空气源热泵热水器的变工况分析与试验研究.docxVIP

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空气源热泵热水器的变工况分析与试验研究

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摘要：针对空气源热泵热水器（ASHPWH）理论循环的特点，对热泵热水器的变工况特性进行分析，得出热泵热水器的一些性能、参数随气温的变化规律。基于传热和热力学的原则，建立了系统的工程数学模型。通过对试验和仿真模拟的结果进行对比，表明试验结果与仿真结果基本吻合，验证了模型的总体可靠性。说明建立的数学模型较好地反映了热泵热水器的实际运行状况。因此为生产和工程实验提供一个参考依据，为系统的进一步优化奠定了良好的基础。

关键词：空气源热泵热水器；变工况；数学模型；试验

中图分类号：TK11文献标志码：A文章编号：

0引言

随着经济的快速发展与人们生活水平的提高，生活热水已成为人们生活的必需品，传统的热水器具有能耗大、费用高、污染严重或受到气象条件的制约等缺点。而空气源热泵热水器一方面，能够利用丰富的自然资源，如空气源、地热源和余热等；另一方面，不会产生废气。所以空气源热泵热水器是继燃气热水器、电热水器和太阳能热水器的新一代热水装置，是可替代锅炉的供暖水设备。由于其明显的优势（环境保护、高能效和节能），空气源热泵热水器已被更广泛的应用[1]。空气源热泵热水器作为一种以空气为低温热源，经电能做功从低温侧吸收热量来加热生活用水，热水通过循环系统直接送入用户，以此作为热水供应或利用风机盘管来进行小面积采暖[2]，由此空气能热水器作为第四代热水器是未来发展的趋势。

无论哪种空气源热泵热水器都会遇到变工况的问题，其性能随周围环境的影响很大。冬天温度低，性能差；夏天温度高，性能好。本文将对这些情况进行分析并拟结合已有的试验结果，建立热泵热水器动态性能仿真模型，将试验和仿真模拟的结果进行对比，验证了模型的总体可靠性。

1热泵热水器的工作原理与试验设备

1.1热泵热水器的工作原理

空气源热泵热水器由压缩机、表面冷凝器、蒸发器、热水循环泵、毛细管、储水箱等几部分组成。热泵热水器工作原理与空调器类似，它们的工作原理都采用“逆卡诺”循环原理。实质上是将热量搬运并提升的装置，从周围空气中吸取热量，并把它传递给被加热的冷水，其工作原理如图1所示。通过让工质不断完成蒸发(吸取环境中的热量)→压缩→冷凝(放出热量)→节流→再蒸发的热力循环过程，从而将环境里的热量转移到水中。

该系统具有两个循环回路：一个是循环工质回路，工质通过毛细管节流降压后流入蒸发器，在风扇作用下与环境空气进行换热，吸收大气中的低品位热能而蒸发，然后被压缩机吸入并压缩成高温高压的蒸气，而后流入套管式冷凝器的外管，加热在内管中流动的循环水，从而使储水箱中的水温升高，冷凝后的工质再次进入毛细管，如此不间断进行循环；另一个是循环水回路，系统运行时，在循环水泵的作用下，冷水从储水箱流入冷凝器中加热，然后热水从冷凝器回到储水箱中，并与储水箱中的水充分混合，使储水箱内的水温均匀升高[3]，达到制热水的目的。

图1空气源热泵热水器的工作原理

1.2试验设备和配置

该系统的主要配置如表1所示。

表1试验系统主要配置

图2热水器结构设计方案

实验台自动测试系统由1台计算机和1台Agilent34970A多功能数据采集仪组成，采用Lab-VIEW图形化软件平台编制相应的测试程序并通过串口通讯对仪器进行控制。

热泵热水器结构设计方案如图2所示，其结构主要由压缩机、支撑板、表面冷凝器、热水循环泵、风机及底座、风机固定架、蒸发器、电器盒及水箱组成。

2空气源热泵热水器变工况特性分析

2.1ASHPWH的理论循环

热水泵的理论循环假设：(1)压缩过程可逆；(2)除两个热交换器外，其余各个部分绝热；(3)在冷凝与蒸发过程中与两恒温热源间无传热温差；(4)工质流动中无压力损失[4]。热泵的理论循环如图3所示：图中l一2为等熵压缩过程；2—3为无相变的等压冷却过程；3—4为有相变的等压等温冷凝过程；4—5为节流膨胀过程；5—l为有相变的等压等温蒸发过程。

3数学模型和仿真过程

由于考虑到热泵热水器在工作过程中，蒸发器、冷凝器、压缩机的散热损失和泄漏损失等因素对整个系统的工作性能的影响，为了便于计算，将整个装置简化用后数学模型来表达。这些模型都是建立在传热学和热力学原则的基础上[8,9]。

3.1压缩机的数学模型

由于制冷剂蒸气压缩是个多变的过程，压缩机的能量方程[10]可写成：

（10）

（11）式中：、：制冷剂、压缩机的质量流量，kg/s；h：比焓（下标为状态点，如图3中所示），KJ/kg；P

e、Pc：吸、排气压力，Pa；v1：压缩机吸气口的制冷剂的比容，m3/kg；n：多方指数（近似取绝热膨胀过程指数）；f：压缩机的运转频率，Hz；s：转差率；Vd：压缩机排气量