水源熱泵是以水作為熱源和熱匯的熱泵系統(tǒng)，可分為地下水熱源熱泵和地表水熱源熱泵兩大類，就目前的現(xiàn)狀而言，水源熱泵還沒有獲得和空氣源熱泵一樣的廣泛應(yīng)用，原因有以下兩點(diǎn)：一方面是水源熱泵的投資較高、水源的獲取受到限制；另一方面，目前為止還缺乏一種可靠的水源熱泵設(shè)計(jì)方法和計(jì)算模型。水源熱泵的運(yùn)行特性必須與建筑物的空調(diào)負(fù)荷特性相匹配，存在著負(fù)荷平衡的問題。

　　本文通過對現(xiàn)有的水源熱泵模擬方法的分析和比較，根據(jù)空調(diào)制冷系統(tǒng)幾個(gè)主要部件的運(yùn)行特點(diǎn)，建立了一組水源熱泵穩(wěn)態(tài)性能的計(jì)算模型，通過模擬得出R22和R22/R142b在同一熱泵機(jī)組相同工況下的性能，從理論和實(shí)驗(yàn)上驗(yàn)證混合工質(zhì)的節(jié)能理論，得出相應(yīng)工質(zhì)可能的性能效果，為進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)研究提供理論依據(jù)。

　　1模型建立1.1制冷空調(diào)系統(tǒng)循環(huán)性能模擬計(jì)算方法實(shí)際制冷系統(tǒng)是一個(gè)融合了傳熱傳質(zhì)的復(fù)雜的動態(tài)過程。從系統(tǒng)性能模擬的角度來看，制冷系統(tǒng)的幾個(gè)主要部件可以分為三類熱力模型：**類是蒸發(fā)器和冷凝器，它們屬于換熱器部件，其中儲存了一定量的制冷劑，模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性直接影響著系統(tǒng)制冷劑儲液量分配的計(jì)算結(jié)果，但對系統(tǒng)的流量沒有直接的影響。第二類是膨脹閥和壓縮機(jī)，它們屬于系統(tǒng)中壓力調(diào)節(jié)部件，直接決定著系統(tǒng)的蒸發(fā)壓力和冷凝壓力。儲液器可以歸為第三類，它儲存了整個(gè)系統(tǒng)中的大部分制冷劑，對整個(gè)系統(tǒng)的動態(tài)性能有著很大的影響，但并不要求詳細(xì)了解其中的傳熱傳質(zhì)過程，僅計(jì)算儲液器的總體狀態(tài)和進(jìn)出口參數(shù)。

　　由于蒸發(fā)器和冷凝器在制冷系統(tǒng)中是很重要的，對它們的研究也很活躍，分別建立了一些相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，總體上可分為4種：黑盒子模型、單一區(qū)域模型、兩區(qū)域模型和分布參數(shù)模型。水源熱泵的蒸發(fā)器和冷凝器都是采用循環(huán)水作為載體，在兩區(qū)域模型的基礎(chǔ)上，考慮了兩相區(qū)氣液滑移產(chǎn)生的動量交換和質(zhì)量交換，建立的一組無因次數(shù)學(xué)模型。對于壓縮機(jī)和儲液器，一般都忽略其內(nèi)部復(fù)雜的傳熱傳質(zhì)過程，認(rèn)為壓縮機(jī)容積中制冷劑均勻分布，儲液器中制冷劑處于飽和狀態(tài)，整個(gè)容積壁面處于相同溫度下，建立集中模型（Lumped Model）。

　　節(jié)流裝置有毛細(xì)管、熱力膨脹閥等，通常把熱力膨脹閥看成一個(gè)節(jié)流裝置。

　　1.2系統(tǒng)簡介水源熱泵系統(tǒng)示意圖如所示，其具體參數(shù)如下：冷凝器：采用套管式換熱器（外加保溫層），銅管外徑φ0＝10 mm，內(nèi)徑φi＝8 mm；塑料套管內(nèi)徑φ＝18 mm；總長為10 m.采用每2 cm一個(gè)結(jié)點(diǎn)，沿管長共取500個(gè)結(jié)點(diǎn)。

　　蒸發(fā)器：采用類似蒸發(fā)器的套管式換熱器，總長為8.46 m，沿管長共取423個(gè)結(jié)點(diǎn)。采用熱力膨脹閥，其中感溫包中的制冷劑的溫度對應(yīng)于蒸發(fā)器出口溫度的響應(yīng)。壓縮機(jī)：旋轉(zhuǎn)式壓縮機(jī)，n = 2 980 r/min，壓縮機(jī)理論排量V = 2.16×10 -6 m 3 /r.儲液器：容積為V = 4.75×10 -4 m 3。四通換向閥。

　　1.3系統(tǒng)模型系統(tǒng)模型的目標(biāo)是在已知系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)、換熱器進(jìn)出口水溫和流量的基礎(chǔ)上，分別建立各個(gè)部件的數(shù)學(xué)模型，*后求得系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行性能。

　　1.3.1換熱器模型換熱器是制冷空調(diào)系統(tǒng)中的主要換熱設(shè)備，它包括蒸發(fā)器和冷凝器兩大主要部件。對于水源熱泵來說，常采用套管式（小負(fù)荷）換熱器和管殼式換熱器（大負(fù)荷），實(shí)驗(yàn)中選取套管式的，制冷劑走管程，載熱（冷）劑走殼程，所以換熱器的動態(tài)數(shù)學(xué)模型應(yīng)包括管內(nèi)側(cè)制冷劑、管外側(cè)水和金屬管壁三個(gè)部分。

　　**部分為管內(nèi)側(cè)制冷劑的數(shù)學(xué)模型。（4）對于均相流體來說，上述式（1）（4）中的<α>取值分別為0或1，其中R q為制冷劑與管壁的換熱量：tp，in tp（）R w qαT T =。

　?。?）第二部分為管壁的數(shù)學(xué)模型：認(rèn)為管內(nèi)、外壁溫度相等，采用集中參數(shù)法建立管壁熱平衡方程。d（）（）d w R i R w a o w a T C M A T T A T T t =α。 （6）第三部分為載冷（熱）劑水的數(shù)學(xué)模型，可以作出如下假定：流體為不可壓縮流體；流體流動為一維流動；流體的粘性作用很小，略去粘性耗散項(xiàng)；沿流動方向的導(dǎo)熱，質(zhì)量方程：d（）πd a a o a M d Dωx =。

　 （8）1.3.2壓縮機(jī)模型壓縮機(jī)是整個(gè)系統(tǒng)的核心部件，實(shí)驗(yàn)中采用容積式壓縮機(jī)。由于壓縮機(jī)內(nèi)的制冷劑處于氣態(tài)，在此作如下處理：簡化為一個(gè)理想的絕熱過程除80%.

　　壓縮機(jī)的排氣量：th v R s V m v=λ，（9）其中：輸氣系數(shù)vλ，包括壓縮機(jī)的容積系數(shù)cλ、壓力系數(shù)pλ（取1）、預(yù)熱系數(shù)Tλ和泄漏系數(shù)Dλ（取0.98）的修正，νs為壓縮機(jī)的進(jìn)入氣體密度，V th為壓縮機(jī)理論容積輸氣量。

　　1.3.3熱力膨脹閥模型制冷劑流過熱力膨脹閥的過程可視為等焓過程，忽略其本體熱容變化的影響，則通過膨脹閥的流量計(jì)算：st（） （）i c e b e m C p ρ，（11）其中C為膨脹閥的特性系數(shù)，ρi為膨脹閥制冷劑密度，p b為感溫包的壓力，p st為由膨脹閥彈簧提供的靜壓。

　　1.3.4儲液器模型制冷劑流過儲液器的壓力降較小，可以認(rèn)為其進(jìn)口蒸氣的焓值與出口蒸氣的焓值相等，把儲液器看成一個(gè)整體，且整個(gè)壁面保持在同一溫度下，采用集中參數(shù)法建立如下的數(shù)學(xué)模型。儲液器質(zhì)量方程：d ac c e m t 。

　　（12）儲液器能量方程：dd ac e e ac w ac c c m h T m h t = +α。

　?。?3）儲液器壁面的溫度變化：d（）d w o a w ac w ac T C M T t =α。（14）1.3.5四通換向閥模型四通換向閥主要通過改變氣流通道而使氣體流動方向發(fā)生變化，從而達(dá)到改變氣動執(zhí)行元件運(yùn)動方向目的。制冷劑在四通閥中，從高壓側(cè)向低壓側(cè)的泄漏量可表示為：（）L c e L C p p m=μ，（15）其中C L為泄漏系數(shù)。

　　2計(jì)算方法與結(jié)果分析2.1計(jì)算方法穩(wěn)態(tài)計(jì)算主要用于預(yù)測一定工況下制冷系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)所表現(xiàn)出來的系統(tǒng)性能，從而反映壓縮機(jī)、冷凝器、儲液器、四通換向閥、熱力膨脹閥和蒸發(fā)器各部件之間的耦合關(guān)系。實(shí)際制冷系統(tǒng)是一個(gè)封閉的循環(huán)回路，其表征工質(zhì)特性的物理量，既是系統(tǒng)某部件的輸出量，同時(shí)又是系統(tǒng)下一個(gè)部件的輸入量，因而可以很方便地得到系統(tǒng)和各部件工作參數(shù)的耦合關(guān)系。一般采用上游邊界點(diǎn)值代替內(nèi)部結(jié)點(diǎn)相應(yīng)的參數(shù)值，對各微分項(xiàng)采用向前差分，對時(shí)間項(xiàng)采用隱式格式。

　　純工質(zhì)R22和混合工質(zhì)R22/R142b（按質(zhì)量成分46.3：53.7）的熱物性參數(shù)計(jì)算，采用改進(jìn)的PT方程，并假定初始參數(shù)：蒸發(fā)器出口過熱度同為5℃；T c、T e的選取原則：純工質(zhì)取冷凝壓力和蒸發(fā)壓力所對應(yīng)的飽和溫度，混合工質(zhì)取冷凝壓力對應(yīng)的泡點(diǎn)溫度、蒸發(fā)壓力對應(yīng)的露點(diǎn)溫度。

　　2.2計(jì)算結(jié)果與分析為了檢驗(yàn)上述模型的準(zhǔn)確性，文中采用一套小型水源熱泵裝置的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與其對應(yīng)環(huán)境參數(shù)的模擬計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了對比，結(jié)果見表1.對比數(shù)據(jù)包括蒸發(fā)器和冷凝器的出口水溫、整個(gè)系統(tǒng)的制冷量、耗功量和對應(yīng)的性能系數(shù)COP值。從表中的計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比可以看出，蒸發(fā)器和冷凝器出口水溫的平均誤差小于0.62℃，制冷量和耗功的誤差小于9.95%和8.7%，說明所建立的計(jì)算模型的精度比較高，能夠較好地預(yù)測系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能。

　　3結(jié)論本文對水源熱泵系統(tǒng)建立了其各部件相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，根據(jù)系統(tǒng)中各部件參數(shù)間的變化關(guān)系，通過對蒸發(fā)溫度T e、冷凝溫度T c進(jìn)行合適的調(diào)整，模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比表明，本文所建立的數(shù)學(xué)模型，可用于多參數(shù)空調(diào)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)特性的計(jì)算機(jī)模擬，為水源熱泵系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)和*優(yōu)控制提供了一種較完整的動態(tài)模擬方法。

　　考慮到非共沸混合工質(zhì)存在溫度滑移現(xiàn)象，在建立換熱器模型中都采用了分布參數(shù)模型，從表1可以看出，計(jì)算精度控制在10%以內(nèi)，可以適用于熱泵系統(tǒng)的模型設(shè)計(jì)中以及系統(tǒng)的性能優(yōu)化計(jì)算。