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家用复合式空调器运行特性的模拟研究
江辉民1,2,孙 平2,王 洋1,王家贵2,姚 杨1,马最良1
(1.哈尔滨工业大学,黑龙江哈尔滨 150090;2.广东省吉荣空调设备公司,广东揭阳 522000)
摘 要：利用家用复合式空调器的数学模型对复合式空调器在制冷兼制热水模式、单独制热水模式以及制热兼制热水模式下的运行特性进行了数值模拟,分析了在制冷兼制热水模式下,风冷冷凝器风量和热水流量对系统性能参数的影响,研究了在单独制热水模式和制热兼制热水模式下,生活热水温度和流量对室内制热效果及系统运行稳定性的影响,并提出了相应的解决措施。研究成果可为进一步开发这种节能型的家用复合式空调器产品奠定理论基础。
关键词：复合式空调器;运行特性;模拟研究;节能
中图分类号：TU831. 6 文献标识码：A
文章编号：1005—0329(2008)11—0065—06
1 前言
在文献[1]中,笔者提出了一种带热水供应的家用复合式空调器的新流程,该流程能够实现全年五种模式(单独制冷模式、制冷兼制热水模式、单独制热水模式、单独制热模式和制热兼制热水模式)运行,以满足室内制冷、制热以及生活热水供应。在此基础上,制造了实验样机,对样机运行的可行性及可靠性进行了实验研究。同时,对新流程与常规流程在制冷兼制热水模式下的性能进行了实验对比,新流程的制冷性能系数能提高10%左右,综合能源利用系数最大能提高85%左右。图1给出了复合式空调器的系统原理示意。
采用数值模拟作为研究方法,对节能型复合式空调器在制冷兼制热水模式、单独制热水模式以及制热兼制热水模式下的运行特性作进一步研究与分析,为今后产品的开发以及市场化推广提供重要的指导作用。
2 数学模型的建立
2. 1 压缩机模型
压缩机模型采用图形法建模,根据生产厂家提供的由实验得出的压缩机性能曲线进行回归,得出了在一定过冷度和过热度条件下的耗功率及制冷剂流量随冷凝温度和蒸发温度变化的函数归纳式[2]:
由上述回归方法得出的压缩机性能函数表达式仅适用于特定的过冷度和过热度。在过热度和过冷度变化的实际运行工况下,必须对其进行修正,修正可按如下的表达式给出[2]:
2.2 热力膨胀阀模型
利用力平衡法建立热力膨胀阀的机理模型。热力膨胀阀动作时,主要受到三种力的作用,分别是作用于膜片顶部的感温包内的压力F1,膜片下部的蒸发压力F2以及弹簧力F3。当制冷剂流动达到稳定时,作用在膜片上的力达到平衡。热力膨胀阀的膜片受力如图2所示。
F1与感应温度及充注的工质种类有关,可以通过感温包内的工质的压力和温度关系得到,开启度l可由下两式计算得到:
Fs、Ff和Ks可通过厂家提供的数据得到。已知过热度和蒸发压力,就可根据式(3)、(4)计算得到热力膨胀阀的开启度l。热力膨胀阀的流通示意图如图3所示。
2.3 热水换热器模型
设计的复合式空调器用的热水换热器,其实是一个带内置螺旋换热盘管的蓄热水箱,换热盘管放置在蓄热水箱的底部。热水换热器的螺旋冷凝管外的介质是静止但温度变化的热水,系统工作后水温逐渐升高,进而使整个空调系统的工况也处于动态变化过程之中。热水换热器模型的建立基于以下主要假设:
(1)忽略水箱内热水的内部温差,认为在同一时间内各水层的温度是相等的;
(2)认为管内制冷剂的流动为一维均相流动,不考虑压降;
(3)忽略金属水箱壁与热水的温差及绝热层的热容。
建立的数学模型方程如下:
室内蒸发器和室外风冷冷凝器采用模拟精度较高的分布参数法建模,由于这两部分的工况、结构以及数学模型与普通空调系统基本相同,因此,其模型可分别选用文献中已有的用于空调系统的模型[5、6]。
3 试验验证
图4给出了维持室内环境温度为25℃,在不同的热水出水温度下,热水供应量随室外环境温度变化的关系曲线。
从图中可以看出,在一定的室外环境温度,热水供水量随供水温度的降低而增加。同时,在一定的热水供应温度下,热水供应量随室外环境温度的升高而增加。图5给出了维持室内环境温度为25℃,系统的制冷性能系数COP随室外环境温度变化的关系曲线图。从图中可以看出,无论热水供水温度如何,系统的COP总是随着室外环境温度的升高而减小的。从两图也可以看出,系统的热水供应量和COP的实测值与模拟值的吻合性较好。热水供应量的最大相对误差为6. 2%,平均相对误差为3. 4%;COP的平均相对误差也在10%左右。因此,由实验测试结果证明,本文所建立的数学模型是可信的,其模型的数值计算结果在一定的误差范围内是相对准确的。
4 模拟结果分析
4. 1 制冷兼制热水模式下的运行特性分析
(1)风冷冷凝器的风量对系统特性的影响由于风冷冷凝器对于复合式空调器在制冷兼制热水模式下运行的稳定性起到了很重要的作用,它能够调节制冷剂循环状态、改善系统的性能,尤其在蓄热水箱内热水温度较高的时候。因此,有必要研究风冷冷凝器的风量对系统的运行特性的影响。在室外环境干球温度为35℃,冷冻水回水温度为12℃,冷冻水流量为0. 2kg/s,并维持恒定出45℃热水的前提下,冷凝热回收利用率、制冷量和COP随风冷冷凝器的风量变化情况分别如图6、7所示。
由图6可知,室外风冷冷凝器的风量影响热水换热器的换热量在总的冷凝热量中所占的比重,随着风量的减少,热水换热器的换热量占总冷凝热量的比重越来越大,风量从4000m3/h减到200m3/h,冷凝热利用率则从18. 5%升高到33.6%。同样,热水流量随着风冷冷凝器的风量增大而减小,风量从200m3/h增大到4000m3/h,热水流量则从57. 6 kg/h降低到42. 3kg/h,降幅达到26. 6%。同时也可看出,当风冷冷凝器的风量在2000~4000m3/h时,风量对冷凝热利用率和热水流量影响较小。
同时,由图7可知,系统的制冷量和COP随着风冷冷凝器风量的增大而加大,尤其是在风量较小时候,其增大的幅度更大。随着风量的逐渐增大,制冷量和COP变化就比较缓慢。
冷凝热利用率是表征在系统运行时生活热水加热热量占冷凝热比例的一个参数。从上述分析可以得出以下结论,冷凝热利用率和热水流量同系统的制冷量和COP是相互矛盾的。因而,对于制冷要求不高场合下,可考虑优先保证生活热水,则采用较低的风冷冷凝器风量,反之亦然。但是,无谓加大风冷冷凝器的风量也是没有必要的,由于在较大风量时,风量的加大对于系统性能的影响较小,而大风量使系统投资加大,风机功率也增大。因此,在今后的设计中,必须考虑实际情况选择合适的设计风量,或者采用变频风机。
(2)热水流量对系统特性的影响
在室外环境干球温度为35℃,冷冻水回水温度为12℃,冷冻水流量为0. 2kg/s,风冷冷凝器风量为200m3/h的条件下,系统各参数随热水流量的变化情况如图8、9所示。
由图可知,系统的排气温度、冷凝温度和热水出水温度随热水流量的增加而降低,而系统制冷量、COP和冷凝热利用率都随着热水流量的加大而逐渐升高。在热水流量从21. 5kg/h加大到100. 5kg/h时,排气温度的降低幅度为10. 6%,冷凝温度的降低幅度达到27. 7%,热水出水温度的降低幅度达到36. 4%;而系统的制冷量的升高幅度为29. 2%,COP的升高幅度为29. 5%,冷凝热利用率的增加幅度为50. 5%。同时,从图中也可得知,在低热水出水流量时,压缩机的排气温度高达119. 5℃,在实际运行过程中,可能导致压缩机高温保护停机。因此,在小流量出高温水的运行工况下,应该加大室外风冷冷凝器的风量,增加热水换热盘管的面积或者增强热水换热盘管的换热能力以达到最好的运行稳定性。
4. 2 单独制热水模式下的运行特性分析
在单独制热水模式下运行的复合式空调器其实就是一个空气源热泵热水器。热泵热水器的运行过程中,由于水温是一直变化的,进而导致系统的运行参数也一直处于动态的变化中,这也是热泵热水器和普通的热泵空调器运行时的明显差异。
图10给出了在不同的室外环境温度下,热水加热速度随运行时间的变化关系图。
由图10可知,在一定的条件下,热水加热速度随着室外环境温度的升高而加快。当室外环境温度分别为3℃、10℃和15℃时,水温从15℃升高到40℃,加热时间分别需要40min、28min和23min。同样,在一定的环境温度下,热水的加热速率随加热时间的延长越趋于缓慢。这主要有两方面的原因造成的:一是由于水温的升高,冷凝温度与热水温度的传热温差要逐渐减小,使得热水加热能力要减小;另一方面由于水温的不断上升使得蓄热水箱的热损加大。
图11给出了在室外干球温度为10℃,室外换热器的风量为3500m3/h,系统的冷凝压力和热水加热能力随热水平均温度的变化关系。
所谓的热水加热能力就是在一定工况下热水加热器回收的冷凝热量。由图可知,冷凝压力随着热水平均温度的升高而升高,而热水加热能力随着热水平均温度的升高而减小。尤其在热水平均温度较高的时候,冷凝压力上升速度更快,热水加热能力下降速度也更快。导致这种情况出现的原因主要是由于随着热水温度的不断升高,系统的冷凝温度不断升高。同时,由于在一定的换热盘管面积下,随着热水温度的不断升高,蓄热装置内热水换热盘管的换热温差也逐渐减小,并导致其热水加热能力下降。
4. 3 制热兼制热水模式下的运行特性分析
在制热兼制热水模式下,由于要利用部分冷凝热来制取供应室内的生活热水,这样必然降低了室内换热器制取空调热水的热量,因此,需要采取措施来解决在制取和使用生活热水的同时保证空调热水的用量。
图12给出了在室外环境干球温度为7℃,冷水初温为15℃,空调热水回水温度为40℃,空调热水水流量为0. 3kg/s,风冷冷凝器风量为3500m3/h,冷凝温度和蓄热水箱内热水平均温度随加热时间的变化关系图。
从图12中可以看出,系统运行初始的一段时间内,冷凝温度上升的速度较热水平均温度上升得快,随着运行时间的继续,在某一时刻之后,生活热水水温反而比冷凝温度更高,图中冷凝温度曲线和热水平均温度曲线相交于M点。M点标志着系统在该点之后,热水换热器不再吸收系统的冷凝潜热,仅仅吸收系统的过热显热,大部分的冷凝热将被室内换热器所吸收,故而热水的加热速度也逐渐缓慢。
图13给出了在室外环境干球温度为7℃,冷水初温为15℃,空调热水回水温度为40℃,空调热水水流量为0. 3kg/s,风冷冷凝器风量为3500m3/h,热水换热器换热量和室内换热器换热量随生活热水流量的变化关系。
由图13可知,热水换热器的换热量随着热水流量的加大而增加,但室内换热器的换热量却相应减少。这是由于较大的热水流量,使得热水换热器内热水温度较低,热水换热器的传热温差加大,加之流量越大使得热换盘管水侧的换热系数增大,故而系统在大流量下热水换热器回收的冷凝热量就越多,室内换热器所承担的冷凝热量就越少。从上述分析可知,在大流量下系统室内换热器的换热量要减少,故而室内的制热性能要受到影响,因此,系统在制热兼制热水模式下用水运行时,为了防止室内制热量的过度减小,推荐采用小流量用水方式。
5 结论
(1)建立了家用复合式空调器的数学模型,通过实验验证了所建模型的可信性,可为今后类似问题的求解提供一种数学工具;
(2)在制冷兼制热水模式下,如果需要保证生活热水,则应该使用较低的风冷冷凝器风量,反之亦然。同时,在小流量出高温水的运行工况下,应该加大室外风冷冷凝器的风量,增加热水换热盘管的面积或者增强热水换热盘管的换热能力以达到最好的运行稳定性;
(3)在单独制热水模式下,为了防止或延缓由于蓄热水箱内热水温度的持续升高而导致的系统运行的不稳定,需要合理设计换热盘管面积,增加辅助换热盘管或者使用相关的传热技术增强浸没式盘管的换热能力;
(4)在制热兼制热水模式下,在用水运行时,为了防止室内制热量的过度减小,应采用小流量用水方式。
参考文献
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[3] 葛云亭.房间空调器系统仿真模型研究[D].清华大学博士学位论文, 1997. 1-16.
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[6] 葛云亭,彦启森.冷凝器动态参数数学模型的建立与理论计算[J].制冷学报, 1995, 16(3): 17-26.
作者简介:江辉民(1979-),男,博士,在站博士后,通讯地址:522000广东省揭阳市吉荣路广东省吉荣空调设备有限公司。
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