单、双级压缩空气源热泵的热力学仿真与研究对比分析

[精品论文]214双级压缩高温热泵换热器优化设计研究双级压缩高温热泵换热器优化设计研究大连理工大学张吉礼哈尔滨工业大学赵天怡摘要: 提出了一种换热器结构优化设计方法，包括换热器型号及换热面积优化设计方法，并以典型的双级高温热泵系统为例，进行了设计方法的实践。

仿真结果表明，该设计方法是解决热泵及制冷系统中单一部件结构参数间不匹配性的有效途径；在系统性能不变的前提下，优化设计后的系统换热器总面积降低了8.6%，蒸发器换热管总管数降低了35.5%，优化效果显著。

关键词: 高温热泵；换热器；设计方法；仿真；优化1 引言对于制冷热泵厂家，换热器的设计、加工制造已变得非常重要，特别是无压缩机设计生产能力的厂家，换热器已成为提高机组性能、降低机组加工成本的重要对象。

对于高温热泵而言，由于其蒸发温度和冷凝温度之差一般大于普通热泵，导致其循环效率低于普通热泵，这就更需要对高温热泵换热器进行优化设计，最大可能地提高COP。

在实际热泵机组设计开发过程中，无论是具有换热器设计生产能力还是直接购入换热器的企业，基本都采取以下做法。

首先根据设计工况，确定换热器型号，设计加工或购进换热器；将压缩机、换热器、节流机构和其它部件组装成整机；然后进行整机性能测试；若机组性能达到设计目标，则整个开发过程结束，若机组性能达不到预期目标，则更换某一部件重复上述过程。

由于上述方法缺乏对换热器的优化设计过程，通常低效、耗时、且很难达到理想的系统性能。

因此，面向厂家热泵或制冷机组设计阶段，按需提出合适的换热器优化设计方法是一项重要的研究工作换热器的结构形式与换热面积均对机组性能有着不同程度的影响。

由于管壳式换热器长径比的限制，出现了同一换热面积对应多个换热器型号的情况，在满足相同的设计制热量(或制冷量)的前提下，不同型号的冷凝器(蒸发器)由于换热管布置方式不同，其对应的换热面积，长径比及系统性能参数值(制热系数COP，水侧阻力等)有着一定差别。

某空气源热泵机组性能的试验研究及数值模拟近年来，新能源的开发和利用一直是全球的研究热点。

其中，空气源热泵作为一种环保、节能、高效的热水供应和空调系统，越来越受到人们的关注与认可。

而其性能的试验研究及数值模拟又是评判其实用价值的重要手段。

本文就某空气源热泵机组性能的试验研究及数值模拟进行探讨。

1. 热泵机组基本原理与结构热泵机组是一种采用制冷剂在低温环境下所吸收的热量来驱动机组进行热能转换的系统。

其主要由压缩机、蒸发器、冷凝器、节流阀等基本组建成。

其中，空气源热泵则是一种将空气中的低位热量通过压缩、蒸发、冷凝等过程实现热能转换的设备。

2. 热泵机组性能试验为评价空气源热泵的热能转换效率、制冷剂的匹配度以及机组整体的稳定性，需要进行一系列的性能试验。

其主要包括以下几个方面：（1）蒸发器性能试验在蒸发器性能试验中，需要对不同负荷条件下的蒸发器入口温度、出口温度、制冷剂流量、冷凝器风扇电流等参数进行监测，以评价蒸发器的传热能力和负荷适应能力。

（2）制冷剂流量与压缩机性能试验在制冷剂流量与压缩机性能试验中，需要测定制冷剂的流量、压缩机功率、制冷剂的压力温度等参数，并以此评价机组的制冷效率和压缩机的性能。

（3）整机性能试验在整机性能试验中，则需要将机组与实际应用场合中的负荷条件相匹配，测试整机的实际制冷/供热效率以及稳定性等性能指标。

3. 热泵机组性能数值模拟针对空气源热泵机组的实际运行情况，使用计算机软件进行热力学仿真，以模拟机组的热力特性，进行参数优化和预测分析。

数值模拟的基本流程包括建模、网格划分、数值分析和结果展示等步骤。

其中，建模是数值模拟的关键步骤。

其核心是通过对热泵机组结构及控制系统进行建模和参数设定，确定数值模拟所需的各项参数和模型结构。

经过建模后，可以利用计算机软件对模型进行仿真，以获取机组的热力学特性。

最终，通过分析、优化参数，得到热泵机组的性能预测结果。

4. 实验结果分析对于不同的试验数据和仿真结果，需要进行数据处理与分析。

文章编号：2095－6835（2017）16－0153－04实验研究两级压缩技术在空气源热泵中的应用龙剑（佛山市南海区狮山镇南方风机股份有限公司，广东佛山528225）摘要：根据低温空气源热泵系统的研究现状，在风冷热泵机组上完成了旨在实现超低温可靠、高能效的两级压缩热泵技术研究。

在制热性能方面，以单级压缩系统性能为基准，在-7℃和-15℃环境温度下，当排气压力表压为1500kPa 时，两级压缩经济器系统的制热量分别提高了20%和29%，COP 分别提高了12%和22%；当排气压力表压在1700kPa 时，性能改善幅度更大。

在制冷性能方面，在35～52℃环境温度范围内，两级制冷系统比单级系统在制冷量上有更大优势，在42℃以上环境温度下，EER 也表现出10%以内的优势。

关键词：两级压缩；空气源热泵；闪蒸型经济器；过冷型经济器中图分类号：TU831文献标识码：ADOI ：10.15913/ki.kjycx.2017.16.153目前，我国的主要采暖方式有以燃料为热源的集中供暖方式、电热供暖方式和热泵采暖方式。

燃料集中采暖是我国北方寒冷地区采用的最主要的采暖方式。

这种采暖方式的普遍应用给能源利用带来高风险，同时带来很多燃煤污染。

电热供暖的方式能源利用率较低，安全系数也较低。

就长期投资而言，热泵采暖方式具备一定的优势。

因此，如何提高热泵应用技术水平，优化能源结构和节约国家能源，成为我国建设节约型社会的很大课题。

普通空气源热泵在低温工况下的运转性能和可靠性都存在很大的局限性。

因此，要改变我国北方寒冷地区的采暖方式，就要大力开发低温空气源热泵技术。

如何兼顾热泵机组的经济性和可靠性成为本文研究的目的。

本文在该领域开展了一些应用研究工作。

1两级压缩空气源热泵技术介绍美国能源部在2002年列举了最具潜在节能技术的15个选项，低温热泵和变流量系统都名列其中。

两级压缩低温热泵即为这一应用的特例。

Hallowell International 公司把该技术应用到产品中，在加拿大和美国寒冷地区大力宣传和推广其两级压缩低温热泵，并获得美国能源部EnergyStar 项目的节能补贴。

空气-太阳能双热源热泵系统仿真与实验研究1 1 1 1 2袁卫星何潇寒杨宇飞杨波朱宁（1 北京航空航天大学人机与环境工程系，北京 100191） （2 北京阳翼九天太阳能技术有限公司，北京 102609）摘 要 在太阳能的开发和利用中，太阳能热泵成为供暖领域太阳能高效利用的一个发展方向。

本文对太 阳能热泵的原理及研究现状进行了介绍，提出并研制了一种空气源-太阳能水源双热源型太阳能热泵系统， 设计、开发了其中的双蒸发器热泵系统、分层水箱蓄能系统和控制系统。

对系统建立了稳态仿真模型，并 进行了系统实际运行试验研究,得到了不同工况下的系统性能结果，并将仿真结果与试验结果进行了对比 分析。

得出了空气源-太阳能水源双热源型热泵供暖系统运行的一些有参考价值的结论。

关键词 双热源 太阳能 热泵 蓄热SIMULATION AND EXPERIMENTAL STUDY ON THE PERFORMANCE OF SOLAR-AIR DUAL HEAT SOURCES COUPLED HEAT PUMP SYSTEMYuan Weixing1 He Xiaohan1 Yang Yufei1 Yang Bo1 Zhu Ning2(1 Department of Man-Machine-Environmental Engineering, Beihang University, Beijing 100191) (2 Beijing Yangyijiutian Solar Energy Technology Co., Ltd, Beijing 102609)Abstract With the development and utilization of solar energy, the solar heat pump becomes a development direction of the use of solar energy resources in the heating area. In this paper, the solar heat pump principle and the research were introduced. Subsequently, solar-air dual heat sources coupled heat pump heating system was designed, and the heat pump system, layered tank storage system in it were developed. Then through a series of experiments and steady simulation investigates the system, we draw some valuable conclusions about this system. Keywords Dual heat sources Solar energy Heat pump Thermal storage0 前言随着我国快速增长的的巨大的能源需求，太阳能的在我国北方,冬季供暖是关乎民生的大问题。

单双级混合复叠空气源热泵机组的仿真研究摘要：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。

两级压缩空气源热泵系统的多目标优化分析刘思煦;黄跃武;陈鹏【摘要】单级压缩空气源热泵系统在寒冷地区冬季使用时存在压比过大、排气温度过高、性能系数(COP)降低等问题.针对两次节流中间不完全冷却两级压缩空气源热泵系统,提出一种多目标优化方法,以Z=COP·qH为目标函数.当COP和单位制热量同等重要时,COP少量降低,系统的单位制热量增加,减少能耗和环境污染的同时,满足冬季室内热舒适性.【期刊名称】《建筑热能通风空调》【年(卷),期】2015(034)001【总页数】4页(P58-61)【关键词】两级压缩循环;空气源热泵;多目标优化【作者】刘思煦;黄跃武;陈鹏【作者单位】东华大学环境科学与工程学院;东华大学环境科学与工程学院;东华大学环境科学与工程学院【正文语种】中文热泵是一种通过消耗一部分高品质的能量把热量从低温热源转移到高温热源的装置，可以以较低的能量消耗很好地满足冬季采暖的需求，效率高，使用方便，响应国家节能环保的政策要求。

为了降低北方地区采暖能耗和减少环境污染问题，有必要将空气源热泵向北方地区推广，但是在推广过程中出现了很多问题，如压缩机压比过大，排气温度过高，输气系数剧减，制热量不足，性能系数降低。

为了提高空气源热泵在北方地区的适应性，多采用两级压缩的方式[1～3]，但是其中多是单独考虑COP和单位制热量是否满足采暖需求，并未涉及到同时考虑两者，由于不可能同时达到两者都为最佳取值，因此研究两级压缩空气源热泵系统的优化设计，同时考虑COP和单位制热量，在保证COP较高的前提下，提高系统的单位制热量。

具有重要的现实意义和实用价值。

本文对两次节流中间不完全冷却的两级压缩热泵系统进行多目标最优化设计，以热泵的性能系数COP和单位制热量为优化对象，对两者同时优化，得到最佳均衡解，最大限度地同时满足各个对象的要求，确定两级压缩的最佳中间压力，在减少能耗的同时尽量满足室内热舒适要求。

选择两级压缩两次节流中间不完全冷却制热循环，其系统原理图和压焓图如图1、图2所示。