水环热泵机组系统性能的模拟

摘 要 水环热泵机组是一能效比高、运行能量回收的空调设备，它主要由压缩机、室外侧换热器、室内侧换热器和膨胀阀组成。基于稳态分布参数方法和质量守恒、能量守 恒、压力平衡原理，本文建立了小型水环热泵机组部件及系统模拟的数学模型。对制冷剂为R-22、额定制冷量为3kW小型水环热泵机组制冷系统的制冷和热泵 运行工况进行了系统模拟，预测了系统的性能，分析了水源入口水流量和温度、室内空气温度对影响系统性能的影响。模拟结果对机组的性能预测、优化设计与控制 具有重要的指导作用。
关键词 水环热泵 系统性能 稳态模拟 分布参数模型
0 前言

水环热泵机组由于具有能效比高、运行能量回收、便于计量和施工维修方便等的特点，因此该机组得到了广泛的应用[1]。在水环热泵机组的设计开发中，主要还 是经验性设计，而若能用计算机仿真技术对系统进行模拟，则将取得更加高效的成果。对于制冷空调装置的模拟仿真研究，主要是为产品开发服务。在常规的设计 中，是先定下产品的性能目标，然后推断其工作状况，最后确定产品的结构，没有一套完整描绘整个系统特性的模型，仅是部分经过高度简化，能反映系统部分特性 的模型。而对于模拟而言，是先定下产品的结构，利用所建系统模拟模型可知具体的工作过程是如何的，在算出其工作过程的基础上，就可以得出在任意室内外空气 参数下的系统循环各主要状态点参数，如制冷量、耗功率、能效比COP及蒸发温度等系统重要性能参数，随室内外空气参数的不同及可能的变化范围计算出整机性 能参数，这就给系统的产品质量检验、系统的最优匹配设计及改善整机性能创造了极为有利的条件，从而实现系统的仿真以及系统的优化匹配[2-6]。本研究将 对小型水环热泵机组的部件建立数学模型，针对额定制冷量为3kW小型水环热泵机组制冷和制热工况进行模拟仿真，研究其系统的性能及影响性能的因素。
1 机组系统结构

如图1所示，水-风式水环热泵机组主要由压缩机、室外侧水冷（热）换热器、室内侧空气换热器和电子膨胀阀组成。模型对象为小型水-风室水环热泵机组，制冷 剂选用R22。系统的四个主要部件分别是小型滚动转子式压缩机、套管式室外侧换热器、翅片管式室内侧换热器和电子膨胀阀。


2 数学模型建立分析

2.1 压缩机模型

对于装置仿真用压缩机模型，主要是建立压缩机的流量与功率、蒸发器和冷凝器的关系，以及计算出其他影响装置性能的参数，如排气温度等。其制冷剂流量、功率、排气温度 计算分别为[3] ：
(1)
(2)
(3)
式中， — 压缩机的理论输气量； — 压缩机环节吸气口的制冷剂气体比容； — 输气系数， —电机的理论功率； —电机效率。