对复叠式热泵热水系统准稳态分析的性能研究

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1、对复叠式热泵热水系统准稳态分析的性能研究摘要:复叠式制冷系统已用于热泵热水器以克服低温环境下高压缩比问题。在研究中，对级联热泵热水系统进行研究与准稳态分析，找出了系统的瞬态行为。水加热系统是采用了R134a和R410a作为制冷剂和水存储罐组成的热泵热水器。稳态复叠式热泵模型是基于实验结果建立，动态存储罐模型开发由热力学方程建立。该模型的计算与系统性能相关的几个主要参数，如加热容量，功耗，COP（性能系数），和储存罐中的温度分布。此外，该系统研究在各种条件下环境温度和热水需求对性能的影响。关键词：复叠式制冷系统热泵热水器数值模

2、拟准稳态系统性能0.引言随着时代的发展，科技成功的改善人类的生活，但全球能量也随之剧烈消耗。在韩国，能源消费总量已经从193百万吨油当量（2000）增长到263百万吨油当量（2010）[1]。由于能源消耗的不断增长，节能也引起人们的跟多关注，并创出各种技术以更有效的利用能源。热泵热水被称为空气—水热泵，也有节能的功能，与传统的电热水器相比，它可以有热水的两到三倍高效率的潜力[2]。然而，如在其它热泵工作的情况下，热泵热水器有一个临界值的弱点，性能的下降与寒冷区域的效率问题[3]。这个问题如果考虑到空气-水热泵具有比由于热水需

3、要被供给的温度等热泵更大的声压比的事实就更糟糕。因此，许多研究人员试图克服这一障碍的方法也各有不同。现在，R134a—R410a级联循环已经引入热泵热水器[4]。级联系统使热泵热水器的重负载被分配到两个不同的制冷循环，可以用一个公平的环境进行操作。一些研究已经进行分析了级联热泵热水器的性能，并优化它们。Park等人[5]将之安装在韩国的三个参考网站监控级联热泵热水系统的性能。他们证实该系统可以在数月里以大约2.1的总COP（性能系数）提供热水，包括冬季。Kim等[6]研究了级联热泵的压缩机运行方法。他们专注于填补储罐用热水的

4、热泵热水器的情况。在给定的操作条件下，两种策略进行比较，以找出哪一个是更好实现高效率。Park等人[7]进行了实验，得到了级联热泵热水器的最佳中间温度。他们通过使系统达到最高效率的最佳温度，并建立一定的相关性的方法，找出温度。Wu等人[2]设计采用相变材料储热设计级联热泵热水器，讨论了级联系统和单级系统之间的差异。此外，他们通过比较有无使用相变材料使用的水箱之间的能量性能了解相变材料。Jung等人[8]通过实验比较了级联热泵热水器和单级热泵。他们发现，级联系统有更稳定的操作和更高的水出口温度。然而，很少研究者会进行计算级联热

5、泵热水器的动态性能，即使该系统很少用在一个稳定的状态中。因此，这个模型在各种条件下的操作结果是必需的。在本文中，通过准稳态分析的数值对级联热泵热水器与储水罐的性能研究，为配合大量来自于级联系统的复杂性和运行长时间范围内计算，准稳态分析采用热泵和储罐瞬态模型稳态模型。通过重复的在一定时间间隔测量热泵和储水罐，来得到实验的主要性能参数，如加热容量，压缩机工作数据，COP，并且在所述存储罐中的温度分布中得到。此外，热水需求和环境温度的对系统的影响也在韩国各种条件的实际情况下进行了研究。0.系统说明图1描绘了级联热泵热水系统，如前所

6、述，这种级联系统采用R134a为高温循环制冷剂，以R410a为低温循环制冷剂。高温循环中R134a的流动与R410a循环中通过一个级联式热交换器传递热量。当然还有其他的设备中的水加热系统，也就是储水槽。储水槽作为热泵和水龙头在房间里的缓冲区。水流从储水罐的底部流入热泵，带走热量再从顶部流出。从水箱上部流出的水量和下部流入的水量相同。研究是对15KW的热泵热水器和350L的储水罐进行的。图1级联热泵热水系统的示意图0.该系统的数学模型0.1级联热泵热水器的建模复叠式制冷系统建模仅供稳定状态，详细的模拟需要相当多的时间[9]。因

7、此，在这项研究中，简化了静态模型，包括从实验结果数的相关性的应用。和它们最相关的系数的类型是从结果分析，得到与之相同的实验数据[10]。对于压缩机，制冷剂的质量流量和压缩机的工作情况是可以与某些类型的多项式方程相同，这些方程中吸入压力，排出压力和压缩机的频率作为变量来计算。（1）（2）该实验的相关性[11]通过电子膨胀阀的质量流量（EEVs）确定的，其由下式表示：(3)(4)传热量是根据各传热器传热系数和传热面积乘积的总和。（5）（6）（7）尽管在热交换器中有多个参数影响传热速率，这些变量被给定了四个定值。另外，过热度和过冷

8、度将通过简单的迭代过程在计算过程中获得。方程（1）-（7）所有系数都可在表一中查到。表1回归模型的复叠式热泵热水器的系数0.1储水罐的建模由于一维模型的简单性和节约性被用于储热水箱的建模。此外，位移混合模型其中假定的入口或出口水被相等地分布为几个控制量，控制量采用以处理水的流入和流出为适宜