（热能工程专业论文）水水热泵系统的优化与智能控制.pdf

中文摘要 本文以水源热泵为研究背景进行水水热泵系统的优化与智能控制研究。热 泵优化的首要环节是设计优化。通过建立部件选型模块和使用已有的板式换热器 计算软件，本文提供了可供实用的水一水热泵系统匹配选型方法。基于该方法， 在进行定性优化分析的基础上，结合一个实例进行了热泵系统优化设计的定量分 析。 实现热泵系统的优化还需要在运行中达到优化。本文通过改变压缩机频率、 蒸发器与冷凝器的水流量及蒸发器的入水温度，对水水热泵系统进行了稳态特 性实验。在获取实验数据的基础上，引入人工神经网络的建模方法，分析了系统 的稳态运行特性，并得出了系统制冷量、压缩机耗功、c o p 、e e r 等参数在不同 运行工况下的变化规律，根据这些规律得出了可供热泵系统运行优化参考的一些 结论。 热泵系统要实现运行的稳定与优化，离不开好的控制方法。目前被广泛使用 的常规p i d 控制方法已经难以满足要求，而相比之下神经元p i d 控制算法的性 能更为优良。因此，本文使用s i m u l i n k 仿真软件建立了神经元p i d 控制算法的 仿真模块，并和常规p i d 算法进行了控制性能的对比验证。然后通过建立热泵 系统的动态集总模型，结合神经元p i d 控制模块进行热泵系统稳态工况和变工 况的控制仿真，仿真结果显示了神经元p i d 控制算法的优越性。 关键词：热泵、设计优化、运行优化、神经元p i d 控制算法 a b st r a c t w i t ht h eb a c k g r o u n do fw a t e r - s o u r c eh e a tp u m p ，o p t i m i z a t i o na n di n t e l l i g e n t c o n t r 0 1f o rw a t e r - w a t e rh e a tp u m ps y s t e ma r es t u d i e di nt h i sp a d e r t h ef i r s ts t e po f h e a tp u m po p t i m i z a t i o ni s o p t i m a ld e s i g n b ym a k i n gt h em o d e l so fc o m p o n e n t s s e l e c t i o na n du s i n gt h ec o m p u t i n gs o f t w a r eo fp l a t eh e a te x c h a n g e r , t h em e t h o do f m a t c h i n gs e l e c t i o nf o rw a t e r - w a t e r h e a tp u m ps y s t e mi sp r o v i d e di nt h i sp a p e r b a s e d o naq u a l i t a t i v eo p t i m a la n a l y s i s ，t h e q u a n t i t a t i v eo p t i m a la n a l y s i s o fh e a tp u m p s y s t e mi sm a d e w i t ha ne x a m p l e u s i n gt h i sm e t h o d o p t i m a lo p e r a t i o n i se s s e n t i a lt oo p t i m i z a t i o no fh e a tp u m ps y s t e m b yc h a n g i n g t h ef r e q u e n c yo fc o m p r e s s o r , t h ew a t e rm a s sf l o wo ft h ee v a d o r a t o ra n dc o n d e n s e r , t h et e m p e r a t u r eo fw a t e ra tt h ei n l c to fe v a d o r a t o r , t h ee x p e r i m e n to fs t e a d y s t a t e c h a r a c t e r i s t i c so fw a t e r - w a t e rh e a tp u m ps y s t e mi sc a r r i e do u t b a s e do ne x p e r i m e n t d a t aa n dt h ea n n m o d e l i n gm e t h o d ，t h es t e a d y - s t a t ec h a r a c t e r i s t i c so f h e a tp u m p s y s t e ma r ea n a l y z e d ，t h e nt h er u l e sa b o u th o w t h er e f r i g e r a t i o nc a p a c i t y , c o m p r e s s o r i n p u tp o w e r , c o p a n de e rv a r i e sw i t hd i f i e r e n to p e r a t i n gc o n d i t i o n sa r eo b t a i n e d a c c o r d i n gt ot h e s er o l e s s o m ec o n c l u s i o n sa r er e a c h e dw h i c hc a nb er e f e r e df o r o p t i m a lo p e r a t i o no f h e a tp u m ps y s t e m w i t h o u te x c e l l e n tc o n t r o ls t r a t e g y , h e a tp u m ps y s t e mc a i l tr u ni ns t e a d ya n d o p t i m a ls t a t e n l ew i d e l yu s e ds i m p l ep i d c o n t r 0 1s t r a t e g yc a r l tm e e tt h ed e m a n d a n y l o n g e r ，w h i l et h en e u r a lp i d c o n t r o ls t r a t e g yi sm u c hb e t t e r t h e r e f o r e ，i nt h i sp a p e r ， t h es i m u l a t i o nm o d e lo fn e u r a lp i dc o n t r o ls t r a t e g yi sb u i i ta n dc o m p a r e dw i t l lt h e s i m p l ep i dc o n t r 0 1s t r a t e g yw i t ht h es i m u l a t i o ns o f t w a r es i m u l i n k t h es t e a d ya n d d y n a m i cs i m u l a t i o no f h e a tp u m ps y s t e ma r em a d eb yu s i n gt h el u m p e dp a r a m e t e r h e a tp u m pm o d e lc o n t r o l l e db yn e u r a lp i dc o n t r o l l e r , a n d 也er e s u l t ss h o wt h a tt h e n e u r a lp i dc o n t r o ls t r a t e g yi se x c e l l e n t k e y w o r d s ：h e a tp u m p ，o p t i m a ld e s i g n ，o p t i m a lo p e r a t i o n ，n e u r a lp i dc o n t r o l 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，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，也不包含为获得墨壅盘堂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：浆茳l 签字日期：2 2年，2 月了口日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解基洼盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权盘盗盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名涿江 导师签名署f 家扣 签字日期：2 年，2 月5 d 曰 签字日期：2 肿j 年，j 月如日 第一章绪论 1 1 课题研究背景 第一章绪论 热泵是一种利用高位能使热量从低位热源流向高位热源的节能装置，其工 作原理和制冷机相同，都是按照热机的逆循环工作，二者的差别主要是运行工况 的不同。由于热泵能够通过合理地利用高品位的能源，把储量丰富但不能直接利 用的低品位热能( 如空气、土壤、水中的热能，太阳能，废热、余热等) 转变成 高品位热能应用于各种工业与民用领域，从而达到节约部分高品位能源( 如电、 煤、气) 的目的，因此，热泵的应用对于合理地利用和节约能源有着重要的意义。 随着热泵被日益广泛地使用于空调制冷与供热行业，研究热泵系统的节能优化成 为改进和完善热泵系统的重要课题之一。通过实现热泵系统的节能运行，不但可 以降低运行费用，还可以直接或者间接地减少对初级能源的利用一尤其是电力所 需的燃煤消耗，这对于减少c 0 2 的排放、减轻温室效应有着重要的意义。 近年来，考虑到可持续发展和环保的要求，利用可再生能源如水源、土壤源、 太阳能作为热源的热泵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、运行效率比较高、系统稳定可靠等优点而得到比较多的 应用，但是对于系统的整体设计与优化的研究尚有欠缺【2 1 。本文将以水源热泵的 应用为背景针对水一水热泵系统的优化进行研究。 1 2 课题研究现状 节能的基础在于系统的优化。对于一个热泵机组来说，其性能取决于系统的 结构参数与运行参数，结构参数在设计时通过选定具体型号的机组设备确定，而 运行参数则是在实际运行中通过调节设备运行状态来确定。因此，要实现对于热 泵机组的优化，其任务包括：1 、设计优化，即根据已给定的冷热负荷及设计条 件优化选择结构参数和运行参数，使热泵机组对于设计工况来说达到设备的高效 匹配，实现技术上先进、经济性上合理p j 。2 、运行优化，即在运行管理中进行 优化考虑，对结构参数一定的热泵机组根据具体工况的变化选定一组优化的运行 参数，充分发挥设备的潜力，实现最大程度的节能。由于结构参数与运行参数互 相影响，互相制约，呈现一种复杂的隐函数关系，而且很难用一个解析式表达。 所以，如何确定系统参数的最优组合，使热泵系统的热力学性能最好或热经济性 最高，从而达到最大程度的节能，是一个很有实际意义的研究课题。 第一章绪论 1 2 1 设计优化 设计优化是系统优化的首要环节。上海交通大学的研究人员【45 在动态仿真 模型的研究基础上，使用传统优化理论和模拟退火算法对小型制冷空调系统进行 了单目标与多目标优化；姜正良【6 】从最优设计与最优工况两方面对小型制冷机的 优化进行了研究；周湘江【7 】、戎卫国 8 】等国内一些学者对商用制冷空调系统的设 计优化进行了研究，取得了一些重要结论。对于热泵系统而言，由于热泵与一般 的制冷空调系统有不同之处，需要兼顾夏季制冷与冬季制热的运行要求，应该考 虑其制冷与制热的综合性能最优，杨昭、张世钢 3 】提出了用线性权和评价函数的 方法来协调此两目标优化问题，对使用四通阀切换冬夏工况的热泵系统进行了热 力学与热经济的全年最优研究。 总的来看，目前对小型制冷空调系统的优化设计研究比较具体，而对大型的 制冷空调和热泵系统的研究尚有不足，与实际工程的应用有一定差距。其不足在 于当前研究比较偏重于理论性的分析，并在理论分析的同时做了许多简化的假 设，例如在不同工况下不同面积换热器的传热系数认为不变、对热源温度和流量 参数未做深入的探讨等。因此，应该从更细致的问题入手，进一步将热泵系统的 优化研究推向实用。 1 2 2 运行优化 由于热泵机组需要兼顾夏季制冷与冬季制热的运行要求，一般来说都处于全 年运行和部分负荷运行的状态，运行的环境工况和用户负荷的波动比较大，因此， 在实际运行中，热泵机组极少处于设计工况下运行。因为系统设计和设各选型是 按设计的最大负荷工况来进行，设备容量在实际运行中往往没有得到充分利用， 而不做优化调节的系统其最佳效率只有在满负荷的时候才能达到；并且在设计工 况下所取的运行参数对于实际工况中的机组设备而言就未必是最优或稳定的。所 以，只有实现在运行中动态调节设备运行参数，才能使机组在工况变化的情况下 仍然能处于商效率的优化运行状态。赵力睁谰模糊推理的办法进行了热泵系统的 输出和负荷匹配的研究，利用神经网络的方法在运行中修正模糊规则，达到系统 输出的匹配优化。除了对压缩机容量进行调节以匹配负荷变化之外，许多的研究 只对部分负荷工况下，调节冷却水与冷冻水流量进行了探讨，均认为对水流量的 调节可以在部分负荷的工况下获得良好的节能效果m 1 1 1 2 1 。但是这方面的研究 多基于理论推导，经过试验来进行热泵系统变压缩机频率、变水量优化运行研究 的比较少，而且尚无专门针对水源热泵的运行进行优化。 第一章绪论 1 2 3 控制算法的优选 热泵机组要实现运行的稳定与优化，离不开好的控制方法，而一种好的控制 方法是先进的硬件与优秀的软件综合作用的结果。随着现代电子技术的发展与应 用，热泵机组的控制手段由过去的压缩机启、停控制转向了压缩机、风机、水泵 变频调速和电子膨胀阀动态调节制冷剂流量等手段的多变量控制。这些先进控制 方法的采用，无疑为实现热泵机组的最优化运行提供了良好的硬件条件。但是， 从另一方面看，我们更需要有高质量的控制策略才能充分发挥这些设备的作用。 对于相对简单的线性系统，传统的经典控制理论与现代控制理论可以提供好的解 决方法；而对于非线性系统，尤其是热泵制冷系统这类时变、时滞、干扰多的复 杂系统则需要引入新的控制理论与方法，才能得到满意的控制效果。 人工智能的出现为实现高质量的控制开辟了新的方向，其主要内容包含神经 网络理论、模糊理论，专家系统等方面。现在的人工智能控制方案多采用模糊控 制，尤其是在制冷空调领域，对智能控制的研究基本上集中于该方向【l 3 “。， 而神经网络控制【1 5 】方向和神经元p i d 控制 1 q 的研究领域还较少有人深入研究。 1 2 4 系统建模与仿真 无论是系统设计还是运行控制，有一个好的系统模型无疑能为取得好的设计 与运行效果提供有力的工具。从稳态模型到动态模型，从集总参数模型到分布参 数模型，从经典数学建模到人工智能模拟，如何能更准确更快速地建立系统的仿 真模型直是热泵与制冷系统研究领域的重点与热点。由于实际系统的复杂性和 对制冷空调装置动态特性分析方法的不够成熟，目前的制冷系统仿真研究虽然已 经比较深入，但仍然有如空隙率模型等许多细节问题没有得到很好的解决【”j 。 传统的机理建模方法是根据实际系统的物理机理建立数学模型，所建立的理 论模型往往在模型建立和参数选取上做了很多简化的假设，这使得理论结果与复 杂的实际过程有定的偏差，而且对研究人员的编程技巧有着一定的要求。但传 统建模方法的物理意义明确，易于根据研究对象的不同进行模型结构和参数的调 整，可以对系统运行的内部机理进行深入程度不同的定性与定量分析，从而得出 通用性比较强的结论。国内外已有许多文献通过理论建模对制冷空调系统的仿真 进行了大量的研究，研究领域覆盖了各类热泵与制冷系统的稳态与动态特性 】”。 人工智能方法的运用是系统建模与仿真的新手段。通过借助人工智能理论， 可以对机理过程非常复杂或不十分清楚的系统进行建模，是一种通用性比较强的 建模方法。现有的研究表明，运用模糊理论i 哼】、神经网络对小型、大型1 2 9 “o “1 j 的制冷空调部件与系统的建模，能对系统特性取得很好的逼近效果。其不足在于 第一章绪论 建模过程需要依赖大量的系统样本数据，而要从实验中获得全面而准确的性能数 据无疑是工作量极大的任务，这对实验方法、实验手段都有一定的要求。为此， 丁国良、张春路等人提出了将理论模型与人工智能相结合，充分发挥理论模型的 定性描述能力，辅以尽量少的实验获得必要的样本数据，减小人工智能建模的实 验工作量与计算量，提高学习速度和精度【2 。但是，如何确定最小的必要数据 量，如何在减少实验工作量的同时而又能保证最大程度地从实验数据中获取仿真 对象的全面性能，这些问题还有待深入地研究。 因此，根据对传统方法和人工智能方法特点的分析，可以看出：对于工程设 计选型而言，在没有实际系统的情况下要进行多种方案的比较，对所用方法的通 用性要求比较高，同时精度不要求太高，那么可以考虑用传统方法进行数学建模； 而对于实际已有系统的分析而言，则可以在获取实验数据的基础上，使用人工智 能的方法( 或是结合理论模型建模) ，然后针对具体系统的具体问题进行深入地 分析与研究，这样可以对实际系统的特性做到最大程度的逼近。 1 3 研究课题的确立 从以上对热泵发展与研究动态的分析出发，确立了以水源热泵为背景，对水 水热泵机组进行优化设计与运行进行研究的课题。其详细内容包括：针对水一 水热泵系统。进行热泵系统的设计选型匹配及优化研究：通过水一水熟泵系统的 稳态特性实验，对系统进行优化运行工况的分析；针对热泵系统时变、非线性、 滞后、参数强耦合的特性，将智能控制方案应用到热泵机组的控制中，提高机组 运行和控制品质。 根据该课题，制定如下研究步骤： ( 1 ) 通过建立压缩机、热力膨胀阀和板式换热器的模型得到水水热泵系统的稳 态模型，并以此模型编制程序进行系统设计和设备选型，为优化研究奠定基础。 ( 2 ) 建立水一水热泵实验台，进行不同工况下的稳态特性实验：然后利用实验数 据，结合神经网络的方法进行系统建模，以该模型为基础进行优化运行分析。 ( 3 ) 将神经元p i d 控制方案引入到热泵系统控制中，建立系统的动态模型进行 控制方案仿真。 第二章热泵系统的匹配选型与设计优化 第二章热泵系统的匹配选型与设计优化 2 1 热泵系统设计概述 对于热泵系统的设计，首先应该考虑选择合适的热泵系统形式。不同的系统 形式在一定条件下所获得的效益是不一样的。与制冷系统相似，热泵的性能可以 通过制热性能系数c o p 来评价，即： c o p = 黼 ( 2 - ) 但是，不同驱动形式的热泵所输入的高位能品位不一样，只通过c o p 值的 大小来进行性能比较是不合适的，所以还应该考虑其初级能源利用率p e r ( p r i m a r ye n e r g yr a t e ) ： 衄2 瓣赢谶丽( 2 - 2 ) 例如，电动热泵的p e r = 吼r l ：c o p ，火力发电效率仇= o _ 3 ，输配电效率 r ，= 0 , 9 ，制热性能系数c o p = 3 ，则p e r = o 8 1 ；对于燃气发动机驱动的燃气 热泵来说其p e r = 矾c o p ，热机效率吼= 0 3 7 ，c o p = 3 ，若不考虑汽缸套余 热利用率，则p e r = 1 1 l 【2 1 】。当然，如果是采用水力发电或核电的话，则电动热 泵的p e r 还能提高。通过对p e r 的比较，我们可以看出燃气热泵在消耗同等数 量初级能源的条件下具有比电动热泵更高的供热性能( 若利用水力发电，情况则 有所不同) 。如果要进一步考察热泵的经济性，则还应比较不同初级能源的价格 与设备投资。 热源的选择对于热泵系统的经济性也有着重要的影响。按照热源的不同，热 泵可以分为空气源热泵、水源热泵、土壤源热泵、太阳能热泵、废热源热泵等。 不同的热源有不同的特性和适用范围( 如太阳能热源的利用具有间歇性等) ，只 有根据当地的具体情况，选择合适的热源进行系统设计，才能最大程度地发挥热 泵的节能效果并取得良好的经济效益。 本章主要是从设备选型角度对活塞式水一水热泵系统的设计和优化进行研 究。在热泵系统的设计过程中，系统的给定参数包括：夏季制冷负荷与冷冻水供 回水温度，冬季制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：蒸发温度乃、冷凝温度疋、过冷度瓦。 与过热度以及水源的回水温度7 k 。根据给定参数和这五个独立参数，可以 计算得出系统设备结构的设计参数。在满足运行要求的条件下，这五个参数如何 第二章热泵系统的匹配选型与设计优化 达到最佳组合是根据不同的优化目标而有所不同的。不论取什么优化目标进行分 析，首先要对参数变化时的系统性能和设备结构参数进行计算，而其基础是对各 部件进行匹配选型计算。 静态特性曲线是一种工程上已在应用的匹配方法，其基本方法是：通过试验 数据或热力计算画出机组中各部件的静态特性曲线，当两个机组部件一起工作 时，其工作点必然落在该两部件的静态特性交点上。通过在设计时选择不同的部 件参数和运行参数，可以使静态特性的交点发生改变，使最后得到的交点处于优 化点上】。这种方法对于两部件的静态匹配较有实效，但是如果考虑更多的部 件和运行参数可变时，该方法就很难应用；而且对于优化设计来说，其匹配结果 往往不能直接反映出具体的经济性指标。如果建立起系统各部件的静态模型，并 由计算机进行快速的计算，则可以克服静态特性曲线匹配方法的限制，而且更为 方便准确，通用性更强。 2 2 热泵系统的设计选型 2 2 1 热泵系统的设计选型方法 2 2 1 1 压缩机的选型。” 要进行压缩机的匹配与优化选型需要建立起准确的模型，而对活塞式压缩机 的建模方法已有许多文献迸行了研究，目前普遍采用的是稳态集总模型，这种模 型对于系统设计与仿真来说已经能够满足要求。 压缩机的模型做以下简化假设： ( 1 ) 压缩过程看作多变过程； ( 2 ) 任何时刻压缩机出口与入口的工质质量流量相等； ( 3 ) 压缩机的吸气压力等于蒸发压力，排气压力等于压缩机的冷凝压力。 模型建立如下： 1 、输气系数：五= a ，0 奄丑( 2 3 ) 棚融扣，一c - i ( 铡i 。i 陆。， 压力系数丑，：1 一罢! 盟( 2 - 5 ) pp ， 第二章热泵系统的匹配选型与设计优化 温度翮r = 去 泄漏系数丑= 0 9 8 ( 2 6 ) ( 2 7 ) 式中，余隙容积系数c = 0 0 4 ，排气压力肋近似取为冷凝压力，排气压损以 。o 1 2 p d ；多变膨胀指数m 近似取为1 0 2 ；吸气压力热近似取为蒸发压力，排气 压损卸。z o 0 6 p 。；乃和t k 为蒸发温度和冷凝温度，k ；t , h 为过热度，k 。 2 、工质流量： 埘。：型( 2 - 8 ) m 。为压缩机的的工质质量流量，k g s ；v , h 为压缩机的理论排气量，m 锄：u 为压缩杌吸气口的蒸汽比容，矾瓠g 。 耗音1 。，i ( 刳一，l p ， 行一l i 口。j 实际功耗矿： 坠 仇智。+ 玩 ( 2 - 1 0 ) 指示效率1 7 ；= 要+ 0 ，0 0 2 5 佤一2 7 3 1 5 ) ( 2 1 1 ) 1 女 机械效率i 。= 0 8 5 ，电机效率r 。= 0 8 。 4 、排气温度 正= 正t t i 和t e 为压缩机的吸气温度和排气温度，k ：t 为多变压缩指数，取1 18 。 2 2 1 2 热力膨胀阀的选型 虽然与常规热力膨胀阀相比，电子膨胀阀调节方便准确、性能优良，可以对 蒸发温度或过热度进行精确调控，而且更适合于冬夏运行工况差异较大的场合 1 2 4 ；但是常规热力膨胀阉价格低廉，在大多数场合下仍然具有可接受的性能， 所以目前系统选型仍以其为主。 第二章热泵系统的匹配选型与设计优化 对热力膨胀阀进行选型计算时，首先根据给定工况求得膨胀阀的前后压差， 再由蒸发温度与制冷量、压差、过冷度修正进行选型。当机组额定制冷( 热) 量 不变时，膨胀阀的成本基本上不随机组结构的改变而改变，或是其变化量相对于 其它成本变化很小，可以忽略不计。因此，在设计优化中可以不考虑不同工况对 膨胀阀选型的影响。 2 2 1 3 换热器的选型计算 在热泵系统的设计中，对蒸发器和冷凝器的选型计算是很重要的环节。板式 换热器和管壳式换热器相比具有结构紧凑、组合方便、传热系数高的优点，因此 近年来在中小型热泵系统中得到了较多的应用，本文也将板式换热器作为系统选 型设备。 但是，由于板式蒸发器与冷凝器一般都是钎焊结构，板片的结构参数不易得 到：而且板式蒸发嚣与冷凝器的换热机理复杂，目前仍缺乏准确性高、通用性强 的传热与压降计算关联式，面厂家的产品实验关联式未见有公开报道。基于以上 考虑，本文利用由生产w t t 板式换热器的生产厂商维特公司提供的w t t c a l c 软件进行板式蒸发器与冷凝器的选型计算和校核计算。 对于间接利用形式的水源热泵系统而言，还需要进行水一水板式换热器的设 计计算工作。和蒸发器、冷凝器的计算相比，水一水换热器的计算相对简单一些， 计算方法可参见文献 2 5 1 。 2 2 1 4 工质物性计算 将r 2 2 作为所研究系统的工质，其物性计算方程取自文献【2 6 提供的拟合方 程，使用d e l p h i 语言编制程序，经验证可以满足设计计算的精度要求。 2 2 1 5 系统的设计选型过程与实例 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 时应该对两种工况进行计算，然后按照负荷较大的工况进行设计选型。理论上， 热泵系统的设计计算就是将各设备的模型按给定工况进行联立求解，而在实际应 用中这一过程则有所不同。首先，应根据给定的蒸发器与冷凝器供回水温度按如 下公式求出蒸发温度、冷凝温度： 甲下 瓦= 瓦。2 一生j 掣l 一 ( 2 1 3 ) e x p ( 二鱼l 二堕堕、一1 第二章热泵系统的匹配选型与设计优化 孕# + l ： 唧c 鲁h 锄2 r 2 1 4 ) 式中，l m t d 是蒸发器或冷凝器的对数平均温差，按经验选取初值；7 赢，和 丁赢。2 为蒸发器的入水与出水温度；丁，和7 _ 如为冷凝器的入水与出水温度。然后 确定过冷度与过热度的大致范围。通过进行在这四个参数组合条件下的循 环性能计算，得出单位质量制冷量卯、压缩机的吸气比容v l 等参数。根据制冷 负荷囟和计算出工质质量流量g ，并由计算出的输气系数旯得到所需的压缩 机排气量，最后按排气量和压缩机台数对压缩机进行选型。之后，按所选压缩机 的实际排气量计算得出实际的工质质量流量，结合水侧的温度和流量参数进行换 热器选型计算。最后，对膨胀阀进行选型，考虑到冬夏工况差异较大，应根据冬 夏工况分别选择两套热力膨胀阀以达到最佳匹配。 本文用d e l p h i 语言编制了压缩机和热力膨胀阀的选型计算模块，该模块以 m a n e u r o p 和b i t z e r 的压缩机样本和d a n f o s s 的膨胀阀样本为设备选型数据库。将 选型计算模块与r 2 2 的物性计算模块整合为一体，并根据上文所述的过程进行 系统设计计算，就可以方便快捷地完成压缩机与膨胀阀的选型工作。经对比验证， 计算得到的压缩机制冷量和功率与厂家样本数据相比较，其误差在1 0 之内，能 满足选型设计的要求。软件界面如下图： 图2 1 热泵选型设计软件界面 对于扳式换热器的设计选型，蒸发器与冷凝器部分由w t t c a l c 软件完成： 水一水换热器的设计计算可由作者开发的热工计算软件完成，计算数据取自天津 板式换热器厂提供的b r 系列样本。 第二章热泵系统的匹配选型与设计优化 2 2 2 热泵系统设计选型实例 现以一水源热泵系统的设计为例进一步说明热泵系统的设计选型。该热泵系 统为一层面积5 0 0i n 的办公楼进行制冷与供热，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。其给定设计参数为： 夏季制冷负荷q o = 7 5 k w ，冷冻水供回水温度为1 2 7 ；冬季供热负荷 q k = 3 5 k w ，热水供回水温度为5 0 - 4 5 ；水源出水温度j 夏季2 0 ，冬季1 5 ，假设水源的出水流量能够满足设计要求。 对于夏季制冷工况，取水源回水温度t 。, 2 = 3 0 ，则根据经验取蒸发器与冷凝 器的对数传热温差为7 ，由式( 2 1 3 ) 、( 2 - 1 4 ) 可确定夏季蒸发温度t o = 2 ，5 ，冷 凝温度t k = 3 1 5 。c 。对于冬季工况，取水源回水温度“，尸l o ，计算得蒸发温度 t o = 5 2 ，冷凝温度t k = 5 5 。过冷度b c - 1 1 0 ，取为5 。c ：过热度t s h = 5 1 04 c ， 取为5 。以下是两种工况计算结果表： 表2 - 1 夏季工况计算结果 q o幺 肛 矿 f “口f c 。g 。 i ( k 聊( k w ) ( k v of l j h )( m z )( m 2 )( m 3 h a ) 7 5 18 7 71 6 38 4 57 8 39 1 8 7 6 表2 - 2 冬季工况计算结果 q o幺 n o 矿 f 。磊。g c 枷 i ( k w )( k w )( k w )( m 3 m )( m )( m )( m j 1 1 ) 2 73 5 91 2 33 9 42 4 82 4 84 7 可见，系统按夏季工况选型能满足冬季工况的要求。具体选型结果如下表： 表2 3 热泵机组设备选型表 设备型号参数 压缩机 b i t z e r4 g - 3 0 2 排气量8 4 5m 3 h 蒸发器w t ta e 7 6 0换热面积7 8 3m 。 冷凝器 w 1 v rw p 7 7 0 换热面积9 1 8m 4 夏季：d a n f o s s t e x l 2 1 8夏季制冷量：7 8 4 k w 热力膨胀阀 冬季：d a n f o s s t e x 5 4 5冬季制冷量：3 1 k w 对水泵的具体选型需要考虑到所需扬程即水路系统的阻力，而该参量的值与热泵 水路系统的具体设计有关，因此在这里未做设备选型。 第二章热泵系统的匹配选型与设计优化 2 3 热泵系统的设计优化分析 2 ，3 1 系统的优化目标 从对选型计算过程的描述中可以看出，如果对设计变量值选取不同的组合就 会得到不同性能和成本的系统设计方案，因此存在着对系统设计进行优化的可 能。优化计算是在系统选型计算的基础上，优化选取乃、矗、正。、和咒以， 使所设计的系统达到目标函数最优。在本章中以系统的年度费用总和c 为目标 函数进行优化，年度费用总和c 为设备投资的年度成本g 与年度运行费用g 之 和。c l 包括各设备的年度投资费用，从简化计，本文只考虑压缩机和换热器及水 泵的投资费用，并假设各设备的折旧率口相同，即： c ，盘d 忙。+ c 。坩+ c 。曲+ c 。j( 2 - 1 5 ) c 。g 。q 。g 分别为压缩机、蒸发器、冷凝器和水泵的设备投资，式中： 口= ! ( 2 1 6 ) 一为系统使用年限。压缩机成本与排气量有关，换热器成本则按板片数计算，水 泵成本与流量和阻力有关。由于设备成本与结构参数之间不是线性关系，因此具 体费用按厂家提供的价格表进行计算。运行费用e 假定和系统能耗e 成正比， 即： c 。= c e = c 幢+ e 。)( 2 1 7 ) 式中，c 为电价，& 为压缩机年功耗，耳为水泵年功耗。其中，水泵功耗的计算 式为： 耻”瓦= 竿，艺 ( 2 _ 1 8 ) 式中，为水泵功率，日为水路系统阻力，g 为水流量，死为年运行时间，卵为 水泵效率。 2 3 2 系统优化的定性分析 对目标函数的分析可知，系统的优化程度是系统的运行效率和经济性的综合 体现。由于运行费用是能耗的函数，而在设定负荷下的能耗与系统运行效率直接 相关，因此当系统在选定工况下的运行效率越高时运行费用g 越低；系统经济 第二章热泵系统的匹配选型与设计优化 性系指设备初投资，一般情况下，欲使系统运行效率提高初投资就要增大，若按 相同使用寿命考虑，则设备年成本c j 增加。所以，运行效率与经济性两者之间 通常是矛盾的，如何综合考虑以达到总体最优，就是系统设计优化所要研究的问 题。通常，当系统的优化存在多种影响因素时，要达到总体最优的常见方法是对 目标函数影响最大的因素进行改善。已有的研究均表明，当运行费用和设备投资 的比值变大时，如果提高蒸发温度或降低冷凝温度，则可以在满足给定负荷工况 的条件下改善循环性能：此时换热器面积增大，压缩机排气量减小，虽然可能增 加了设备投资，但是减少了运行费用，在一定范围内可以降低系统的计算总成本。 影响运行费用与设备投资比值的因素有电价、运行时间，电价越高、运行时间越 长则运行费用越高，此时增加设备投资来提高运行效率就越有利。因此，对于在 不同的地区进行热泵系统设计而言，当设备价格和给定工况不变时，热泵系统的 最佳换热器面积凡。可看作当地电价c 与当量满负荷运行时间r 及系统使用寿命 n 的函数，即： = i ( c ，月) ( 2 1 9 ) 该函数的具体形式根据设备结构参数和给定工况的不同而发生变化。 对于热泵系统来说，在设计时还应该考虑满足冬夏工况的不同要求。水水热 泵系统的冬夏运行工况切换有两种方式：一是水系统不变，工质流动方向通过四 通阀切换而逆转，冷凝器与蒸发器的作用在切换后发生转换；二是工质侧流动方 向不变，水路系统切换，蒸发器与冷凝器的作用则全年不变。由于夏季工况下蒸 发器与冷凝器的负荷均大于冬季工况下的负荷，通过简单的分析可知夏季工况下 选型得到的换热器面积大约是冬季工况下所需换热器面积的2 3 倍，所以，按夏 季工况进行换热器选型，不仅可以满足冬季工况的要求，还可以使系统在冬季工 况运行时有较高的能效比。但是，在方法一中，冬夏工况下的蒸发器与冷凝器面 积之比发生变化，其匹配程度不如冬夏工况下的蒸发器与冷凝器面积之比保持不 变的方法二，而且按方法一设计的机组管路系统比方法二复杂，所以采用方法二 对于水水热泵系统更为合理。另外，在一般情况下，当夏季工况设计达到最优 时，其冬季工况也是最优的：但是，不能在选型设计中只考虑夏季工况的最优， 而应该考虑选型方案是否达到全年最优。 如果具体针对水源热泵进行设计，合理地确定水源流量对于系统优化也是一 个很重要的问题。当水流量减小时，可以使回灌更方便，并使水泵的功耗减少。 由于水源的出水温度在运行季中基本保持不变，因此对水源流量的优化可以转化 成对水源供回水温差的优化。选择较大温差可以减少水源流量和水泵功耗，但是 在换热器面积不变的情况下，需要将冷凝温度相应升高以满足对换热负荷的要 求，这样造成传热温差增大，不可逆损失增加；若冷凝温度不变，则加大水流量 第二章热泵系统的匹配选型与设计优化 可以减小换热面积，此时初投资减少，压缩机功耗不变，但是水泵功耗增加。另 外，对管径的选择也是水路系统设计优化中应该考虑的一个具体因素 2 ”。当管 径增大时可以降低流动阻力，在这种设计下可以选择功率相对小的水泵，节约水 泵部分的初投资和运行费用，但是管道的投资成本会相应上升，因此对管径的设 计也应该进行优选以取得最佳值。 2 3 3 热泵系统设计参数的优化实例 本节以前文的热泵系统为例进行定量分析，进一步说明热泵系统的设计优 化。设电费为o 3 5 元k w h ，当量制冷、制热满负荷运行时间分别为5 7 0 h 和6 5 0 h ， 机组使用寿命1 5 年。根据前文设计选型的结果，参考厂家提供的价格表，可得 到压缩机与换热器的价格：压缩机，2 1 5 0 0 元；蒸发器，1 0 9 4 8 元；冷凝器，1 1 4 7 4 元。由于水泵没有进行具体选型，因此本章不对水路系统的优化进行深入分析。 如前文所提到的，提高蒸发温度和降低冷凝温度可以降低运行费用，但是需 要加大设备投资。下表给出了根据夏季工况冷凝温度铲3 1 5 不变、蒸发温度 t o = 0 5 。c 时所设计的系统和已有系统的经济t e 较( 冬季设计工况不变) ： 表2 - 4 各蒸发温度下的系统参数与经济比较 设备年运年度 t o 矿 f 。 夏季冬季年度行费总成 n cn c投资用本 ( )( m 3 1 1 )( m 2 ) ( k w )( k w )增加 增加增加 ( 元)( 元)( 元) 09 3 5 4 5 7 8 1 8 4 l o 2 - 8 03 5 12 7 1 18 9 0 4 5 6 7 1 7 。4 l o 8，4 12 8 82 4 7 28 6 5 1 7 8 3 1 6 7 l o 5o8 08 0 2 58 4 s 7 8 3 1 6 3 l o s口d口 38 4 0 3 9 1 8 1 6 1 l o 59 24 05 2 47 9 ，8 7 1 3 2 3 1 5 1 l o 2 3 6 43 0 85 6 57 7 4 7 1 9 6 1 4 5 9 68 1 85 6 42 5 4 从表2 - 4 中可以看出，当t o = o 5 c 时，年度总成本的增加量在t o 一- 2 5 c 处有 最小僮，即在取不同蒸发温度值的优选过程中，原设计方案的优化程度最高。当 蒸发温度的取值变小时，虽然初投资减少，但是运行费用增加；而当蒸发温度取 值变大时，设备投资增大( 主要是换热器投资增加) ，尽管运行费用降低较多， 但是仍然不能抵消设备投资的增加量。 第二章热泵系统的匹配选型与设计优化 下面再看根据夏季工况蒸发温度t o = 2 5o c 不变，冷凝温度t k = 3 1 3 5 。c 时所设 计的系统和已有系统的经济比较( 冬季设计工况不变) ： 表2 5 各冷凝温度下的系统参数与经济比较 设备年运年度 t o 矿 凡。 夏季冬季年度行费总成 c百c投资用 本 ( )( m 3 h )( m 2 ) ( k w )( k w ) 增加增加增加 ( 元)( 元)( 元) 3 0 58 3 3 1 3 _ 2 3 1 5 6 l o 3 2 4 8 一1 8 56 3 3 18 3 7 1 0 5 3 1 5 ，9 1 0 5 8 3 8 03 3 1 58 4 5 9 1 8 1 6 3 l o 5 d 口口 3 28 4 9 7 8 3 1 6 6 1 0 。8 8 4 1 2 8 4 4 3 38 6 5 1 9 1 7 3 1 0 8 2 1 2 2 6 75 5 3 48 7 2 4 0 l 1 8 1 1 2 9 6 4 5 31 5 7 3 58 8 5 2 8 3 1 8 8 1 1 3 3 8 5 6 8 l2 9 6 从表2 5 中可以看出，当t k = 3 0 5 3 5 时，年度总成本的增加量在“= 3 1 5 处有最小值，即对于t o = 2 5 c 来说，t - - 3 1 5 c 时的设计方案优化程度最高。当冷 凝温度的取值变大时，压缩机投资增加额度小于换热器初投资的减少额度，因此 总体投资减少，但运行费用增加：而当冷凝温度取值变小时，由于换热温差已经 很小，即使换热器面积增大也难以进一步改善其传热性能，而此时换热器的初投 资却增大较多，因而年度总成本上升。 改变过冷度与过热度的取值对系统设计的优化也有影响，对其的具体分析与 与改变蒸发温度和冷凝温度的分析相似，在此不再赘述。 2 4 本章小结 设计的优化是实现热泵系统优化的首要环节，而设计优化的基础是热泵系统 的匹配选型。本章通过建立热泵系统的部件模型编制了相应的选型计算程序，结 合厂家提供的换热器计算软件可以快速而准确地完成对水一水热泵系统的匹配选 型。在此基础上，根据对热泵系统优化的定性分析，以一个实例进行了热泵系统 设计优化的研究。本章的研究不仅可以为其他热泵系统的设计提供一些参考，而 且所使用的方法使热泵系统的设计优化研究更趋于实用化。 但是，对于热泵系统的优化仍然存在许多的问题有待深入研究，尤其是优化 第二章热泵系统的匹配选型与设计优化 所依赖的系统建模方法更有待完善。例如，对板式换热器的准确计算一直是难点， 但管壳式换热器的计算方法相对简单而成熟，并且在中大型热泵机组上管壳式换 热器依然是使用最广泛的换热器。因此，应该考虑将对管壳式换热器的计算编制 成程序模块，纳入到系统的整体计算中，进一步提高优化设计的速度和准确度， 增强其实用性。 第三章水水热泵的运行特性实验与优化分析 第三章水一水热泵的运行特性实验与优化分析 如绪论所述，运行的优化是热泵系统优化的一个主要内容，在运行中对非标 准工况进行最优工况调节也能取得很好的节能效果；而且设计的优化往往是建立 在运行优化的基础之上，或者说在优化运行工况的基础上所做的设计才能达到最 大程度的优化效果。因此，本文将以水源热泵为背景进行水一水热泵运行特性实 验，并根据实验数据对热泵系统的运行特性进行优化研究。 3 1 水一水热泵的运行特性实验 3 1 1 实验内容和意义 根据水源热泵的特点，通过运行实验，获得水一水热泵系统变水流量与压缩 机变频条件下的稳态运行特性数据，在这些数据的基础上可以进行不同运行工况 下分析，从而指导热泵系统运行的优化。