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双级压缩空气源热泵系统供热性能模拟优化

周玉宁  
【摘要】:空气源热泵使用室外空气作为热源,是一种较为灵活的采暖方式。然而当室外空气温度降低时,蒸发温度下降,压缩机压比变大,从而存在制热量衰减、性能下降,甚至不能正常运行的问题。双级压缩循环是改善空气源热泵低温性能的一种有效技术措施。双级压缩循环将一个压缩过程分为两个阶段完成,单个阶段压比较小,单个压缩机均在允许的压比范围内运行。而且通过使用级间结构可以进一步降低系统节流及过热损失,提升系统性能。然而,采用两个压缩机的双级压缩系统复杂,现有的研究主要针对在不同工况下系统性能的实验研究,以及中间喷射对系统性能的影响。关于运行过程中两个压缩机的输气量比对系统性能的研究较少,且缺少对不同工况下最优的压缩机频率随工况关系变化特点的研究。这些问题有待进一步探索,以促进双级压缩空气源热泵尽快实现商业应用。本文主要针对这些问题,建立双级压缩热泵系统的数学模型,使用实验数据对模型进行验证,分析高低压机输气量比对系统性能的影响,建立系统优化运行控制方法。首先建立了以过冷器为级间结构的双级压缩热泵系统的稳态仿真模型。其中压缩机模型考虑压缩机在任意频率下的容积效率及电效率。然后基于已有的实验台,利用大量实验数据验证数学模型。结果表明本文采用的模型具有良好的性能,计算结果与实测数据吻合较好,能够反映系统性能变化规律。其次,将仿真模型用于系统实际运行系统性能优化。以制热COP最大为目标,得出不同工况下低压压缩机最优频率及其它参数的变化规律。结果表明,最优低压机频率与乙二醇溶液进口温度近似呈线性的变化;实际运行最优中间压力高于几何平均压力,其比值在1.2-1.56之间变化。最后,将模拟结果回归相应的表达式,回归表达式仅含五个系数。在实际应用中,可以通过少量的实验数据(最少五组实验数据)获得这五个系数,集成到控制器中,用于压缩机的实际运行控制。


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