一种基于抑霜和制热多目标优化的空气源热泵设计方法与流程

本发明涉及空气源热泵压缩机、室外侧风机和室外侧蒸发器的配置设计，尤其涉及一种基于抑霜和制热多目标优化的空气源热泵设计方法，属于空气源热泵设计技术领域。

背景技术：

“空气源热泵”是近年来全世界倍受关注的节能技术，欧盟、日本等国家早已将其列入可再生能源技术，美国能源部将空气源热泵列为21世纪最具节能潜力的15项空调技术措施之一，我国住房和城乡建设部于2015年正式将其纳入可再生能源利用技术范畴，空气源热泵已成为我国重要的建筑能源形式，并广泛用于我国寒冷和夏热冬冷(暖)地区。目前，空气源热泵已在京津冀地区“煤改电”中广泛利用，更是长江流域和川西藏区解决供暖问题的首选节能技术。可见，空气源热泵作为高效的可再生能源利用技术，在我国具有广阔的应用空间和价值。

为推动空气源热泵技术的高效益应用和规模化发展，我国致力于推行《蒸气压缩循环冷水(热泵)机组》gb/t18430.1-2007、《房间空气调节器能效限定值及能源效率等级》gb12021.3-2010、gb/t25127.1-2010《低环境温度空气源热泵(冷水)机组》等相关标准，规定其在名义工况(干湿球温度7/6℃，-12/-14℃)下运行，每消耗1度电，应从环境空气中吸取1.1～2.6倍的低位热量，并为用户提供2.1～3.6倍的高位热量。尽管在名义工况下，空气源热泵的性能令人满意，但机组在设计时并未充分考虑全工况下的运行性能，比如结霜的影响，造成机组偏离设计工况时实际运行能效偏低。一旦室外换热器表面温度同时低于空气的露点及冰点温度，就会结霜，研究表明，霜层的覆盖会造成机组cop下降35％～60％，制热能力下降30％～57％。可见，结霜问题严重影响了空气源热泵机组的供热特性，特别是我国幅员辽阔，南北地区气候相差悬殊，运行工况复杂多变，机组面临着结霜问题的严峻挑战。

因此，如何保证空气源热泵机组在不同地域气候条件下实现全工况下高效、稳定运行，是推动该技术在我国应用与发展的关键。

技术实现要素：

在不同地域气候条件下，针对空气源热泵冬季供热运行中由于结霜造成的制热性能衰减问题，本发明的目的是提供一种基于抑霜和制热多目标优化的空气源热泵设计方法，通过优化压缩机、室外侧风机和室外侧蒸发器等关键部件的配比关系，提高制热能力，降低结霜速率，实现机组在重霜工况下延缓霜层生长，轻霜工况下抑制结霜，保证机组在全工况下高效运行。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于抑霜和制热多目标优化的空气源热泵设计方法，包括首先，结合地域气候特点设计，明确空气源热泵机组标准结霜工况下的抑霜目标；其次，确定机组制热能力目标；再次，根据关键部件配比系数计算模型，设计压缩机、室外侧蒸发器和风机的配置。具体的步骤如下：

第一步，根据不同地域气候特点，并综合技术经济性分析，拟定机组标准结霜工况下的抑霜目标，即确定标准结霜工况下的设计目标换热温差和目标结霜速率；

第二步，对于标准机，根据设计工况(7/6℃，-12/-14℃)下的目标制热能力，选配压缩机，确定压缩机额定转速n以及压缩排气量v0，并根据压缩机性能曲线图，确定标准结霜工况下室外蒸发器的换热能力；

第三步，根据第二步得到的压缩机标准结霜工况下的蒸发器换热能力和第一步实际的目标换热温差，确定室外侧蒸发器换热面积；

第四步，根据配比系数计算模型和抑霜目标计算模型，即和v＝-a2r+b2，确定风机额定风量。

本发明具有以下优点：

1)从设计角度，综合机组多部件进行匹配设计，提高蒸发温度，抑霜能力强；

2)机组在匹配设计时可以结合不同地域气候特点，制定针对性的抑霜目标，减缓结霜，保证机组在不同地域的高效运行；

3)避免了其他抑霜方法的附加系统所增加成本以及运行维护事宜，实用性强。

附图说明

图1是常规机组分区域结霜图谱参照图。

图2是本发明的抑霜目标关系图。

图3是本发明的配置主件组成原理图。

1压缩机、2室外侧蒸发器、3风机。

具体实施方式

下面结合附图针对本发明的实施作进一步详细描述：

(1)确定抑霜目标和制热目标。

首先，根据地域典型年温度ta和湿度rh，结合分区域结霜图谱见图1，综合技术经济性分析，拟定标准结霜工况下实际优选的设计抑霜目标结霜速率vn和换热温差δtn，实现实际优选抑霜目标下结霜占比f相对普通常规机组目标下降低n％；其次，根据设计工况(7/6℃，-12/-14℃)，确定机组目标制热能力q；

(2)进一步确定压缩机、室外侧蒸发器和风机的配置设计。

结合图3，本发明的一种基于抑霜和制热多目标优化的空气源热泵设计方法的配置设计内容主要包括，压缩机1，室外侧蒸发器2，风机3。

各主件的配置实施如下：

1)压缩机1的配置设计。首先根据设计工况下所需的制热能力目标q，选择压缩机型号，并确定压缩机额定转速n以及压缩机行程容积v0，再根据压缩机性能曲线确定标准结霜工况下的蒸发器换热能力qb；

2)室外侧蒸发器2的配置设计。首先根据标准结霜工况下的qb和δtn，同时选取传热系数ke，根据qb＝kefeδtn，计算出室外侧蒸发器换热面积fe，设计并选配蒸发器，完成蒸发器2的配置设计；

3)室外侧风机3的配置设计。结合本发明实际优选的方案如见图2，根据建立的换热温差δt、结霜速率v与配比系数r的数学模型，即以及v＝-a2r+b2，计算出rn；根据rn、压缩机额定转速n、压缩机排气量v0、以及室外侧蒸发器2的换热面积fe，利用模型确定风机额定风量g，根据换热器空气阻力δp，结合风机性能曲线图选配风机，完成室外侧风机3的配置设计。

以及v＝-a2r+b2的确定采用如下步骤方法：

(1)提出换热温差与关键部件设计参数的关系

室外侧换热器制冷剂侧的沸腾换热：

qr＝nρrηvv0(heo-hei)(1)

式中：n为压缩机转速，r/s；ηv为压缩机的容积效率；v0为压缩机排气量，m³/rev；ρr为压缩机吸入口制冷密度，kg/m³；hei，heo分别为室外侧换热器入口和出口制冷剂的比焓，kj/(kg.℃)。

室外侧换热器的对流换热：

式中：ke为室外侧换热器传热系数，w/(m²/℃)；fe为室外侧换热器换热面积，m²；te为蒸发温度，℃；tai，tao分别为室外侧换热器进、出风温度，℃。

蒸发温度与冷却空气出口温度存在一定差值，通常情况下取6～8℃，即

δto＝tao-te(3)

又

δt＝tai-te(4)

则有

室外侧换热器空气侧的对流换热：

qa＝ρacpg(tai-tao)＝ρacpg(δt-δto)(6)

式中：cp为空气比热，j/(kg.℃)；ρa空气密度，kg/m³；g风机的风量，m³/s；tai，tao分别为蒸发器进、出风温度，℃。

根据能量守恒，可知，

两边对δt进行求导，

令则

δt²-δtoδt-x＝0(11)

当δto²-4x≥0，求得根为：

将系数x进行分项整理，如下：

可以发现在系数x中，第一项中g，fe和nv0可分别反映风机、蒸发器以及压缩机的本构特征，第二项中为制冷剂的物性参数，可反映不同制冷剂的物性差异，第三项中为空气物性参数以及换热器传热系数。

(2)定义配比系数r

基于(1)中提出的换热温差与关键部件设计参数的关系，在此定义配比系数即r＝f1(n,v0,f,g)，该参数可以反映机组中风机、蒸发器以及压缩机的配比关系，其中a0为偏差修正系数取值范围为0.1～1。

同时结合公式(12)和(13)则有

δt＝f(r)(14)

因此可以通过调整风机、蒸发器以及压缩机配置关系，改变配比系数，寻求抑制结霜的最佳换热温差，实现提高机组制热能效。

进一步公式(14)抑霜目标数学模型的建立：

关于公式(14)，基于多厂家空气源热泵机组，在标准结霜工况下进行测试研究，建立了抑霜目标参数δt、v与r的数学模型：

v＝f3(r)＝-a2r+b2(16)

式中：a1，b1，a2，b2为实验系数，分别根据机组制冷剂物性、空气参数修正系数以及测试工况实验确定。