空气源热泵热水器的准稳态模型作者 Farouk Fardouna, Oussama Ibrahima, Assaad Zoughaibb摘要热泵系统可以在大量的应用中被发现。其中之一是生产生活热水。本文提出了一种准稳态仿真模型来预测一个简单的空气源热泵热水器（ASHPWH）的性能。数学模型包括了基本的系统组件模型，即，蒸发器，冷凝器，压缩机和膨胀阀。这些模型的建立是基于传热和热力学的基本原则。该模型被编码到 MATLAB 软件和用于预测系统参数的效益，如热水温度，蒸发和冷凝压力，未传递给冷凝器的热量，电功率输入，供热季节的性能系数，和性能系数。1.介绍有关能源危机和气候变化问题在过去十年中显著上升，并且作为一个主要问题阻碍了许多国家社会经济的发展。这些问题严重影响着能源需求和环境安全，并且由于地中海区域较高的自然气候变化率和其独特的地理位置，这些问题显得尤为重要。在此基础上，寻找新的无污染能源来确保地中海区域可持续的未来是相关政府部门的一个主要目标。热泵是一种高效的机械设备，它通过采用可再生能源如太阳能，周围空气能，地热能或废热产生低污染物的热量。空气源热泵热水器（ASHPWH） ，基于卡诺循环的原理，可以在较低的温度下从空气中吸收热量，并将其转移到一个水箱一个处于较高温度的吸热设备。用于消耗来驱动系统的机械能仅仅是所传送能量的一小部分。 （约 30%）专业术语 LL Libanese LiraA 面积m 2 标识U 传热系数w/m 2k 1,2,3 第 1，第 2，第 3 区LMTD 平均温差k e 蒸发器C 热容w/k c 冷凝器Cp 比热J/kg k 压缩机h 焓J/kg v 阀 密度kg/m 3 f 饱和液体P 压强pa g 饱和气体 效率 i 内部m 质量kg o 外部qm 质量流量kg/s w 水 转速rps r 制冷剂V 体积m 3 R 水库Q,q 热量w mec,ele 机电T 温度K vol 体积热泵已经开发拓展到很多种形式，但很少涉及热泵热水器。Fu 等人1提出了用具有四个步骤的能力的螺杆式压缩机的空气水的双模式热泵的动态模型。研究了添加额外的压缩机容量分段方式的动态响应。MacArthur 和 Grald 2 提出了一个蒸汽压缩热泵模型。该换热器有着详细的分布配方作为蓝本，而膨胀器件被建模为一个简单的固定节流孔。Kima等人3提出了一种热泵驱动的热水器系统的动态模型，采用有限体积法来描述该热交换器。Techarungpaisan 等人 4提出了一种稳态仿真模型来预测一个配有集成热水器的小型分体式空调机的综合性能。模型采用的是旋转式压缩机和毛细管。2.数学模型一个典型的空气源热泵热水器被应用到了这项研究中（图 1） 。它是由热泵系统的主要组件所构成，即压缩机，蒸发器，冷凝器和节流装置包括了热水储存装置。在模拟的压缩机中，简单稳态模型采用适当的容积效率和压缩过程被假定为是绝热的以等熵效率。一个电子膨胀阀被用来控制蒸发器出口的过热度。膨胀过程被认为是等焓的。关于热交换器，采用的是对数平均温差法(LMTD)和传热单元数法(NTU-)。蒸发器的模型是一个由管子和散热片组成的热交换器，而逆流方向的同心管的热交换器的模型被选择为冷凝器。两个热交换器被假定为是长的，薄的，水平管道，与此同时忽略制冷剂在管路中的轴向流动和沿着热交换器管路的压降。平均空隙率5用于计算在两相区的流体性质，而平均性质则被假定在单相区。图 12.1.压缩机有三个关键参数与压缩机模型的性能相关：质量流量（m k） ，出口焓值（h k,out） ，和输入功率（W k） ，这些是由方程（1） ， （2） ，和（3）分别给出的：式中 ， （1）volkkm)h,P(injik),(Pfkationr1vol（2）1h-1/hise,in,kise,o, （3）)/()(Wlmeci,o,kk2.2.膨胀阀有两个关键的参数预计出阀模型：质量流量和出口焓这是由方程（4）及（5）分别给出。式中 （4）outindvPCmalminoP/Cutinvd（5）out,in,h2.3.冷凝器冷凝器被分为三个区域，即过热区，两相区和过冷区。每个区域都有集总参数。传热率（q c1） ，出口水温和过热区的面积是分别是从方程（6） ， （7）与（8）计算得出。（6）)h(mcgir1c（7）w1iow/qT式中 （8）)LMD*U/(A1cc1c 1WOCwicici1CTln)(T传热速率（q c2） ，出口水温和的两相区的面积采用过热区相同的方式计算。过冷区的面积是从之前的区域面积推算得到： ，然后这个区域的传热单元数)A(2c1toal3c（NTU ）和效率系数（ ）方程（ 9）和（10）中分别计算得出。接着，最大和实际传热率将从从方程（11）和（12）分别计算得出。（9）min3CAUNT式中 （10）1emaxin（11）)T(qi3wicminax3c（12）ax3*最后，制冷剂与水在冷凝器出口温度是从方程（13）和（14）分别计算得出。（13）r3cicoC/qT（14）wi3w因此冷凝器的总传热率是： 。3c21cqQ注意，一个区域的出口水温等于下一个区域的进水温度.在相同的方法下，蒸发器被分成两个区，即两相和过热区并且几乎采用在冷凝器用的相同计算过程。2.4.贮液器热水贮存器存储被加热的水准备好被提供给需求站点。为了建造模型，以下制造了几个假设：（1）热水容器中是均匀温度（不考虑分层） ， （2）从容器的壁面上没有外部的热损失，以及（3）在贮存器中的热水总量是不变的（没有在加热过程消耗水量） 。应当指出的是，在贮存器中的平均水温（T R）首先在计算过程开始的时候被初始化，平均水温的新值（T R,new）将由公式（15）来计算得出。如果 TR,new 与预先设定的热水温度值不同，新的值用于接下来重复计算。此过程不断重复，直到 TR 达到预先指定的值，通常为60。 （15）pwcRnew, Cmdt*QT3.系统模拟模拟空气源热泵热水器的目的是预测某些工况下机组的性能。首先，输入的几何参数进行设置并且假定 Pe，P c 和 TR 的初始值。其次，压缩机，冷凝器，膨胀阀和蒸发器的子程序进行连续地运行。随后，将冷凝器出口的质量流速与膨胀阀的质量流速进行比较。如果该差值大于某个预先指定的公差，然后就调整 Pc，正值或负值的影响取决于质量流速的差异，并重复整个周期。另外，计算贮液器中的水温并且新的时间迭代将开始。这将被不断重复，直到在贮液器中的水温达到一定预先设定的温度。4.结果与讨论该模型被编码成为 MATLAB 仿真程序并且被用于预测系统参数的性能，如热水温度，冷凝和蒸发压力，制热量，电输入功率和性能系数。下图显示了一些模拟结果在周围空气的温度为 15。图 2-A,2-B 呈现了冷凝和蒸发压力，输入的电功率和制热量随时间的变化。冷凝压力逐步上升，从仿真时间的开始到结束，这是由于水温的不断增加。此外，输入电功率从 500W逐渐上升到 860W；但是，加热量随时间逐渐减小。图 3（a）显示出在一个 200L 的贮液器中整个加热过程中水温的变化。图 3（b）显示示出了性能系数相对于时间的变化，从中观察到性能系数开始于一个峰值并且逐渐减小，直到模拟结束。使用简单的电热水器在一个 200L 的贮液器中将水温从 20加热到 60，我们会根据下面的关系式消耗约 9.3 千瓦时，假设一个理想的电阻：。这意味着它的成本约 1856 LL，转换到电能平360/)T(*cmkwhintalfialpw均为 200 LL/千瓦时。然而，使用使用空气源热泵热水器，并通过准稳态模型，它表明只有 2.6 千瓦时被消耗，并且成本大约只有 520LL，在相同的工作条件。因此，通过简单的计算，我们发现约 70的能源和经济性被节省下来。此外，从环保上考虑，在 200L 的贮液器中使用电阻热水器会产生 6.5 公斤二氧化碳，而使用全空气源热泵热水器将会减少 1.82 千克的二氧化碳。此外，供暖季节性能系数（HSPF）的计算，预计每天消耗 200L，在冬季（1 月，2 月，3月）平均环境温度为 15，被认为是将近 12.3。该系统的平均 COP（=0.293 HSPF ）为 3.6左右。5.结论准稳态模型是用 MATLAB 软件开发的，以此来研究空气源热泵热水器（ASHPWH ）的特性进行开发的。换热器是由 LMTD 和 NTU- 方法建立的并且执行器组件是由静态设计建模的。在所创造模型的基础上，对空气源热泵热水器性能特点的研究有压力，温度，输入电功率，加热和制冷能力，采用 R134a 的 200L 贮液器和 15环境温度。模拟结果表明，约 70的能量和成本降低，相比较传统的电热水器，与此同时 70的环境污染被减少通过计算二氧化碳的产生量。6.参考文献1 Fu L, Ding G, Zhang C. Dynamic simulation of air-to-water dual-mode heat pump with screw compressor. Applied Thermal Engineering 2003, 23:1629-45 2 MacArthur JW, Grald EW. Jr. 1989 Unsteady compressible two-phase flow model for predicting cyclic heat pump performance and a comparison with experimental data. International Journal of Refrigeration 1989; 12(1):29-41.3 Kima M, Kim MS, Chungc JD. Transient thermal behavior of a water heater system driven by a heat pump. International Journal of Refrigeration 2004, 27: 415-214 Techarungpaisan P, Theerakulpisut S, Priprem S. Modeling of a split type air conditioner with integrated water heater. Energy Conversion and Management 2007; 48:1222-375 Rasmussen BP, Alleyne AG. Dynamic Modeling and Advanced Control of Air Conditioning and Refrigeration Systems. Air Conditioning and Refrigeration Center, University of Illinois 2006; TR 244