5 2 ) 。 ( 2 0 7 8 5 0 9 4 妒+ 4 1 1 印21 0 5 妒) r c j ”+ ”“啊，协研 m ( 一) “( 2 - 1 0 ) q 一( 九d , x o 2 6 6 8 0 0 0 6 9 6 7 + 7 2 4 4 x 1 0 - s 2 ) ( 2 0 7 8 5 0 9 4 妒+ 4 1 1 劬2 1 吣驴) r “忡旧伽h 椭饥，口严( 2 - 1 1 ) 式中，口为单相对流换热系数，k w ( m 2 ) ；a 为导热系数，k w l ( m ) ；妒为面积 扩展系数；r e 为雷诺数；p r 为普朗特数；p 为动力黏度，k g ( m s ) ；其中下标f 表示 液体，y 表示气体。 2 两相区1 4 0 l 蒸汽凝结换热系数关联式为： n u 。- 4 1 1 8 r e q o - 4 巩1 墙 ( 2 1 式中，n u 。为蒸汽侧凝结的努谢尔数，帆- a f l e ， ；a 。为所求的凝结换热系数， k w ( m 2 ) ；r 为当量雷诺数，r e q g 0 以，雎；其中为当量质量流量，k g ( m 2 s ) g 0 - 6 1 1 一j 0 + j 0 ( n ，n 广2 1 ；g 为工质流量，w ( m 2 - s ) ；j ，_ 为平均干度；岛 和成分别为饱和液和饱和汽密度，k g m 3 ：肼为液膜动力黏度，k g ( m s ) 。 沸腾换热系数的关联式为【3 9 i ： 一嘶呜” ( 2 1 3 ) 办一i + c 邑+ 0 瓦) 2 ( 2 1 4 ) 五- ( x 0 一x ) ) ”( p l p ，) 0 5 ( 一所) “ f 2 1 5 ) 式中，呜为摩阻分液相系数：x 为干度；瓦为l o c k h a r t m a r t i n c l l i 数；c 值与流态 有关，一般由试验确定。 两相流通过板式换热器时的摩擦阻力主要发生在板间通道。根据天津大学的研 究和k u m a r 的推荐，其计算可用洛克啥特马丁尼利( l o c k h a r t m a r t i n c l i ) 方法，其 形式如下【3 7 1 ： 嵋。( 屿九 ( 2 1 6 ) 式中，( 蝎x 为仅液相单独流过同一流道时的摩擦阻力。 华北电力大学硕士学位论文 ( 屿) l = 4 砖譬( 2 - 1 7 ) 式中，石为液体沿程摩擦系数；w t 为液体在流道中的流速，m s ；岛为冷凝液的密 度，k g m 3 。 2 3 3 2 水侧的计算 水侧的换热系数采用y a hyy 关联式【删计算： n u ，= 0 2 1 2 1 ( r e ，尸 o ) 1 培( 以，k ) 仉“ ( 2 1 8 1 式中：n u ，为水侧的努谢尔数，n u 。- a f l , ，；为流体的传热系数，k w l