低溫環(huán)境中空氣源熱泵機(jī)組的優(yōu)化探討

1、    低溫環(huán)境中空氣源熱泵機(jī)組的優(yōu)化探討    董小姣摘要：本文以北京冬天的氣溫為例，對(duì)單/雙級(jí)混合空氣源機(jī)組中的三通道套管換熱器面積進(jìn)行優(yōu)化，通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬仿真發(fā)現(xiàn)以經(jīng)濟(jì)參數(shù)f最優(yōu)為條件，三通道套管換熱器的最具有價(jià)值的換熱尺寸長(zhǎng)度為5m。關(guān)鍵詞：?jiǎn)?雙級(jí)復(fù)疊，空氣源熱泵，三通道套管，優(yōu)化中圖分類號(hào)：q938.1+4文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：a 文章編號(hào)：1引言熱泵空調(diào)技術(shù)，是一種有效的節(jié)能技術(shù)。熱泵是一種以消耗部分能量作為補(bǔ)償條件使熱量從低溫物體轉(zhuǎn)移到高溫物體的能量利用裝置，它可以大大降低一次能源的能耗。本文以單雙級(jí)混合復(fù)疊空氣源熱泵機(jī)組為例，利用vb語(yǔ)言模擬了該

2、機(jī)組在北京冬天的運(yùn)行情況。通過(guò)對(duì)機(jī)組中三通道套管換熱器換熱面積的優(yōu)化，以經(jīng)濟(jì)參數(shù)f最優(yōu)為條件，計(jì)算了三通道套管換熱器的最具有價(jià)值的換熱尺寸長(zhǎng)度，實(shí)現(xiàn)了機(jī)組在高效率的運(yùn)行情況下節(jié)約成本。2 模型介紹本文的空氣源熱泵機(jī)組模型主要由壓縮機(jī)、冷凝器、蒸發(fā)器、三通道套管換熱器、節(jié)流閥等5個(gè)模塊構(gòu)成，下面對(duì)主要模塊的計(jì)算模型分別進(jìn)行介紹。本模型選用的是全封閉滾動(dòng)轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)，其計(jì)算模型如下。壓縮機(jī)的理論功率：壓縮機(jī)的輸入功率：壓縮機(jī)的實(shí)際排氣焓值：其中為導(dǎo)熱系數(shù)，為蒸發(fā)壓力，為冷凝壓力，k為制冷劑多變指數(shù)，為蒸發(fā)效率， 為冷凝效率，為制冷劑質(zhì)量流量，為壓縮機(jī)吸氣比焓。模型中共有三個(gè)換熱器：冷凝器、風(fēng)冷蒸發(fā)

3、器和三通道套管換熱器。主要基于以下假設(shè)：1)制冷劑在各個(gè)相區(qū)的流動(dòng)均為一維流動(dòng)，并且不考慮壓降。管外空氣、水的流動(dòng)也視為一維流動(dòng)；2)由于管壁熱阻比管內(nèi)外的熱阻小得多，忽略管壁熱阻。并且忽略制冷劑油膜、水側(cè)結(jié)垢、空氣側(cè)灰塵的熱阻；3)制冷劑與空氣、水處于逆流狀態(tài)。風(fēng)冷蒸發(fā)器模型在蒸發(fā)器的制冷劑側(cè)存在的相區(qū)是：兩相區(qū)和過(guò)熱區(qū)，空氣側(cè)是濕空氣的析濕過(guò)程。其計(jì)算方程如下。換熱方程制冷劑側(cè)：空氣側(cè)：空氣側(cè)與制冷劑側(cè)的換熱量關(guān)系：換熱溫差：其中為管內(nèi)表面換熱系數(shù)，為管內(nèi)側(cè)面積，為水溫，為制冷劑平均溫度，為空氣流入時(shí)的溫度，為空氣流出時(shí)的溫度，析濕系數(shù)；為定壓比熱，為空氣質(zhì)量流量，為漏熱系數(shù)，為空氣在流動(dòng)

4、中間點(diǎn)的溫度，為水在流動(dòng)中間點(diǎn)的溫度，為水流出時(shí)的溫度。模型中的冷凝器采用套管式冷凝器。在冷凝器中存在三個(gè)相區(qū)的變化：過(guò)熱區(qū)、兩相區(qū)、過(guò)冷區(qū)，水側(cè)是單相液態(tài)的水溫變化。其計(jì)算方程如下。換熱方程制冷劑側(cè)：水側(cè)：制冷劑側(cè)與水側(cè)的換熱量關(guān)系：其中為制冷劑的冷凝質(zhì)量，為制冷劑流入時(shí)的焓值，為制冷劑流出時(shí)的焓值，為水的質(zhì)量，為水的定壓比熱，為水的蒸發(fā)溫度，為水的流入溫度。在三通道套管換熱器中，當(dāng)系統(tǒng)在單級(jí)制熱運(yùn)行模式時(shí)，它的換熱方程及其模型與上述的冷凝器類似。當(dāng)系統(tǒng)在雙級(jí)制熱模式下運(yùn)行時(shí)，則套管中1個(gè)管道不走水，其余兩個(gè)管道一個(gè)是制冷劑蒸發(fā)，另一個(gè)是制冷劑冷凝。換熱方程蒸發(fā)側(cè)：冷凝側(cè)：蒸發(fā)側(cè)與冷凝側(cè)的換

5、熱量關(guān)系：其中為制冷劑的流出質(zhì)量，為管道蒸發(fā)側(cè)流出的制冷劑焓值，為管道蒸發(fā)側(cè)流入的制冷劑焓值，為管道冷凝側(cè)流出的制冷劑焓值，為管道冷凝側(cè)流入的制冷劑焓值。由于節(jié)流閥前后焓值不變，所以節(jié)流裝置的計(jì)算模型為。本文熱泵機(jī)組模型采用單雙級(jí)切換的模式，因此需要單級(jí)運(yùn)行算法和雙級(jí)復(fù)疊運(yùn)行算法，程序流程如圖1所示。單級(jí)運(yùn)行模擬流程圖（b）雙級(jí)運(yùn)行模擬流程圖圖1 模型程序流程圖3優(yōu)化計(jì)算3.1 優(yōu)化方法本文采用akodal提出的熱經(jīng)濟(jì)學(xué)優(yōu)化目標(biāo)方程，其優(yōu)化方法為以經(jīng)濟(jì)參數(shù)f為目標(biāo)函數(shù)，對(duì)熱泵系統(tǒng)優(yōu)化過(guò)程建立模型，分析各個(gè)變量對(duì)f的影響。以過(guò)兩器面積、水泵水流量、過(guò)熱度等因素對(duì)系統(tǒng)的影響，以便更全面地反映系統(tǒng)性

6、能并達(dá)到節(jié)能節(jié)材的目標(biāo)。經(jīng)濟(jì)參數(shù)f的具體形式如下：其中為每元投資的資本產(chǎn)出的熱量；為熱泵提供的熱量；為系統(tǒng)的年投資總成本，；為熱泵系統(tǒng)的運(yùn)行費(fèi)用，；i是年利率，是系統(tǒng)的總初投資，包括壓縮機(jī)、換熱器、膨脹裝置等主要系統(tǒng)組成部件。為熱泵系統(tǒng)每小時(shí)提供的熱量；為年運(yùn)行小時(shí)數(shù)；為輸入電能的電價(jià)。3.2 參數(shù)選擇本文選用了2匹的機(jī)型設(shè)計(jì)，選定壓縮機(jī)的價(jià)格：250元/kw，冷凝器：1000元/m2，蒸發(fā)器：400元/m2，膨脹閥60元/個(gè)。三套管換熱器的每平方米的價(jià)格是1000元/m2。年利率i是5%，電價(jià)0.6元/kw.h，使用壽命15年。模型中蒸發(fā)器面積=0.95m2，冷凝器面積=0.173 m2，三通道套管換熱器面積=0.276*l，機(jī)組單/雙級(jí)運(yùn)行切換條件：環(huán)境溫度是0。用dest軟件得到北京地區(qū)代表的溫度分布，具體如表1所示，以此來(lái)對(duì)單/雙級(jí)混合復(fù)疊空氣源熱泵機(jī)組中三通道換熱器的面積進(jìn)行綜合優(yōu)化。表1 北京冬季室外溫度小時(shí)分布表其中為在節(jié)點(diǎn)區(qū)間內(nèi)的室外溫度小時(shí)數(shù)。4計(jì)算結(jié)果及結(jié)論圖2 經(jīng)濟(jì)參數(shù)與換熱面積的關(guān)系圖 圖3seer與換熱面積的關(guān)系圖4 經(jīng)濟(jì)參數(shù)與cop的關(guān)系由圖4可以看到機(jī)組的cop隨著換熱面積的增加一直增加，但是經(jīng)濟(jì)參數(shù)f在三套管換熱器總面積增到2.76-2.82m2時(shí)就不再增加，證明面積在增加時(shí)，投資增加的