CN112861306A - 一种热水型空气源热泵水箱配比及使用模式优化设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种热水型空气源热泵水箱配比及使用模式优化设计方法，基于不同的热泵、水箱设计方案建模并模拟工作过程，计算不同设计方案对应的热水输出率，以优化热泵、水箱的设计方案。本发明通过软件模拟，不需要制作实物，能够大大地缩短热泵的设计周期，降低了热泵的设计成本。

Description

一种热水型空气源热泵水箱配比及使用模式优化设计方法

技术领域

本发明涉及热泵设计技术领域，具体来说，涉及一种热水型空气源热泵 水箱配比及使用模式优化设计方法。

背景技术

热泵的工作原理是根据逆卡诺循环原理，从低温热泵吸取热量然后高温热 源释放热量，从原理上将，热泵与普通单独制冷空调原理是一样的，能力传递 的动力是通过压缩机消耗电能实现的。这二者的区别主要在于：热泵将室外空 气作为热源，提高室内温度；空调将室内空气作为热源，降低室内温度。热泵 的性能系数是衡量热泵经济性的指标，恒大于1，热泵技术可以利用低温热源， 提高低温可再生能源的利用性。

空气源热泵机组在制热过程中，从室外空气环境中吸取低品位热能，通过 逆卡诺循环原来，经过压缩机的动力，采用制冷剂为载体，将低品位能转为高 品位能，再讲热量传递给水或者是空气，对于此类热水型空气源热泵，则是传 递给管路系统中的循环水，从而加热管路中的循环水。

缓冲水箱作为热泵采暖安全系统中的一部分，对于运行中的主机有着减压 和保护的作用。不增设缓冲水箱，很可能会导致机组频繁启动，在控制流量少 的时候，机组也容易产生报警，水流量不足更会带来很多问题。增设缓冲水箱 相当于系统能量储存增加，系统温度变化平稳，主机的启停次数降低，使用寿 命延长。除了上述优点外，缓冲水箱还具备其他一些功能及作用：(1)系统 强制自动排气；(2)对系统中动力部件水泵的保护；(3)避免主机高压保护； (4)调试简单，末端达到效果更快；(5)系统排污彻底，防止系统阻塞；(6)系统运行稳定。

现有技术中，在设计热泵、水箱时，一般通过制作实物模型，对实物模 型进行热水输出率测试，根据测试结果改进热泵、水箱的结构，并制作新的实 物模型，根据反复的实验、改进得到最终方法。在现有的设计过程中，设计人 员一般通过经验改进热泵、水箱的结构，整个设计周期长，多次制作实物模型， 设计成本高，且不能准确地得知影响热水输出率的因素，无法明确改进方向。

发明内容

针对相关技术中的问题，本发明提出一种热水型空气源热泵水箱配比及 使用模式优化设计方法，以克服现有相关技术所存在的上述技术问题。

为此，本发明采用的具体技术方案如下：

一种热水型空气源热泵水箱配比及使用模式优化设计方法，基于不同 的热泵、水箱设计方案建模并模拟工作过程，计算不同设计方案对应的热 水输出率，以优化热泵、水箱的设计方案。

优选的，所述热泵压缩机模型为：

N_th-压缩机的理论计算功率，W

h_o,th-压缩机等熵压缩出口的焓值，J/Kg；

h_i-压缩机吸气焓值，J/Kg；

γ-输气系数；

V_th-压缩机的理论容积输气量，m3/s,由压缩机的结构参数决定；

V_sur-压缩机吸气口的制冷剂气态比体积m3/Kg

优选的，水箱模型为

式中下表s表示水箱中的水；Us是水箱中的水向外界的传热 系数，取Us＝0，边界条件为：

优选的，单相区换热系数α计算公式为：

式中，Re为雷诺数；λ为制冷剂侧导热系数，W/(m·k)；d_i为换热管内 径，m；

两相区换热系数采用shah关联式：

式中，α_TP为两相区的换热系数，KJ/(m²·K·s)；α为单相区的换热系数， KJ/(m²·K·s)；x为两相区的干度。

优选的，水侧的换热关联式为

其中p，v，G-流体的压力、比体积和质流密度；

D和L-毛细管内径和长度；

f-沿程摩擦阻力系数。

优选的，过冷区、两相区的模型为：

其中ΔP-压降；下标SC,TP分别表示过冷区、两相区；

P₁和V₁-两相区的进口压力和比体积；

P₂和V₂-两相区的出口压力和比体积；

K₁-与边界条件相关的常量

本发明的有益效果为：相比现有技术中，制作实物模型后，通过实验测试 热泵水箱配比及使用模式，从而改进热泵的设计方案，本实施例中的优化设计 方法，通过软件模拟，不需要制作实物，能够大大地缩短热泵的设计周期，降 低了热泵的设计成本。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所 需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请 的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还 可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示出了本申请实施例提出的一种热水型空气源热泵水箱配比及使用 模式优化设计方法中喷气增焓技术原理图。

具体实施方式

为进一步说明各实施例，本发明提供有附图，这些附图为本发明揭露内容 的一部分，其主要用以说明实施例，并可配合说明书的相关描述来解释实施例 的运作原理，配合参考这些内容，本领域普通技术人员应能理解其他可能的实 施方式以及本发明的优点，图中的组件并未按比例绘制，而类似的组件符号通 常用来表示类似的组件。

根据本发明的实施例，提供了一种热水型空气源热泵水箱配比及使用模 式优化设计方法，基于不同的热泵、水箱设计方案建模并模拟工作过程， 计算不同设计方案对应的热水输出率，以优化热泵、水箱的设计方案。

本实验中所采用3匹机组为直流变频空气源热泵机组，采用的是直流 变频技术，其工作原理是将50Hz工频变流电源转为直流电源，送到功率模 块主电路，压缩机采用的直流电机，模块输出电压转为直流电源。直流变 频技术的控制制冷剂流量的毛细管被电子膨胀阀取代，提高室外机换热盘 管的换热效率，使制热能力发挥到最大。

本实验中所采用5匹机组为定频增焓低温空气源热泵机组，定频技术 则是区别于上述提及的变频技术。增焓技术实验机组具备喷气增焓系统， 高温高压的制冷剂气体经过冷凝器冷却，并将冷凝释放出热量传递给中间 介质，吸热升温的中间介质用于供暖。冷凝后的制冷剂回路则分为两路： 主回路为制冷回路；辅助回路为补气回路辅助回路中的制冷剂液体经过电 子膨胀阀降压到一定中间压力后变为中压气、液混合物并与来自主回路的温度较高的制冷剂液体在经济器中发生热交换。辅助回路的制冷剂液体吸 收热量变为气体,通过压缩机的辅助进气口补入压缩机工作腔；同时,主回路 的制冷剂得到过冷却,这部分过冷的制冷剂经过膨胀阀后进入蒸发器(室外 机换热器)。在蒸发器中,主回路的制冷剂吸收低温环境中的热量而变为低压 气体进入压缩机吸气腔,经过一段内压缩后,主、辅回路的制冷剂在压缩机工 作腔中混合,然后随着工作腔的转动这两部分制冷剂边压缩边混合直至混 合过程结束,混合后的制冷剂经压缩机进一步压缩后排出压缩机至此,形成 一个完整的封闭循环。

热泵机组及缓冲水箱数学模型

1.压缩机模型

只考虑压缩机吸排气状态，不考虑中间的实际压缩过程。

N_th-压缩机的理论计算功率，W

h_o,th-压缩机等熵压缩出口的焓值，J/Kg；

h_i-压缩机吸气焓值，J/Kg；

γ-输气系数；

V_th-压缩机的理论容积输气量，m3/s,由压缩机的结构参数决定；

V_sur-压缩机吸气口的制冷剂气态比体积m3/Kg

2.毛细管模型

绝热毛细管的近似积分模型的运算速度块，且避免了因采用分布参数模型而造成的稳定性差的问题。

①水侧的换热关联式

其中p，v，G-流体的压力、比体积和质流密度；

D和L-毛细管内径和长度；

f-沿程摩擦阻力系数

②过冷区、两相区的模型

其中ΔP-压降；下标SC,TP分别表示过冷区、两相区；

P₁和V₁-两相区的进口压力和比体积；

P₂和V₂-两相区的出口压力和比体积；

K₁-与边界条件相关的常量

3.室内侧换热器数学模型

换热器传热基本计算式：

Q＝K·A·Δtm

K-传热系数，W/(㎡·K)

A-换热器的传热面积，㎡

Δt_m-对数平均温差，℃

Δt'-进口温差

Δt"-出口温差

顺流：Δt'＝t_h'-t_c'_Δt＝t_h"-t_c"

逆流：Δt'＝t_h'-t_c"_Δt＝t_h"-t_c'

逆流公式同理可得

对于对数平均温差Δt_m的计算，文献给出下列公式：

Δt_max-冷、热流体的进口温差与出口温差的较大者，℃

Δt_min-冷、热流体的进口温差与出口温差的较小者，℃ 无论是顺流还是逆流，均可用上式计算对流换热温差，当

可直接采 用算术平均温差计算，其误差不大于4％；

4.室外风侧换热器数学模型

在标准工况下，压缩机出来的高温高压蒸汽进入冷凝器中，通过热交进行换热，放出热量后逐渐由气态转化为气液混合态，进一步释放热量变成过冷液体后从 冷凝器排除。为保证热交换热效果，冷凝热交采用平翅片形式，换热管采用内 螺纹管。

单相区换热系数α计算公式为：

式中，Re为雷诺数；λ为制冷剂侧导热系数，W/(m·k)；d_i为换热管内径，m。 两相区换热系数采用shah关联式：

式中，α_TP为两相区的换热系数，KJ/(m²·K·s)；α为单相区的换热系数， KJ/(m²·K·s)；x为两相区的干度。

5.水箱模型

若设水箱中每个截面上的温度一致，且不考虑其中的导热和水箱壁面在纵向上的导热，则有：

式中下表s表示水箱中的水；Us是水箱中的水向外界的传热系数，考虑到整 个白天可以用水期间水箱外表面温度大致高于水箱内的水温，可以取Us＝0 边界条件为：

τ＝0；T_s＝0

x＝0；T_s＝T_f|y＝L。

尽管为使解释简单化将上述方法图示并描述为一系列动作，但是应理 解并领会，这些方法不受动作的次序所限，因为根据一个或多个实施例， 一些动作可按不同次序发生和/或与来自本文中图示和描述或本文中未图 示和描述但本领域技术人员可以理解的其他动作并发地发生。本领域技术 人员将进一步领会，结合本文中所公开的实施例来描述的各种解说性逻辑 板块、模块、电路、和算法步骤可实现为电子硬件、计算机软件、或这两 者的组合。为清楚地解说硬件与软件的这一可互换性，各种解说性组件、 框、模块、电路、和步骤在上面是以其功能性的形式作一般化描述的。此 类功能性是被实现为硬件还是软件取决于具体应用和施加于整体系统的设 计约束。技术人员对于每种特定应用可用不同的方式来实现所描述的功能 性，但这样的实现决策不应被解读成导致脱离了本发明的范围。结合本文 所公开的实施例描述的各种解说性逻辑板块、模块、和电路可用通用处理 器、数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA) 或其它可编程逻辑器件、分立的门或晶体管逻辑、分立的硬件组件、或其 设计成执行本文所描述功能的任何组合来实现或执行。通用处理器可以是 微处理器，但在替换方案中，该处理器可以是任何常规的处理器、控制器、 微控制器、或状态机。处理器还可以被实现为计算设备的组合，例如DSP 与微处理器的组合、多个微处理器、与DSP核心协作的一个或多个微处理 器、或任何其他此类配置。结合本文中公开的实施例描述的方法或算法的 步骤可直接在硬件中、在由处理器执行的软件模块中、或在这两者的组合 中体现。软件模块可驻留在RAM存储器、闪存、ROM存储器、EPROM存 储器、EEPROM存储器、寄存器、硬盘、可移动盘、CD-ROM、或本领域 中所知的任何其他形式的存储介质中。示例性存储介质耦合到处理器以使 得该处理器能从/向该存储介质读取和写入信息。在替换方案中，存储介质 可以被整合到处理器。处理器和存储介质可驻留在ASIC中。ASIC可驻留 在用户终端中。在替换方案中，处理器和存储介质可作为分立组件驻留在 用户终端中。在一个或多个示例性实施例中，所描述的功能可在硬件、软 件、固件或其任何组合中实现。如果在软件中实现为计算机程序产品，则 各功能可以作为一条或更多条指令或代码存储在计算机可读介质上或藉其 进行传送。计算机可读介质包括计算机存储介质和通信介质两者，其包括 促成计算机程序从一地向另一地转移的任何介质。存储介质可以是能被计 算机访问的任何可用介质。作为示例而非限定，这样的计算机可读介质可 包括RAM、ROM、EEPROM、CD-ROM或其它光盘存储、磁盘存储或其 它磁存储设备、或能被用来携带或存储指令或数据结构形式的合意程序代 码且能被计算机访问的任何其它介质。任何连接也被正当地称为计算机可 读介质。例如，如果软件是使用同轴电缆、光纤电缆、双绞线、数字订户 线(DSL)、或诸如红外、无线电、以及微波之类的无线技术从web网站、服 务器、或其它远程源传送而来，则该同轴电缆、光纤电缆、双绞线、DSL、或诸如红外、无线电、以及微波之类的无线技术就被包括在介质的定义之 中。如本文中所使用的盘(disk)和碟(disc)包括压缩碟(CD)、激光碟、光碟、 数字多用碟(DVD)、软盘和蓝光碟，其中盘(disk)往往以磁的方式再现数据， 而碟(disc)用激光以光学方式再现数据。上述的组合也应被包括在计算机可 读介质的范围内。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发 明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发 明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种热水型空气源热泵水箱配比及使用模式优化设计方法，其特征在于：基于不同的热泵、水箱设计方案建模并模拟工作过程，计算不同设计方案对应的热水输出率，以优化热泵、水箱的设计方案。

2.根据权利要求1所述的热水型空气源热泵水箱配比及使用模式优化设计方法，其特征在于：所述热泵压缩机模型为：

N_th-压缩机的理论计算功率，W

h_o,th-压缩机等熵压缩出口的焓值，J/Kg；

h_i-压缩机吸气焓值，J/Kg；

γ-输气系数；

V_th-压缩机的理论容积输气量，m3/s,由压缩机的结构参数决定；

V_sur-压缩机吸气口的制冷剂气态比体积m3/Kg。

3.根据权利要求1所述的热水型空气源热泵水箱配比及使用模式优化设计方法，其特征在于：水箱模型为

式中下表s表示水箱中的水；Us是水箱中的水向外界的传热系数，取Us＝0，边界条件为：

4.根据权利要求2所述的热水型空气源热泵水箱配比及使用模式优化设计方法，其特征在于：单相区换热系数α计算公式为：

式中，Re为雷诺数；λ为制冷剂侧导热系数，W/(m·k)；d_i为换热管内径，m；

两相区换热系数采用shah关联式：

式中，α_TP为两相区的换热系数，KJ/(m²·K·s)；α为单相区的换热系数，KJ/(m²·K·s)；x为两相区的干度。

5.根据权利要求2所述的热水型空气源热泵水箱配比及使用模式优化设计方法，其特征在于：

水侧的换热关联式为

其中p，v，G-流体的压力、比体积和质流密度；

D和L-毛细管内径和长度；

f-沿程摩擦阻力系数。

6.根据权利要求2所述的热水型空气源热泵水箱配比及使用模式优化设计方法，其特征在于：

过冷区、两相区的模型为：

其中ΔP-压降；下标SC,TP分别表示过冷区、两相区；

P₁和V₁-两相区的进口压力和比体积；

P₂和V₂-两相区的出口压力和比体积；

K₁-与边界条件相关的常量。

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