CN115270521B - 一种空气密度对空气源热泵供热系统性能影响的仿真方法 - Google Patents

一种空气密度对空气源热泵供热系统性能影响的仿真方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种空气密度对空气源热泵供热系统性能影响的仿真方法，包括在Solkane软件中，建立热泵循环流程，得到蒸发温度、制冷剂流量和蒸发器吸热量；在CoilDesigner软件中，建立热泵机组的蒸发器模型并输入室外气象参数，读取从Solkane软件反馈得到的蒸发温度与制冷剂流量，计算得到蒸发器吸热量；对耦合计算得到的蒸发器吸热量进行误差判断，循环计算，直至符合误差要求时，输出热泵机组的制热量、蒸发器侧进出风温差和热泵机组功耗，计算热泵机组制热性能。本发明能够计算得到不同空气密度下热泵供热系统性能的变化情况，特别适用于高海拔地区空气源热泵供热系统性能评价。

Description

一种空气密度对空气源热泵供热系统性能影响的仿真方法
技术领域
本发明涉及热泵供热技术领域，特别是一种空气密度对空气源热泵供热系统性能影响的仿真方法。
背景技术
空气源热泵因其电转热的高效性，是电制热的最有效的方式。在高海拔地区，随着海拔的升高，大气压力和空气密度也随之发生改变。目前专业领域主要关注室外供暖计算温度、湿度对热泵机组制热性能的影响，而空气密度对热泵机组制热性能影响的计算方法缺失，导致无法确定空气密度对空气源热泵供热系统性能的影响，严重影响高海拔地区空气源热泵的性能评价、选型、设备更迭等。
仿真计算是研究空气源热泵机组性能的有效手段，现有热泵领域的主流仿真软件针对压缩循环仿真通常采用Solkane软件，该软件可以以进行典型的压缩循环计算，评价机组性能，但无法与室外参数关联；换热盘管仿真计算主要采用马里兰大学能源研究所开发的CoilDesigner软件，该软件能设置室外气象参数，较为准确地仿真计算出换热器的能力、风阻及压降，但无法计算整个压缩循环。因此，采用单一仿真软件无法实现空气密度对空气源热泵供热系统性能影响的仿真计算。
发明内容
本发明的目的在于：针对现有技术存在的问题，提供一种空气密度对空气源热泵供热系统性能影响的仿真方法。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种空气密度对空气源热泵供热系统性能影响的仿真方法，包括以下步骤：
步骤一：在Solkane软件中，建立热泵循环流程并输入压缩特征参数，输入蒸发温度，在Solkane软件计算得到制冷剂流量和蒸发器吸热量
Figure 685645DEST_PATH_IMAGE001
，在CoilDesigner软件中，建立热泵机组的蒸发器模型并输入室外气象参数，所述室外气象参数包括蒸发器工作地点的室外空气温度T、室外空气的相对湿度R、工作地点大气压力
Figure 90081DEST_PATH_IMAGE002
，读取从Solkane软件反馈得到的蒸发温度与制冷剂流量，在CoilDesigner软件中计算得到蒸发器吸热量
Figure 752138DEST_PATH_IMAGE003
；
步骤二：对耦合计算得到的蒸发器吸热量进行误差判断，若
Figure 267433DEST_PATH_IMAGE004
，则返回步骤一调整Solkane软件中的蒸发温度，并重新反馈蒸发温度与制冷剂流量给CoilDesigner软件，循环计算，直至
Figure 829870DEST_PATH_IMAGE005
时，输出热泵机组的制热量
Figure 670787DEST_PATH_IMAGE006
，蒸发器侧进出风温差
Figure 803828DEST_PATH_IMAGE007
和热泵机组功耗
Figure 873546DEST_PATH_IMAGE008
；
计算热泵机组制热性能
Figure 244485DEST_PATH_IMAGE009
，
Figure 53041DEST_PATH_IMAGE010
；
式中，
Figure 863258DEST_PATH_IMAGE011
为Solkane软件第i次计算得到的蒸发器吸热量，
Figure 782673DEST_PATH_IMAGE012
为CoilDesigner软件第i次计算得到的蒸发器吸热量，
Figure 8118DEST_PATH_IMAGE013
为允许误差，
Figure 738308DEST_PATH_IMAGE014
为蒸发器侧空气的体积流量，
Figure 314782DEST_PATH_IMAGE015
为室外蒸发器侧空气计算状态下的比热容；
步骤三：在CoilDesigner软件中改变工作地点大气压力
Figure 21576DEST_PATH_IMAGE016
，得到在不同空气密度
Figure 835948DEST_PATH_IMAGE017
下的热泵机组制热性能
Figure 455149DEST_PATH_IMAGE018
。
作为本发明的优选方案，所述压缩特征参数包括压缩机等熵效率、冷凝器温度、和过冷度。
作为本发明的优选方案，在CoilDesigner软件中建立热泵机组的蒸发器模型包括输入准则关联式、换热铜管特性、肋片特性和铜管排列方式。
作为本发明的优选方案，所述工作地点大气压力
Figure 800810DEST_PATH_IMAGE019
为蒸发器工作地点的室外空气温度T、相对湿度R的工况下的大气压力。
作为本发明的优选方案，所述空气密度
Figure 265290DEST_PATH_IMAGE020
的计算式如下：
Figure 996485DEST_PATH_IMAGE021
，
式中，
Figure 773205DEST_PATH_IMAGE022
为标准大气压下的空气密度，1.3 kg/m3。
作为本发明的优选方案，所述允许误差
Figure 855430DEST_PATH_IMAGE023
的取值为小于或等于10%。
作为本发明的优选方案，所述热泵机组的制热量
Figure 123601DEST_PATH_IMAGE024
的取值为符合误差判断时的
Figure 928877DEST_PATH_IMAGE025
，蒸发器所述侧进出风温差
Figure 624300DEST_PATH_IMAGE026
由CoilDesigner软件输出，所述热泵机组功耗
Figure 928243DEST_PATH_IMAGE027
由Solkane软件输出。
作为本发明的优选方案，所述步骤三之后还包括：绘制热泵机组的制热量
Figure 249372DEST_PATH_IMAGE028
与空气密度
Figure 424001DEST_PATH_IMAGE029
的关系曲线，蒸发器侧进出风温差
Figure 24747DEST_PATH_IMAGE030
和与空气密度
Figure 284827DEST_PATH_IMAGE029
的关系曲线，热泵机组功耗
Figure 442270DEST_PATH_IMAGE031
与空气密度
Figure 205826DEST_PATH_IMAGE029
的关系曲线。
作为本发明的优选方案，所述步骤三之后还包括：计算不同空气密度下的热泵机组性能修正系数
Figure 243052DEST_PATH_IMAGE032
：
Figure 230907DEST_PATH_IMAGE033
，
式中：
Figure 441308DEST_PATH_IMAGE034
为标准大气压下的热泵机组制热性能。
作为本发明的优选方案，所述步骤三之后还包括：绘制所述热泵机组性能修正系数
Figure 324951DEST_PATH_IMAGE035
与空气密度
Figure 283811DEST_PATH_IMAGE029
的关系曲线。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
1、本发明提出了一种空气密度对空气源热泵供热系统性能影响的仿真方法，能够计算得到不同空气密度下热泵供热系统性能的变化情况，特别适用于高海拔地区空气源热泵供热系统性能评价。
2、本发明提出的一种空气密度对空气源热泵供热系统性能影响的仿真方法，结合了Solkane软件和CoilDesigner软件的优点，不仅能够进行不同空气密度下热泵供热系统性能的计算，且能够进行热泵的整个压缩循环仿真计算，计算精度高，计算结果可靠。
附图说明
图1是本发明所述的一种空气密度对空气源热泵供热系统性能影响的仿真方法的流程示意图。
图2是在Solkane软件中建立的压缩循环模型示意图。
图3是在CoilDesigner软件中建立的蒸发器模型示意图。
图4是蒸发温度随密度变化（室外温度-20℃）的示意图。
图5是蒸发器侧室外空气温度变化（室外温度-20℃）的示意图。
图6是机组性能变化（室外温度-20℃）的示意图。
图7是不同空气密度下机组性能修正系数的示意图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明作详细的说明。
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
如图1所示，一种空气密度对空气源热泵供热系统性能影响的仿真方法，包括以下步骤：
步骤一：在Solkane软件中，建立热泵循环流程并输入压缩特征参数，压缩特征参数包括压缩机等熵效率、冷凝器温度、过冷度等；
给定蒸发温度初始值
Figure 252904DEST_PATH_IMAGE036
，并反馈给CoilDesigner软件中的蒸发温度
Figure 1417DEST_PATH_IMAGE037
作为输入参数。在Solkane软件中继续计算热泵循环流程，获得制冷剂流量
Figure 988833DEST_PATH_IMAGE038
，并反馈给CoilDesigner软件中的
Figure 367862DEST_PATH_IMAGE039
作为制冷剂流量输入参数，此时，在Solkane软件中计算得到初始计算的蒸发器吸热量
Figure 824251DEST_PATH_IMAGE040
。
在CoilDesigner软件中，建立热泵机组的蒸发器模型并输入室外气象参数，室外气象参数包括蒸发器工作地点的室外空气温度T、室外空气的相对湿度R、工作地点大气压力
Figure 861609DEST_PATH_IMAGE041
等。
工作地点大气压力
Figure 516581DEST_PATH_IMAGE041
为蒸发器工作地点的室外空气温度T、相对湿度R的工况下的大气压力，空气密度
Figure 332090DEST_PATH_IMAGE042
为与大气压力
Figure 262393DEST_PATH_IMAGE041
相关的参数，空气密度
Figure 555971DEST_PATH_IMAGE042
的计算式如下：
Figure 65450DEST_PATH_IMAGE043
，
式中，
Figure 537014DEST_PATH_IMAGE044
为标准大气压下的空气密度，1.3 kg/m3。
在某一些实施例中，在CoilDesigner软件中建立热泵机组的蒸发器模型包括输入准则关联式、换热铜管特性、肋片特性、铜管排列方式等。
CoilDesigner软件读取从Solkane软件反馈得到的蒸发温度
Figure 764733DEST_PATH_IMAGE037
与制冷剂流量
Figure 862002DEST_PATH_IMAGE039
，在CoilDesigner软件中计算得到初始的蒸发器吸热量
Figure 678517DEST_PATH_IMAGE045
。
步骤二：对耦合计算得到的蒸发器吸热量进行误差判断，
若
Figure 570250DEST_PATH_IMAGE046
，
Figure 285265DEST_PATH_IMAGE013
为允许误差，则输出热泵机组的制热量
Figure 671378DEST_PATH_IMAGE047
，蒸发器侧进出风温差
Figure 358711DEST_PATH_IMAGE007
和热泵机组功耗
Figure 421345DEST_PATH_IMAGE008
；
若
Figure 561339DEST_PATH_IMAGE048
，则返回步骤一调整Solkane软件中的蒸发温度
Figure 314925DEST_PATH_IMAGE049
，并重新反馈蒸发温度
Figure 856765DEST_PATH_IMAGE050
与制冷剂流量
Figure 90300DEST_PATH_IMAGE051
给CoilDesigner软件，循环计算，直至
Figure 468323DEST_PATH_IMAGE052
时，输出热泵机组的制热量
Figure 242244DEST_PATH_IMAGE047
，蒸发器侧进出风温差
Figure 638590DEST_PATH_IMAGE007
和热泵机组功耗
Figure 557874DEST_PATH_IMAGE008
；
其中，
Figure 469198DEST_PATH_IMAGE011
为Solkane软件第i次计算得到的蒸发器吸热量，
Figure 250072DEST_PATH_IMAGE012
为CoilDesigner软件第i次计算得到的蒸发器吸热量，
Figure 251657DEST_PATH_IMAGE049
为Solkane软件第i次输入的蒸发温度，
Figure 92574DEST_PATH_IMAGE050
为CoilDesigner软件第i次获得的Solkane软件反馈的蒸发温度，
Figure 694457DEST_PATH_IMAGE053
为Solkane软件第i次计算得到的制冷剂流量，
Figure 327957DEST_PATH_IMAGE051
为CoilDesigner软件第i次获得的Solkane软件反馈的制冷剂流量；制热量
Figure 698895DEST_PATH_IMAGE047
为计算误差符合要求后输出的机组制热量，由Solkane软件输出；
Figure 445135DEST_PATH_IMAGE008
为计算误差符合要求后输出的机组耗电功率，由Solkane软件输出，蒸发器侧进出风温差
Figure 268734DEST_PATH_IMAGE007
由CoilDesigner软件输出，单位为℃。
在某一些实施例中，允许误差
Figure 407722DEST_PATH_IMAGE013
的取值为小于或等于10%，可取为5%。
计算热泵机组制热性能
Figure 429905DEST_PATH_IMAGE009
，
Figure 612625DEST_PATH_IMAGE010
；
其中，
Figure 172788DEST_PATH_IMAGE054
为蒸发器侧空气的体积流量，m3/h，
Figure 895893DEST_PATH_IMAGE055
为室外蒸发器侧空气计算状态下的比热容，kJ/(kg·℃)。
步骤三：在CoilDesigner软件中改变工作地点大气压力
Figure 257736DEST_PATH_IMAGE056
（即改变了空气密度
Figure 611357DEST_PATH_IMAGE057
），得到在不同空气密度
Figure 409548DEST_PATH_IMAGE057
下的热泵机组制热性能
Figure 934681DEST_PATH_IMAGE009
。
在某一些实施例中，步骤三之后还包括：绘制热泵机组的制热量
Figure 869139DEST_PATH_IMAGE047
与空气密度
Figure 659241DEST_PATH_IMAGE057
的关系曲线，蒸发器侧进出风温差
Figure 226620DEST_PATH_IMAGE007
和与空气密度
Figure 760369DEST_PATH_IMAGE057
的关系曲线，热泵机组功耗
Figure 814913DEST_PATH_IMAGE008
与空气密度
Figure 244757DEST_PATH_IMAGE057
的关系曲线。
以某厂家制热量为16kW的热泵机组为例进行计算分析，在Solkane软件中建立压缩循环模型如图2所示，在CoilDesigner软件中建立蒸发器模型如图3所示。
在室外空气相对湿度80%，温度-20℃工况下，不同空气密度下蒸发温度变化如图4-6所示，对热泵机组而言，空气密度从1.3下降至0.79，蒸发温度降低了1.6℃，蒸发温度降低，导致出风温度也相应下降，下降幅度基本对应，但由于蒸发器侧风量足够，故空气温度下降幅度较小。在保持供热量不变的情况下，当空气密度减小时，虽然室外蒸发器侧质量流量有所减少，但机组运行时通过降低蒸发温度来增加吸热量，空气密度变化对机组制热性能影响并不大，压缩机功率呈增加趋势，从6.37kW增加到6.56，机组COP从2.41降低到了2.37。
实施例2
本实施例在实施例1的基础上，在步骤三之后还包括：计算不同空气密度下的热泵机组性能修正系数，并绘制热泵机组性能修正系数
Figure 266809DEST_PATH_IMAGE032
与空气密度
Figure 869828DEST_PATH_IMAGE057
的关系曲线：
Figure 326348DEST_PATH_IMAGE033
，
式中：
Figure 192673DEST_PATH_IMAGE058
为标准大气压下的热泵机组制热性能。
以空气密度为1.3kg/m3，室外温度为7℃，相对湿度为80%的工况下机组性能为基准，可以得到不同温度工况下，空气密度变化对热泵机组性能的影响，如图7所示。
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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种空气密度对空气源热泵供热系统性能影响的仿真方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：在Solkane软件中，建立热泵循环流程并输入压缩特征参数，输入蒸发温度，在Solkane软件计算得到第i次制冷剂流量和蒸发器吸热量
Figure DEST_PATH_IMAGE001
，
在CoilDesigner软件中，建立热泵机组的蒸发器模型并输入室外气象参数，所述室外气象参数包括蒸发器工作地点的室外空气温度T、室外空气的相对湿度R、工作地点大气压力
Figure DEST_PATH_IMAGE002
，读取从Solkane软件反馈得到的蒸发温度与制冷剂流量，在CoilDesigner软件中计算得到第i次蒸发器吸热量
Figure DEST_PATH_IMAGE003
；
步骤二：对耦合计算得到的蒸发器吸热量进行误差判断，若
Figure DEST_PATH_IMAGE004
，则返回步骤一调整Solkane软件中的蒸发温度，并重新反馈蒸发温度与制冷剂流量给CoilDesigner软件，循环计算，直至
Figure DEST_PATH_IMAGE005
时，输出热泵机组的制热量
Figure DEST_PATH_IMAGE006
，蒸发器侧进出风温差
Figure DEST_PATH_IMAGE007
和热泵机组功耗
Figure DEST_PATH_IMAGE008
；
计算热泵机组制热性能
Figure DEST_PATH_IMAGE009
，
Figure DEST_PATH_IMAGE010
；
式中，
Figure DEST_PATH_IMAGE011
为Solkane软件计算得到的第i次蒸发器吸热量，
Figure DEST_PATH_IMAGE012
为CoilDesigner软件计算得到的第i次蒸发器吸热量，
Figure DEST_PATH_IMAGE013
为允许误差，
Figure DEST_PATH_IMAGE014
为蒸发器侧空气的体积流量，
Figure DEST_PATH_IMAGE015
为室外蒸发器侧空气计算状态下的比热容；
步骤三：在CoilDesigner软件中改变工作地点大气压力
Figure DEST_PATH_IMAGE016
，得到在不同空气密度
Figure DEST_PATH_IMAGE017
下的热泵机组制热性能
Figure DEST_PATH_IMAGE018
。
2.根据权利要求1所述的一种空气密度对空气源热泵供热系统性能影响的仿真方法，其特征在于，所述压缩特征参数包括压缩机等熵效率、冷凝器温度、和过冷度。
3.根据权利要求1所述的一种空气密度对空气源热泵供热系统性能影响的仿真方法，其特征在于，在CoilDesigner软件中建立热泵机组的蒸发器模型包括输入准则关联式、换热铜管特性、肋片特性和铜管排列方式。
4.根据权利要求1所述的一种空气密度对空气源热泵供热系统性能影响的仿真方法，其特征在于，所述工作地点大气压力
Figure DEST_PATH_IMAGE019
为蒸发器工作地点的室外空气温度T、相对湿度R的工况下的大气压力。
5.根据权利要求4所述的一种空气密度对空气源热泵供热系统性能影响的仿真方法，其特征在于，所述空气密度
Figure DEST_PATH_IMAGE020
的计算式如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE021
，
式中，
Figure DEST_PATH_IMAGE022
为标准大气压下的空气密度，1.3 kg/m3。
6.根据权利要求1所述的一种空气密度对空气源热泵供热系统性能影响的仿真方法，其特征在于，所述允许误差
Figure DEST_PATH_IMAGE023
的取值为小于或等于10%。
7.根据权利要求1所述的一种空气密度对空气源热泵供热系统性能影响的仿真方法，其特征在于，所述热泵机组的制热量
Figure DEST_PATH_IMAGE024
的取值为符合误差判断时的
Figure DEST_PATH_IMAGE025
，蒸发器所述侧进出风温差
Figure DEST_PATH_IMAGE026
由CoilDesigner软件输出，所述热泵机组功耗
Figure DEST_PATH_IMAGE027
由Solkane软件输出。
8.根据权利要求1-7任一所述的一种空气密度对空气源热泵供热系统性能影响的仿真方法，其特征在于，所述步骤三之后还包括：绘制热泵机组的制热量
Figure DEST_PATH_IMAGE028
与空气密度
Figure DEST_PATH_IMAGE029
的关系曲线，蒸发器侧进出风温差
Figure DEST_PATH_IMAGE030
和与空气密度
Figure 831097DEST_PATH_IMAGE029
的关系曲线，热泵机组功耗
Figure DEST_PATH_IMAGE031
与空气密度
Figure 76133DEST_PATH_IMAGE029
的关系曲线。
9.根据权利要求1-7任一所述的一种空气密度对空气源热泵供热系统性能影响的仿真方法，其特征在于，所述步骤三之后还包括：计算不同空气密度下的热泵机组性能修正系数
Figure DEST_PATH_IMAGE032
：
Figure DEST_PATH_IMAGE033
，
式中：
Figure DEST_PATH_IMAGE034
为标准大气压下的热泵机组制热性能。
10.根据权利要求9所述的一种空气密度对空气源热泵供热系统性能影响的仿真方法，其特征在于，所述步骤三之后还包括：绘制所述热泵机组性能修正系数
Figure DEST_PATH_IMAGE035
与空气密度
Figure 535100DEST_PATH_IMAGE029
的关系曲线。
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