摘要： 本文以自行研发的住宅用水源热泵机组为研究对象，通过实验来说明其性能特性，在考虑部分负荷情况下与市场上同类住宅用水源热泵做了经济性比较，得出了其良好的工作性能。对住宅和小型商用水源热泵中央空调的设计开发和工程设备选型具有一定的参考价值。0 引言水源热泵作为一种有益于环境保护和可持续科学发展的冷热源形式，已经倍受人们关注，国内越来越多的生产企业纷纷推出各种形式的水源热泵产品。然而，目前国内外的理论研究多集中于地下部分，即地下盘管的耦合，土壤的传热等。对地下含水层的地质分析、井的尺寸的合理设计和系统设计应满足未来增长的负荷需求，应考虑井的供水和回灌能力在长时间运行后的下降方面进行了多方面的研究；对地上部分的水源热泵机组则多限于经济性方面的研究，而对机组的动态特性、部分负荷情况下的能耗变化给予的关注比较少。本文将以自行研发的住宅用水源热泵机组为研究对象，通过实验来研究水源热泵机组的性能特性及其在部分负荷情况下的能耗变化。1 住宅用水源热泵机组数学模型简介在充分参考了国内外相关文献后[1~3]，利用系统仿真学原理，在质量守恒、能量守恒和动量守恒的基础上，对热泵机组的冷凝器、蒸发器、毛细管和压缩机外壳与外界的换热环节分别建立了与其相对应的动态数学模型，而对响应时间较短的压缩机内部的制冷剂压缩输送环节则建立了稳态的数学模型，并首次将涡旋式压缩机外壳的换热环节视做了蒸发器的一部分，现将涡旋式压缩机外壳的换热环节所建模型简要列出，至于其他部件的建模可以参见有关文献[4]~ [7]。1.1 制冷剂通过压缩机筒壁与环境的换热过程模型分析全封闭式涡旋压缩机为中间进气，上部排气的结构，制冷剂兼起电机冷却作用。制冷剂出蒸发器后首先进入压缩机的壳体侧，系统停机时润滑油中溶解的那部分制冷剂液体，在压缩机再次启动时将与压缩机外壳换热，为了对制冷剂通过压缩机筒壁与环境的换热过程进行准确的模拟，建立了动态模型，将其作为蒸发器的一个节点来研究，既提高了模拟的准确性，又降低了模拟求解的难度。1.2 蒸发器数学模型建立根据图1给出的板式换热器逆流换热微元体，建立数学模型。质量守恒方程： (1)动量守恒方程： (2)能量守恒方程： (3)为解决研究中的特殊问题有必要对传热过程做出适当的假设和简化：制冷剂流动为一维流动，速度分量U得到简化；在任何流动截面上流体压力相等；忽略流道内压力变化对制冷剂流速的影响；忽略制冷剂粘滞力的影响；在垂直于主流方向的截面上速度分量均为零；假定制冷剂在蒸发器和冷凝器内部的干度呈线性分布。通过以上假设和简化，控制方程转化为： (4) (5)蒸���器包含几个相对独立的组成单元：制冷剂、板式换热器间壁板、冷(热)流体(这里采用水作为冷热媒，并且忽略间壁板的传热热阻)。除了制冷剂外，冷(热)水的离散方程也可以通过控制方程(4)、(5)采用其控制参量来获得。1.3 数学模型的离散化本文采用控制容积积分法建立离散方程。首先将换热器的计算区域沿着流体流动的方向划分出一系列控制容积，如图2所示其中最后一个控制体是对制冷剂出蒸发器进入压缩机外壳后的状态模拟。然后将式 (5)、(6)在任一控制容积及时间间隔内作空间与时间积分，得到下式： (6) (7)根据图2以及控制容积积分时采用的阶梯式分布型线，可以近似得到下述关系：对顺流，当m1j-1>0时：h1i-1=h1j-1 ；当m1j>0时：h1i=h1j。对逆流，当m1j-1<0时：h1i=h1j-1；当m1j<0时：h1i+1=h1j。根据以上假设和公式推导，最终得到制冷剂通过压缩机筒壁与环境的换热过程的离散控制方程： (8) (9) (10)2 实验测试系统介绍由于本文重点研究的是热泵机组的运行状况，为降低实验台成本缩短实验台搭建时间，采用一台活塞式冷水机组和一台10kW电加热器串联为试验台提供7℃~25℃冷却(或热源)用水，用以模拟地下水源出水情况。实验台结构见图3，图中虚线框内为自行开发的住宅用水源热泵空调机组。框外为实验辅助设备，包括由原有的一台活塞式制冷机和一台电加热器改造的冷却水模拟设备(13，14)，三台风机盘管(图中只画出一台)和两套电加热器(图中只画出一套作为示意)组成的室内负荷系统(6，13)，数据测量和采集处理装置(10，11，12)共三个相对独立的应用系统。实验中需要采集的数据包括：机组启动和稳定运行过程中压缩机进出口、冷凝器出口、蒸发器进口各点的温度、压力，冷凝器和蒸发器进出口水温和流量。
图3 住宅用水源热泵测试实验台布置图
1－涡旋式压缩机；2－板式换热器；3－毛细管；4－四通换向阀；5－膨胀水箱；6－风机盘管；
7－冷却水循环水泵；8－冷冻水循环水泵；9－水流开关；10－流量信号处理器；11－压力信号处理器；
12－数据采集器；13－电加热水箱；14－活塞制冷机；T－温度传感器；P－压力传感器；m－流量传感器3 实验结果及性能分析3.1 热泵机组供热工况性能分析图4表示了冬季运行工况部分负荷运行时输入功率、制热量及性能系数COP随着水源侧的进水水温(冷凝器进水水温)和蒸发器出水水温的变化情况。图4表示的制热量、输入功量可以发现，冬季运行工况，当蒸发器出水水温保持不变时，随着水源进水温度的升高，机组制热能力升高，压缩机输入功率减小，COP增大。同样，在水源进水温度不变时，随着蒸发器出水水温的降低，制热能力也跟着增大，压缩机输入功率降低，COP值增大。 冬季实验运行工况(冷凝器进出水温度9/16℃，蒸发器进出水温度40/45℃)条件下，该住宅用水源热泵机组制热量为12.6kW，输入功率3.02kW,性能系数COP等于4.2。3.2 组制冷工况性能分析图5季运行工况部分负荷运行时输入功率、制冷量及COP随着冷凝温度和蒸发温度的变化情况。从图5所表示的制冷量、输入功量可以发现，夏季运行工况，在同一蒸发温度下随着冷凝温度的降低，机组制冷能力升高，压缩机输入功率减小，COP增大。同样，在冷凝温度不变时，随着蒸发温度的升高，制冷能力也跟着增大，压缩机输入功率降低，COP值增大。 夏季设计运行工况(冷凝温度32℃，蒸发温度4.4℃)条件下，该住宅用水源热泵机组制冷量为11.3kW，输入功率2.3kW,性能系数COP等于4.9。3.3 与同类水源热泵机组全年能耗比较由于水源热泵全年大部分时间是在部分负荷下运行，必须考虑由于部分负荷运行所引起的效率降低的问题，为此有必要验证机组是否达到最优制热制冷综合效率。现将机组与市场中知名同类产品（称为产品A和产品B）在理论上做全年部分负荷的经济性比较。为了使研究工作具有代表性,本文以一户位于天津市某采用水源热泵系统的住宅小区的标准户型住宅（户型分别为三室两厅，空调面积150m2）为例, 利用美国ASHRAE改进的Bin能耗计算方法(Modified Bin Method)[8]，作了一些适合于我国华北地区民用住宅使用的修改后，对三者的全年经济状况来加以比较。其结果见表1。表1 机组全年部分负荷的经济性比较表 热泵机组样机热泵机组A热泵机组B10kＷ空气源热泵机组制冷工况制热工况制冷工况制热工况制冷工况制热工况压缩机输入功率（W）：242034602760321027003350机组输出冷（热）量（W）：114001270011000130001190012100采暖运行全年费用(元/年)：2050206921663302制冷运行全年费用(元/年)：1862182117903176全年运行费用合计(元/年)：3911389039566477采暖运行全年费用(元/m2·年)：13.6713.8014.4422.0制冷运行全年费用(元/m2·年)：12.4112.1411.9321.2全年运行费用合计(元/m2·年)：26.0825.9326.3843.2从表1可以看出，新研制的热泵机组在全年部分负荷运行的情况下，具有较低的运行费用，甚至比机组B还要低一些，说明新研制的热泵机组具有良好的工作特性；另外水源热泵比同类风冷热泵具有明显的节能优势，全年节能40%左右。从表1还可以看出，对于北方地区而言，冬季供暖负荷略高于夏季制冷负荷，所消耗的能源及费用所占比重较大，因此，对于寒冷地区用热泵，在研发时，一定要在兼顾制冷性能的同时，给予供热性能足够的重视。4 结论本文通过理论与实验研究，给出了新研发的住宅用水源热泵机组的工作性能曲线，并与当前市场上同类水源热泵机组作了相关比较，得出以下结论：（1） 实验验证了所建立的住宅用水源热泵机组数学模型，为日后热泵机组的研发提供一定的参考。（2） 住宅用水源热泵机组采用板式换热器作为蒸发器和冷凝器，对于减少热泵机组的尺寸，减少安装占地面积有很大优势。（3） 考虑到水源热泵全年运行时，室外气象条件造成的冬季和夏季能耗的不同，对于寒冷地区更应该考虑冬季供热要求，机组设计也应给予相应的重视。