何冠成 黃興釗 郭慶盛

（1.威凱檢測技術(shù)有限公司 廣州 510663； 2廣東高而美制冷設(shè)備有限公司 佛山 528244）

引言

隨著國家日益重視并大力推廣節(jié)能環(huán)保產(chǎn)品，在國家政策的支持和旺盛的市場需求下，空氣源熱泵技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用。因其干燥效果好、安全環(huán)保、高效節(jié)能、運行費用低、使用范圍廣等優(yōu)勢，在很大程度上解決了傳統(tǒng)干燥效率低、成本高的難題，故在果蔬、煙草、糧食、淤泥、木材、中草藥、茶葉、鮮花、魚肉類、橡膠等工農(nóng)業(yè)產(chǎn)品的干燥領(lǐng)域，空氣源熱泵干燥成為首選，并得到廣大用戶的好評，將是未來干燥市場的主流技術(shù)之一。

干燥用空氣源熱泵機組按結(jié)構(gòu)形式可分為開式機組和閉式機組。開式機組利用機組冷凝器加熱排濕，一般使用性能系數(shù)（COP）作為能效指標(biāo)；閉式機組利用機組蒸發(fā)器冷凝除濕，一般使用單位輸入功率除濕量（SMER）作為能效指標(biāo)[1]。兩者并無可比性，本文通過研究開式機組的制熱量與排濕量的關(guān)系，把閉式機組和開式機組的能效指標(biāo)統(tǒng)一為單位輸入功率除濕量（SMER），并通過不同工況下的一系列測試，來比較開式機組的單位輸入功率除濕量（SMER）的變化情況。

1 干燥用空氣源熱泵機組的工作原理

開式機組工作原理如圖1所示：機組的蒸發(fā)器位于室外，與室外空氣進行熱交換為室內(nèi)提供熱量；機組冷凝器位于室內(nèi)，烘干房室內(nèi)進風(fēng)空氣在冷凝器被加熱，相對濕度被降低，冷凝器出風(fēng)空氣變?yōu)楦邷氐蜐窨諝?，高溫低濕空氣?jīng)過物料時，與物料進行熱濕交換變成低溫高濕空氣，通過排濕風(fēng)機排出烘干房，在工作過程中物料的水分變成濕空氣排除烘干房，實現(xiàn)排濕干燥目的。

閉式機組工作原理如圖2所示：機組的蒸發(fā)器、冷凝器都位于室內(nèi)。烘干房室內(nèi)進風(fēng)空氣經(jīng)過蒸發(fā)器被冷卻到露點溫度以下，在換熱器翅片上析出凝結(jié)水；然后經(jīng)過冷凝器，空氣溫度升高，冷凝器出風(fēng)空氣變?yōu)楦邷氐蜐窨諝庠偎腿牒娓煞?，高溫低濕空氣?jīng)過物料時，與物料進行熱濕交換變成低溫高濕空氣，再次送入蒸發(fā)器。在循環(huán)過程中物料的水分變成冷凝水排出烘干房，實現(xiàn)除濕干燥目的。

2 開式機組除濕能效的計算

開式機組采用加熱排濕來達到干燥目的，制熱量是開式機組的重要的性能指標(biāo)，表征在名義工況下開式機組為烘干房提供的熱量。在干燥過程中，需要把新風(fēng)從烘干房外引進烘干房內(nèi)，并把濕空氣從烘干房內(nèi)排出烘干房外[2]。假設(shè)新風(fēng)進風(fēng)與熱泵機組室外機進風(fēng)的空氣狀態(tài)相同，干燥室內(nèi)排風(fēng)與熱泵機組室內(nèi)機回風(fēng)的空氣狀態(tài)相同，那么在空氣狀態(tài)一定、烘干房達到熱平衡的條件下，可通過熱泵機組的制熱量計算排濕量（除濕量）。

開式機組的制熱量等于換氣排濕的排熱量和物料中水分的汽化潛熱量之和，按式（1）計算。

圖1 開式機組工作原理

圖2 閉式機組工作原理

換氣排濕的排熱量按式（2）計算。

由式（1）和式（2）可推算開式機組的制熱量與排濕量的關(guān)系，如式（3）所示：

開式機組的單位輸入功率除濕量（SMER）按式（4）計算

式中：

C—機組制熱量，單位W；

qm—干燥室進風(fēng)/排風(fēng)質(zhì)量流量，單位kg/h；

G—機組排濕量，單位kg/h；

d2—排風(fēng)空氣含濕量，單位g/kg；

d1—新風(fēng)空氣含濕量，單位g/kg；

h2—排風(fēng)空氣焓值，單位kJ/kg；

h1—新風(fēng)空氣焓值，單位kJ/kg；

△Q—水汽化潛熱，單位kJ/kg，在1標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下取2 257；

P—機組的熱泵制熱功率，單位kW。

開式機組在制熱運行時，室外空氣溫度越高，制熱量越大[3]，排濕量越大，單位輸入功率除濕量越高，而閉式機組的單位輸入功率除濕量與室外空氣溫度無關(guān)。我們通過一系列的測試來驗證在不同的室外空氣條件下開式機組單位輸入功率除濕量的變化規(guī)律，并與相同室內(nèi)空氣條件下閉式機組的單位輸入功率除濕量作比較，得出不同室外空氣條件下機組最節(jié)能運行的溫度分界點。

3 試驗方案和結(jié)果分析

3.1 試驗方案

表1 試驗樣機整機參數(shù)

表2 試驗樣機壓縮機參數(shù)

表3 試驗樣機換熱器參數(shù)

表4 試驗工況

表5 試驗結(jié)果

選用開式機組、閉式機組各一套進行試驗，樣機的整機參數(shù)、壓縮機、換熱器的信息見表1、表2、表3。

3.2 試驗方法

在表4規(guī)定的試驗工況下，根據(jù)GB/T 17758-2010《單元式空氣調(diào)節(jié)機》附錄A規(guī)定的空氣焓差法測試開式機組的制熱量、制熱消耗功率[4]，根據(jù)GB/T 19411-2003《除濕機》規(guī)定的方法測試閉式機組的除濕量、除濕消耗功率。

3.3 試驗結(jié)果

開式機組與閉式機組的試驗結(jié)果如表5所示，其中開式機組的排濕量根據(jù)式（3）計算而得。

3.4 試驗結(jié)果

開式機組與閉式機組的單位輸入功率除濕量（SMER）隨室外空氣溫度變化的曲線如圖3所示，由圖可知開式機組的單位輸入功率除濕量（SMER）隨室外空氣溫度升高而升高，在10 ℃～20 ℃溫度段上升速度較快，20 ℃～35 ℃溫度段上升平緩。

開式機組與閉式機組的單位輸入功率除濕量（SMER）在15 ℃～20 ℃溫度段相交，根據(jù)表5測試結(jié)果可得開式機組單位輸入功率除濕量（SMER）與室外空氣溫度的關(guān)系，如式（5）所示。計算開式機組與閉式機組的單位輸入功率除濕量（SMER）同為2.67 kg/h時對應(yīng)的室外環(huán)境溫度為18.1 ℃。故在室外環(huán)境溫度高于或等于19 ℃時，空氣源熱泵機組使用開式運行進行干燥作業(yè)更節(jié)能。

式中：

y—單位輸入功率除濕量（SMER）；

圖3 單位輸入功率除濕量（SMER）與室外空氣溫度的變化曲線

x—室外空氣干球溫度。

4 結(jié)果應(yīng)用

為了降低熱泵干燥過程的能耗，烘干設(shè)備的選型、熱泵控制系統(tǒng)的設(shè)計可從以下幾方面考慮：

1）室外溫度高時使用開式運行，室外溫度低時使用閉式運行更為節(jié)能；

2）升溫階段熱泵機組應(yīng)開式運行并關(guān)閉排濕風(fēng)機，快速降溫階段熱泵機組應(yīng)停止運行并啟動排濕風(fēng)機；

3）恒溫除濕階段可開啟閉式機組。

本文的試驗為實驗室模擬試驗，空氣源熱泵機組在烘干房設(shè)計的實際應(yīng)用中還應(yīng)該考慮烘干房漏熱、物料濕熱交換效率、烘干房循環(huán)風(fēng)機能耗等因素的影響，修正單位輸入功率除濕量（SMER）與室外空氣溫度關(guān)系式，調(diào)整最節(jié)能運行的溫度分界點。

5 結(jié)語

空氣源熱泵機組開式運行與閉式運行都可以實現(xiàn)干燥物料，但兩種運行模式的單位輸入功率除濕量會隨室外空氣溫度、室內(nèi)空氣溫濕度變化。因此，在設(shè)計干燥用空氣源熱泵機組的控制系統(tǒng)時，除了要滿足干燥工藝的要求，還應(yīng)考慮機組的特性，在不同的干燥階段選用最節(jié)能的運行模式，以提高機組單位輸入功率除濕量。