住宅用小型水源热泵机组动态性能实验研究

筑龙网WWW.ZHULONG.COM1住宅用小型水源热泵机组动态性能实验研究摘要：利用FlukeDAQv2.0软件及其自带的数据采集器对自行设计开发的10kW住宅用小型水源热泵机组的启、停机以及稳定运行工况进行实时监测、控制、，通过与计算机接口输出得到该机组在各工况下的可视化动态性能曲线。对实验所测的输出数据进行进一步的分析、计算，得到该机组启动和停机过程中温度和压力的逐时变化曲线，对产生变化的原因及影响因素进行了分析，最终得到该机组的制冷系数、制热系数以及COP值。说明该家用小型水源热泵推广的可行性和开发为系列产品的必要性。关键词：住宅水源热泵动态性能曲线COP1引言近年来，随着建筑能耗的逐年上升和人们对于室内环境舒适度要求的不断提高，具有显著节能效果的热泵技术越来越受到普遍的关注。从世界范围看，空气源热泵已处于成熟期，而空气源热泵的性能受外界气温的影响较大，并且当气温过高或过低时还会出现不能正常运行的情况。于是就出现了以水作为冷热源的水源热泵[2]。由于水体温度比大气温度要相对稳定得多，水源热泵系统可以获得较高的COP（CoefficientofPerformance）值，也就是获得较高的能源利用效率[4]。国内对水源热系统多限于经济性方面和稳态特性方面的研究，对其本身的运行特性，例如机组的动态特性、部分负荷情况下的能耗变化等还缺乏必要的资料，使得该系统在应用和推广上受到一定的限制。为了解决上述问题，我们自行设计、开发了10kW小型水源热泵机组（见图1），并搭建了该机组的性能研究实验台，采用理论分析与实验相结合的方法，对机组的动态性能和运行进行分析研究。筑龙网WWW.ZHULONG.COM22系统介绍该住宅用小型水源热泵机组由压缩机、冷凝器、蒸发器、节流装置、四通换向阀和水系统组成（见图2）。图2水源热泵系统原理图1、涡旋式压缩机2、板式换热器3、毛细管4、四通换向阀5、膨胀水箱6、风机盘管7、冷却水循环水泵8、冷水循环水泵9、水流开关由于本试验重点研究的是地上机组的运行状况，为降低试验台成本、缩短试验台搭建时间，采用一台活塞式冷水机组和一台10kW电加热器串联为试验台提供7℃~25℃冷却（热源）用水，用以模拟地下水源出水工况。整套实验装置就是由相对比较独立的四个部分——热泵机组、冷却水模拟系统、室内负荷模拟系统、参数测量和数据处理系统组成。3实验参数测量仪器压力传感器：测量精度0.05%（F.S），输出标准信号0～90mV（dc），使用前经天津市计量技术研究所检验校正；温度传感器：在热泵系统的冷凝器、蒸发器进出口的制冷剂管路和水管路上埋设热电偶接口。热电偶直接接至数据采集器。为满足测量的快速与准确，试验全部采用经过严格校正的K型铜－康铜热电偶，测量精度0.3%；筑龙网WWW.ZHULONG.COM3流量测量：采用英国Micronica公司生产的小管径专用超声波流量计；功率测量：主要包括压缩机、冷却水循环水泵、冷冻水循环水泵和风机盘管。测试仪器为单相功率表。数据采集、记录：该机组采用美国福禄克（Fluke）公司2680ADataAcquisitionSystem（DAS）数据采集系统和2686ADataLoggingSystem（DLS）数据记录系统，与该公司开发的FlukeDAQv2.0软件相结合，能完成实时采集数据及生成图表并管理PC卡文件的功能。图3为试验实测输出的机组动态性能曲线。4实验数据整理4.1启动工况4.1.1夏季工况图4冷凝压力、蒸发压力与时间的关系图图5冷凝温度、蒸发温度与时间的关系图筑龙网WWW.ZHULONG.COM44.1.2冬季工况图4和图5分别表示了冷凝压力、蒸发压力、冷凝温度、蒸发温度在启动后随时间的变化曲线。相对应的机组运行参数：冷水平均进出口温度6.4℃/12℃，冷却水平均进出口温度16.7℃/26.6℃，二者均保持流量稳定；室内温度16.3℃。从图中可以看出，蒸发压力、冷凝压力在系统启动大约在120秒后，达到相对稳定状态；而冷凝温度、蒸发温度在系统启动大约180秒后才能达到相对稳定状态。由于压力传递的信号是实时的，而温度的传递包括以下两个方面：一是制冷剂在压缩机中被压缩过程中，气体内部以及气体与气缸壁之间的摩擦，和气体与外部的热交换；二是制冷剂通过管道、冷凝器和蒸发器等设备时，制冷剂与管壁之间的摩擦与外部热交换[6]，尤其与外部的热交换过程需要一定的时间，这也就是冷凝温度、蒸发温度在开机达到稳定的曲线与冷凝温度、蒸发温度的曲线尽管相似，但是在时间上会有所延迟的主要原因。与其它容积式压缩机一样，涡旋式压缩机的控制容积也要通过吸、排气通道，以及有相对运动表面间的间隙与外界进行质量交换。压缩机中这样的质量交换过程中的工质流动是非常复杂的。首先这些流动过程中总伴随有流动阻力和瞬间不稳定的热交换；其次工质虽然是制冷剂和润滑油的混合物，但在流动过程中其形态和成分是变化的，因此准确描述上述流动过程是十分困难的[5]。图6和图7分别表示了冬季工况下冷凝压力、蒸发压力、冷凝温度、蒸发温度在启动后随时间的变化曲线。变化情况与夏季工况基本相似，只是达到稳定的时间缩短了60秒左右。冬季实验运行工况(蒸发器进水温度9℃，冷凝器出水温度45℃)条件下，该住宅用水源热泵机组制热量为12.6kW，输入功率3.02kW,性能系数COP等于4.2。筑龙网WWW.ZHULONG.COM54.2停机工况在热泵使用过程中压缩机从正常制冷（制热）工作到停机，到再次启动，冷凝压力和蒸发压力接近平衡时间也是我们最关心的。所以本文对停机后的情况不作过多描述，图8和图9是冷凝压力、蒸发压力、冷凝温度、蒸发温度在停机前后随时间的变化曲线。4.3性能系数与时间的关系制冷系数和COP值在机组启动过程中也有类似于正弦波的变化趋势。随着时间的推移振幅逐渐减小并沿稳定曲线上下波动。图10制冷系数、COP与时间的关系图，图11制热系数、COP与时间的关系图。制热系数和COP值的变化趋势类似于夏季工况的变化趋势，但冬季工况的性能系数明显优于夏季工况的性能系数，平均差值在0.6～1.2之间，因此也从实验的角度验证了：对于同一台制冷机，制热系数＝制冷系数＋1。5结论本文采用理论分析与试验验证相结合的方法，对自行设计开发的住宅用水源热泵机组的动态性能进行分析，机组具有运行性能稳定、体积小、便于操作等优点。随着我国城市化进程的不断推进，人民的物质生活水平的不断提高，具有明显节能效果的热泵系统将会得到广泛的应用，其完备性、实用性仍有待进一步的筑龙网WWW.ZHULONG.COM6提高。要使热泵产品更上一个台阶，就必须着重发展我们的压缩机技术、提高换热器性能的技术、热泵工质、智能控制技术等。参考文献1王勇，刘宪英．地源热泵及地下蓄能系统的实验研究．暖通空调，2003，33（5）：21-232阳季春．水源热泵在住宅空调中应用的节能分析．煤炭技术，2003（4）：83-843李志浩．2002年全国暖通空调制冷学术年会综述．暖通空调，2003，33（2）：1-144马最良．闭式环路水源热泵空调系统运行能耗的计算机动态模拟分析．哈尔滨建筑大学学报，1998，31（3）：57-635杨晨，何祖威，黄兰晴．建模与仿真在空调压缩机虚拟样机开发中的应用．计算机仿真，2003，20（3）：58-626彦启森．空气调节用制冷技术．北京：中国建筑工业出版社，1985