王聪民1吴琪2
（1中原工学院能源与环境学院河南郑州4500072周口科技职业学院河南周口466000）
中图分类号：TU833.3文献标识码：A文章编号：41-1413（2011）08-0000-01
摘要：本文建立了水源热泵系统各部件（压缩机、蒸发器、冷凝器、膨胀阀、蒸发器侧水泵、冷凝器侧水泵）的火用损失数学模型以及制冷剂热力性质计算模型，编制了火用损失计。通过具体实例，寻找水源热泵机组的火用损失和COP最小的工作范围，为水源热泵机组系统运行优化打下基础。
关键词：热泵；运行优化；COP；火用损失
1、引言
热泵技术以其高效、节能和环保等技术特点，成为建筑物供热、空调最为广泛的应用方
式之一。寻找冷热源与水泵机组联合运行的最佳工况范围有利于节约能源，响应国家节能号召。
2、系统计算模型
（1）压缩机模型：
压缩机功率可按下式[1]计算：
冷凝器水泵功率：
3、火用损失计算软件开发
图1制冷循环各过程火用损失计算流程图
本软件主要是通过输入蒸发温度，过热度，冷凝温度Te，绝热指数n，根据公式算出机组各个部分的火用损失、总火用损失、各部分的火用损率、循环火用效率以及机组的输入功。通过计算具体实例发现模拟值与文献查表值的最大相对误差仅为2.03%，因此其可用于制冷装置的仿真和优化计算。
4、具体实例
选取沈阳某商场为研究对象，设备选型具体如下：
热泵机组为ALLR350型号的螺杆热泵机组：额定制冷量：630Kw；额定制热量690Kw；数量：1台；机组所用制冷剂为R134a；蒸发器换热面积132m2；冷凝器换热面积122m2。
冷凝器侧水泵、蒸发器侧水泵选取均KQLD100-300型号的水泵：额定流量：115m3/h；额定扬程：25m；数量：1台；
绝热指数1.18，假设蒸发器侧的进水温度13℃，冷凝器侧的进水温度18℃，过热度5℃，过冷度5℃。
对水泵变速下的功率和流量进行拟合，对冷凝器侧水泵变速下功率和流量的关系进行拟合，结果如式(15)所示：
COP最大的工况范围实际上就是水源热泵总输入功率最小的工况范围，所以下面例子的分析中把寻找COP最大的工况范围转化为寻找水源热泵总输入功率最小的工况范围。
现在通过制冷循环火用分析软件，并利于Excel进行辅助计算，寻找该系统额定制冷量情况下火用损失最小和COP最大的工况范围。
假设冷冻水进出口温差(本例取进出口温差为3～9℃)，根据式(8)计算出每一个进出口温差对应的蒸发温度。在每一进口温差下，假设冷凝温度(本例令冷凝温度在26～35℃变化)，并通过所假设的冷凝温度根据式(6)计算出冷却水的进出口温差。然后分别找出每一个温差下在什么样的冷凝温度下水源热泵系统火用损失和输入功率最小，具体如图1～图6所示，并对比它们的大小进行比较，从而找出火用损失最小和总输入功率最小的工况范围。
通过式(8)计算，可以得到冷冻水温差所对应的蒸发温度的数值，具体如表1所示：
表1冷冻水进出口温差对应的蒸发温度值
图2冷冻水进出口温差为4℃时
系统总输入功率和总火用损失图图3冷冻水进出口温差为5℃时
系统总输入功率和总火用损失图图4冷冻水进出口温差为6时
系统总输入功率和总火用损失图
图5冷冻水进出口温差为7℃时
系统总输入功率和总火用损失图图6冷冻水进出口温差为8℃时
系统总输入功率和总火用损失图图7冷冻水进出口温差为9时
系统总输入功率和总火用损失图
通过上面的图表可以发现，每一个温差对应的火用损失最小值都出现在冷凝温度29℃，现在将这些值进行对比，我们可以发现这个最小值出现在冷冻水进出口温差7℃，大小为117.30kw。具体如图8所示。
现在以冷冻水进出口温差7℃为例对系统进行分析。从图9我们可以看出，随着冷凝温度升高，机组和冷凝水泵的火用损失一个增加，一个减小，从理论上来讲水源热泵系统必然存在一个最小值。通过对这些图和表进行分析，可以发现冷凝温度在28～30℃度之间，冷凝器进出口水温温差在5.5～8.5℃之间时，系统的火用损最小。
图8不同冷冻水温差下总火用损失最小值对比图图9冷冻水进出温差为7℃时机组和水泵火用损失图
通过上面的图表可以发现，每一个蒸发器进出口水温温差对应的总输入功率最小值都出现在冷凝温度29℃，现在将这些值进行对比，可以发现这个最小值出现在蒸发器进出口温差为6℃时，大小为133.10kw。具体如图10所示。
图10不同冷冻水温差下总火功率最小值对比图图11冷冻水进出温差为6℃时机组和水泵功率图
现在以冷冻水进出口温差6℃为例对系统进行分析。从图11可以看出，随着冷凝温度的升高，压缩机的输入功增大。冷却水侧水泵功率减小，从理论上来讲水源热泵系统必然存在一个总输入功率最小值。通过对这些图和表进行分析，可以发现冷凝温度在28～30℃之间，冷凝器进出口水温温差在5.5～8.5℃时之间，系统的总输入功最小。由于在假设了蒸发器进水温度后，蒸发器进出口水温温差和蒸发温度是一一对应的关系，温差和系统总火用损失最小值、温差和输入功率最小值的关系同样可以表示为蒸发温度和它们的关系，火用损失最小时对应的蒸发温度应在1.05～2.37℃之间，系统总输入功率对应的蒸发温度温度应在1.73～3℃之间。
由于在求火用损失最小值和输入功率最小值的过程当中，冷冻水的进出口温差取的是1℃，所取的步长相对较大，所以在这里求的火用最小值和输入功率最小值所对应的运行参数只能是一个范围而不是一个具体数值。
5、结论与展望
综上所述，可以到该系统在额定负荷630kw时，火用损失最小的工况范围应该是在冷冻水进出口温差6～8℃之间，蒸发温度1.05～2.37℃之间，冷凝温度28～30℃之间，冷却水进出口温差5.5～8.5℃之间。系统总输入功率最小工况范围应该在冷冻水进出口温差5～7℃，蒸发温度温度1.73～-3℃之间，冷却水进出口温差5.5～8.5℃之间，冷凝温度在28～30℃之间。
从上面可以看出火用损失和系统总输入功率最小水源热泵机组的工作范围是有重合范围，我们在对水源系统进行优化的时候，可以把两者结合借来，从而达到节省运行能耗的目的。
参考文献：
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