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带热水供应的热泵空调器的运行特性研究

江辉民  
【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_c和COP_(cw)等性能参数的动态变化情况,分析了在运行过程中引起系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_c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。


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