带热水供应的热泵空调器的运行特性研究

摘要

带热水供应的热泵空调器（Heat Pump Air Conditioner with Domestic Hot Water Supply，简称HPACDHWS）是一种改进的节能型热泵空调装置。该设备能全年综合利用压缩式制冷循环的能量（冬季运行要依靠辅助热源），并融合了热回收、蓄热和热泵等多项技术，能够同时满足建筑物内空调和生活热水的需求，缓解了常规系统（常规空调器+热水器）能耗大、能源浪费和环境热污染等问题，具有明显的经济效益、环境效益和社会效益。根据运行策略及要求实现功能的不同，HPACDHWS能够实现全年五种运行模式，即制冷模式、制热模式、制冷兼制热水模式、制热水模式和制热兼制热水模式。基于HPACDHWS的运行特点，该装置特别适合于室外环境温度较高、供冷期较长且同时需要供冷和热水供应的地区和场合。
　　为了研究HPACDHWS的运行特性，本文利用分布参数法分别建立了翅片管换热器和板式换热器的动态数学模型，采用图形法和力平衡法分别建立了压缩机和热力膨胀阀的集总参数计算数学模型，并基于质量、动量和能量守恒定律等约束条件，建立了HPACDHWS的动态仿真模型。这些模型的建立为研究HPACDHWS的运行特性提供了有力的工具。
　　对适合于家庭使用的蓄热装置进行了较为合理的设计，为今后其它用途的蓄热装置的设计提供了一种方法和思路。此外，为了解HPACDHWS中蓄热装置的蓄热特性，建立了螺旋管换热器的分布参数模型，并根据传热学和流体力学理论，建立了二维蓄热水箱的流动及传热数学模型。利用蓄热装置的计算模型，对蓄热装置在制冷兼制热水模式下蓄热和连续用水运行时的蓄热特性进行了研究，并分析蓄热水箱温度分层现象及螺旋换热管内制冷剂状态的变化情况。
　　利用系统仿真数学模型，模拟了HPACDHWS在制冷兼制热水模式下蓄热和用水运行时，热水温度、压缩机排气温度、冷凝压力、蒸发压力、制冷量、COP和c COP等性能参数的动态变化情况，分析了在运行过程中引起系cw统各性能参数剧烈变化的各种因素。同时，也研究了HPACDHWS在制冷兼制热水模式下运行时，室外环境温度和热水出水温度对热水出水量、耗功率和COP的影响。利用HPACDHWS样机在制冷兼制热水模式蓄热和连续用水运行工况下的实验测试结果同模拟结果进行比较，二者吻合较好，从而验证了本文所建模型的可行性、可靠性和正确性。c利用本文构建的仿真模型对HPACDHWS在制冷兼制热水模式、制热水模式和制热兼制热水模式下的运行特性进行了详细的研究。首先，分析了不同的风冷冷凝器控制策略和不同的蓄热装置形式对系统在制冷兼制热水模式下蓄热动态运行特性的影响，并研究了风冷冷凝器风量、室外环境温度及生活热水的温度和流量等众多因素对系统在制冷兼制热水模式下用水工况的运行性能的影响，这为HPACDHWS在制冷兼制热水模式下高效节能运行提供技术储备。其次，对系统在制热水模式下的蓄热运行时，由于热水温度的不断升高而导致在运行过程中出现的各种问题进行了剖析，并提出了相应的解决措施。再次，分析了系统在制热兼制热水模式下蓄热和用水运行时影响室内制热量减少的因素，并针对不同运行条件提出了合理的缓解措施。最后，在相同的条件下，分别对HPACDHWS在制冷兼制热水模式和制热兼制热水模式下的性能同常规的热泵空调器的性能进行了对比，确定其优越性所在。
　　通过对HPACDHWS在各种模式下的动态运行特性的研究，分析了不同的因素对系统在蓄热和用水工况下的运行性能的影响，制定了HPACDHWS在不同的运行模式和工况下的控制策略和解决措施，为该设备今后的优化运行和合理控制提供了理论基础，也为其进一步产品化提供重要的指导作用。

目录

带热水供应的热泵空调器的运行特性研究

OPERATION PERFORMANCE RESEARCH ON A HEAT PUMP AIR CONDITIONER WITH DOMESTIC HOT WATER SUPPLY （HPACDHWS）

摘要

Abstract

符号表

CONTENTS

第1章 绪论

1.1 课题来源及研究的目的和意义

1.1.1 课题的来源

1.1.2 课题研究的目的及意义

1.2 国内外在该方向的研究现状及分析

1.2.1 冷凝热回收的研究现状

1.2.2 蓄热装置的研究现状

1.2.3 制冷空调系统仿真研究现状

1.3 本文的主要工作

第2章 HPACDHWS的系统原理及系统试制

2.1 HPACDHWS的工作原理

2.1.1 HPACDHWS的系统设置

2.1.2 HPACDHWS的运行模式

2.2 HPACDHWS的系统试制

2.3 系统开发需要解决的问题

2.4 本章小结

第3章 HPACDHWS部件及系统数学模型

3.1 压缩机模型

3.2 空气侧换热器的数学模型

3.2.1 翅片管换热器作为冷凝器的数学模型

3.2.2 翅片管换热器作为蒸发器的数学模型

3.3 板式换热器的数学模型

3.3.1 板式蒸发器的数学模型

3.3.2 板式冷凝器的数学模型

3.4 热力膨胀阀的数学模型

3.5 HPACDHWS系统模拟计算求解的实现

3.6 本章小结

第4章 蓄热装置的设计及蓄热特性研究

4.1 概述

4.2 蓄热装置的设计

4.3 蓄热装置数学模型的建立

4.3.1 蓄热水箱的数学模型

4.3.2 螺旋换热盘管的数学模型

4.4 模型的数值求解

4.4.1 数学模型的离散

4.4.2 数学模型的求解

4.5 蓄热装置的动态模拟结果分析

4.5.1 蓄热过程中蓄热装置的动态特性分析

4.5.2 用水过程中蓄热装置的动态特性分析

4.6 本章小结

第5章 HPACDHWS的实验验证及分析

5.1 实验的目的

5.2 实验系统的构成

5.2.1 HPACDHWS测试样机及测点布置

5.2.2 焓差实验室的介绍

5.2.3 数据采集及控制系统

5.3 系统动态特性的实验验证及分析

5.3.1 系统蓄热运行模拟分析与实验验证

5.3.2 系统用水运行模拟分析与实验验证

5.4 系统稳态工况的实验及仿真模型的验证

5.5 蓄热装置保温实验测试

5.6 本章小结

第6章 HPACDHWS的运行特性模拟分析

6.1 制冷兼制热水模式的运行特性分析

6.1.1 制冷兼制热水模式下蓄热运行特性分析

6.1.2 制冷兼制热水模式下用水运行特性分析

6.1.3 系统稳态运行特性分析

6.2 单独制热水模式的动态特性分析

6.3 制热兼制热水模式的运行特性分析

6.3.1 制热兼制热水模式下蓄热运行特性分析

6.3.2 制热兼制热水模式下用水运行特性分析

6.4 HPACDHWS与常规热泵空调器的性能对比分析

6.5 本章小结

结论与展望

结论

课题展望

参考文献

攻读博士学位期间发表的学术论文

哈尔滨工业大学博士学位论文原创性声明

哈尔滨工业大学博士学位论文使用授权书

哈尔滨工业大学博士学位涉密论文管理

致谢

个人简历