涡旋式水源热泵系统性能仿真

　　传统涡旋式水源热泵的设计需要进行大量的实验，耗费巨大且设计周期长，而利用数学模型对系统性能进行仿真，并在此基础上进行性能分析和优化，则将大大缩短设计周期并节省设计费用。目前，计算机仿真技术已应用于小型制冷装置[1]和大型螺杆冷水机组[2]的优化设计。而对以涡旋式水源热泵为代表的中型热泵，其关键部件涡旋压缩机和电子膨胀阀的大规模商业运用限于近十多年，因此对于其模型和系统算法方面的研究还不够成熟。

　　压缩机模型方面，兼顾速度与精度的半经验压缩机模型[3-5]在系统仿真中被优先考虑。但现有的半经验模型在某些方面未尽完善，如未考虑吸气加热过程对工质流量的影响[3]，需要较多的实验数据来确定模型参数[4]以及不能预测排气温度[5]等。电子膨胀阀的建模方面，反映电子膨胀阀动态控制特性的模型大多较为复杂，影响计算的速度和稳定性[6];若忽略电子膨胀阀对过热度的控制，从而将之简单地作为节流短管来处理[7]，则又会因为无法反映阀的开度的影响而导致精度不够，且开度值难以确定。系统算法大致可归纳为三种，即连续迭代法[8]、顺序模块法[9]和方程联立求解法[10]。连续迭代法在迭代变量较多的情况下收敛性难以保证，但在处理小规模问题时速度快且稳定。后两者虽然都存在速度较慢、健壮性较差的问题，但适于处理中大规模问题，尤其是顺序模块法通过模块化提高了模型的易维护性。因此设计系统算法时可综合各种算法的优点。

　　以下将建立适用于系统仿真的涡旋式热泵系统模型，为了保证系统模型的稳定性和易维护性，将结合顺序模块法和连续迭代法对模型进行求解。

　　1 系统模型

　　系统模型由压缩机、换热器以及节流装置等子模型构成。

　　1.1 涡旋压缩机模型

　　系统仿真计算中，压缩机模型需要输出工质流量、输入功率和排气温度这三个参数，而输入参数则为吸气温度和压力、排气压力、环境温度以及压缩机的结构参数。

　　气体在涡旋压缩腔中压缩结束时(点3)的压力p3取决于涡旋压缩腔内容积比εv，如果出现过压缩或欠压缩时，气体将会在压缩腔排气口进行一个等容过程直到压力等于排气压力pdis(点4)。因此，压缩机输入功率Pin可以表示为式(1)：

　　式中：v3—压缩终了比容，v3= v2/εv。

　　如图1所示，涡旋压缩腔排出的高温气体在壳体内与壳体以及电机换热，并且加热吸气管中的吸气，从而温度降低[8]。吸气过程模型如式(2)所示，排气过程模型如式(3)和(4)所示。由于壳体会与环境换热，而输入功率耗损被机体吸收，为了反映该关系还需要补充压缩机能量平衡方程与流量方程，分别如式(5)和(6)所示。