空气源热泵热水器的准稳态模型

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1、空气源热泵热水器的准稳态模型作者FaroukFardouna,OussamaIbrahima,AssaadZoughaibb摘要热泵系统可以在大量的应用中被发现。其中之一是生产生活热水。本文提出了一种准稳态仿真模型来预测一个简单的空气源热泵热水器（ASHPWH）的性能。数学模型包括了基本的系统组件模型，即，蒸发器，冷凝器，压缩机和膨胀阀。这些模型的建立是基于传热和热力学的基本原则。该模型被编码到MATLAB软件和用于预测系统参数的效益，如热水温度，蒸发和冷凝压力，未传递给冷凝器的热量，电功率输入，供

2、热季节的性能系数，和性能系数。1.介绍有关能源危机和气候变化问题在过去十年中显著上升，并且作为一个主要问题阻碍了许多国家社会经济的发展。这些问题严重影响着能源需求和环境安全，并且由于地中海区域较高的自然气候变化率和其独特的地理位置，这些问题显得尤为重要。在此基础上，寻找新的无污染能源来确保地中海区域可持续的未来是相关政府部门的一个主要目标。热泵是一种高效的机械设备，它通过采用可再生能源如太阳能，周围空气能，地热能或废热产生低污染物的热量。空气源热泵热水器（ASHPWH），基于卡诺循环的原理，可以在较

3、低的温度下从空气中吸收热量，并将其转移到一个水箱——一个处于较高温度的吸热设备。用于消耗来驱动系统的机械能仅仅是所传送能量的一小部分。（约30%）专业术语LLLibaneseLiraA面积[m2]标识U传热系数[w/m2k]1,2,3第1，第2，第3区LMTD平均温差[k]e蒸发器C热容[w/k]c冷凝器Cp比热[J/kg℃]k压缩机h焓[J/kg]v阀ρ密度[kg/m3]f饱和液体P压强[pa]g饱和气体η效率i内部m质量[kg]o外部qm质量流量[kg/s]w水ω转速[rps]r制冷剂V体积[m

4、3]R水库Q,q热量[w]mec,ele机电T温度[K]vol体积热泵已经开发拓展到很多种形式，但很少涉及热泵热水器。Fu等人[1]提出了用具有四个步骤的能力的螺杆式压缩机的空气—水的双模式热泵的动态模型。研究了添加额外的压缩机容量分段方式的动态响应。MacArthur和Grald[2]提出了一个蒸汽压缩热泵模型。该换热器有着详细的分布配方作为蓝本，而膨胀器件被建模为一个简单的固定节流孔。Kima等人[3]提出了一种热泵驱动的热水器系统的动态模型，采用有限体积法来描述该热交换器。Techarungp

5、aisan等人[4]提出了一种稳态仿真模型来预测一个配有集成热水器的小型分体式空调机的综合性能。模型采用的是旋转式压缩机和毛细管。2.数学模型一个典型的空气源热泵热水器被应用到了这项研究中（图1）。它是由热泵系统的主要组件所构成，即压缩机，蒸发器，冷凝器和节流装置包括了热水储存装置。在模拟的压缩机中，简单稳态模型采用适当的容积效率和压缩过程被假定为是绝热的以等熵效率。一个电子膨胀阀被用来控制蒸发器出口的过热度。膨胀过程被认为是等焓的。关于热交换器，采用的是对数平均温差法(LMTD)和传热单元数法(N

6、TU-ε)。蒸发器的模型是一个由管子和散热片组成的热交换器，而逆流方向的同心管的热交换器的模型被选择为冷凝器。两个热交换器被假定为是长的，薄的，水平管道，与此同时忽略制冷剂在管路中的轴向流动和沿着热交换器管路的压降。平均空隙率[5]用于计算在两相区的流体性质，而平均性质则被假定在单相区。图12.1.压缩机有三个关键参数与压缩机模型的性能相关：质量流量（mk），出口焓值（hk,out），和输入功率（Wk），这些是由方程（1），（2），和（3）分别给出的：式中，（1）（2）（3）2.2.膨胀阀有两个关键

7、的参数预计出阀模型：质量流量和出口焓这是由方程（4）及（5）分别给出。式中（4）（5）2.3.冷凝器冷凝器被分为三个区域，即过热区，两相区和过冷区。每个区域都有集总参数。传热率（qc1），出口水温和过热区的面积是分别是从方程（6），（7）与（8）计算得出。（6）（7）式中（8）传热速率（qc2），出口水温和的两相区的面积采用过热区相同的方式计算。过冷区的面积是从之前的区域面积推算得到：，然后这个区域的传热单元数（NTU）和效率系数（ε）方程（9）和（10）中分别计算得出。接着，最大和实际传热率将从从

8、方程（11）和（12）分别计算得出。（9）式中（10）（11）（12）最后，制冷剂与水在冷凝器出口温度是从方程（13）和（14）分别计算得出。（13）（14）因此冷凝器的总传热率是：。注意，一个区域的出口水温等于下一个区域的进水温度.在相同的方法下，蒸发器被分成两个区，即两相和过热区并且几乎采用在冷凝器用的相同计算过程。2.4.贮液器热水贮存器存储被加热的水准备好被提供给需求站点。为了建造模型，以下制造了几个假设：（1）热水容器中是均匀温度（不考虑分层），（2）从容器