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单双级混合复叠空气源热泵机组仿真研究 　　摘要：热泵机组的仿真是研究空调的重要手段之一。本文对以三通道套管换热器为连接的单/双级可切换运行的机组模型进行了模拟仿真。其中计算机仿真的程序模块包括压缩机、冷凝器、蒸发器、三通道套管换热器、节流阀等。通过对比发现了单双级机组各自的优势，同时也证明了本文采用的可切换模型在实际使用中更有效率。 　　关键：单/双级复叠，空气源热泵，三通道套管，仿真计算 　　中图分类号：Q938.1+4文献标识码：A 文章编号： 　　1引言 　　20世纪70年代末80年代初，基于计算机平台的空调装置仿真技术开始兴起。其中热泵机组的仿真技术由于可以预言系统的能耗，优化运行方案，减少实验所消耗的大量经费与时间，因此受到了广泛的关注，热泵机组的仿真研究也成为了空调仿真技术的重点之一。 　　国外经典机组模型可按三大类来介绍：经验模型，半经验模型，理论模型。经验型有Allen[1]提出的活塞式冷水机组的稳态模型，这种模型是整体模型，没有对四大部件分别建模。而半经验型有J.M.Gordon[2]建立的一种简单的离心式制冷机组的稳态模型，通过这种模型发现1/COP与1/Q成线性关系，纠正了COP在负荷为50%-80%时是最大的结论。理论模型则有Kourty[3]对蒸汽压缩式制冷系统的瞬态与稳态进行了模拟，研究结果发现改变压缩机的转速和调节节流面积可影响到机组的COP值。 　　鉴于空气源热泵在低温情况下的应用受到一定的限制，本文以单级空气源热泵机组为基础，建立了以三通道套管换热器为连接的单/双级可以切换运行的机组模型，并利用VB语言对模型进行了模拟。模拟发现了这两种运行模式各自的优势，也证明了这种可切换的热泵机组具有更高的运行效率。 　　2 模型介绍 　　本文的空气源热泵机组模型主要由压缩机、冷凝器、蒸发器、三通道套管换热器、节流阀等5个模块构成，下面对主要模块的计算模型分别进行介绍。 　　本模型选用的是全封闭滚动转子式压缩机，其计算如下。 　　压缩机的理论功率： 　　压缩机的输入功率： 　　压缩机的实际排气焓值： 　　其中 为导热系数， 为蒸发压力， 为冷凝压力，k为制冷剂多变指数， 为蒸发效率，为冷凝效率， 为制冷剂质量流量， 为压缩机吸气比焓。 　　模型中共有三个换热器：冷凝器、风冷蒸发器和三通道套管换热器。主要基于以下假设：1)制冷剂在各个相区的流动均为一维流动，并且不考虑压降。管外空气、水的流动也视为一维流动；2)由于管壁热阻比管内外的热阻小得多，忽略管壁热阻。并且忽略制冷剂油膜、水侧结垢、空气侧灰尘的热阻；3)制冷剂与空气、水处于逆流状态。 　　风冷蒸发器模型在蒸发器的制冷剂侧存在的相区是：两相区和过热区，空气侧是湿空气的析湿过程。其计算方程如下。 　　换热方程 　　制冷剂侧： 　　空气侧： 　　空气侧与制冷剂侧的换热量关系： 　　换热温差： 　　其中 为管内表面换热系数， 为管内侧面积， 为水温， 为制冷剂平均温度， 为空气流入时的温度， 为空气流出时的温度， 析湿系数； 为定压比热， 为空气质量流量， 为漏热系数， 为空气在流动中间点的温度， 为水在流动中间点的温度， 为水流出时的温度。 　　模型中的冷凝器采用套管式冷凝器。在冷凝器中存在三个相区的变化：过热区、两相区、过冷区，水侧是单相液态的水温变化。其计算方程如下。 　　换热方程 　　制冷剂侧： 　　水侧： 　　制冷剂侧与水侧的换热量关系： 　　其中 为制冷剂的冷凝质量， 为制冷剂流入时的焓值， 为制冷剂流出时的焓值， 为水的质量， 为水的定压比热， 为水的蒸发温度， 为水的流入温度。 　　当系统在双级制热模式下运行时，则套管中1个管道不走水，其余两个管道一个是制冷剂蒸发，另一个是制冷剂冷凝。 　　换热方程 　　蒸发侧： 　　冷凝侧： 　　蒸发侧与冷凝侧的换热量关系： 　　其中 为制冷剂的流出质量， 为管道蒸发侧流出的制冷剂焓值， 为管道蒸发侧流入的制冷剂焓值， 为管道冷凝侧流出的制冷剂焓值， 为管道冷凝侧流入的制冷剂焓值。 　　由于节流阀前后焓值不变，所以节流装置的计算模型为 。 　　下面为单级和双级热泵机组的运行原理图。 　　 　　图1 单级运行原理图界面图图2 双级运行原理图界面 　　3单/双级运行系统的模拟对比分析 　　我们以空调机组出水温度为50℃来对单级制热模式运行和双级制热模式运行做一个对比分析。 　　 　　图3 单/双级供热量的对比 图4 单/双级耗功率的对比图5 单/双级压缩机排气温度的对比图6 单/双级COP的对比 　　在图3中可以看到随着室外温度的降低，单双级的制热量都在减小。在相同的环境温度下，双级运行模式的制热量都比单级要大，相差在0.5kW