多級(jí)余熱回收空氣能熱泵系統(tǒng)效能的實(shí)驗(yàn)研究

基金項(xiàng)目：陜西省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（批準(zhǔn)號(hào)：2021GY?150）資助的課題;西安航空學(xué)院校級(jí)科研基金（批準(zhǔn)號(hào)：2021KY

1202）資助的課題。

作者簡(jiǎn)介：范小苗（1980-），正高級(jí)工程師，從事暖通空調(diào)及光伏發(fā)電系統(tǒng)的研究。

通訊作者：楊斌（1978-），教授，從事化工機(jī)械、環(huán)境力學(xué)、多相流及新能源的研究，binyang@nwu.edu.cn。

引用本文：范小苗，何賈超，陳學(xué)燁，等.多級(jí)余熱回收空氣能熱泵系統(tǒng)效能的實(shí)驗(yàn)研究[J].化工機(jī)械，2024，51（2）：187-192.

DOI：10.20031/j.cnki.0254?6094.202402003

摘 要 針對(duì)熱風(fēng)干燥用空氣能熱泵系統(tǒng)廢熱回收不充分，造成熱泵系統(tǒng)換熱效率低下、低溫環(huán)境工作適應(yīng)性差等問(wèn)題，基于空氣源熱風(fēng)系統(tǒng)自由熱回收和自由熱分配的技術(shù)方法，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了多級(jí)余熱回收空氣能熱泵系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明：余熱回收可以有效提升熱風(fēng)干燥用空氣能熱泵系統(tǒng)的熱效率，最高可達(dá)無(wú)回?zé)徇\(yùn)行模式下熱泵能效比COP的1.51倍;環(huán)境溫度對(duì)余熱回收模式的選擇有決定性影響;當(dāng)環(huán)境溫度一定時(shí)，制熱溫度上升則熱泵系統(tǒng)COP下降，但是不同余熱回收模式提升熱泵系統(tǒng)效能的優(yōu)劣性不隨制熱溫度變化;當(dāng)實(shí)驗(yàn)工況及余熱回收模式一定時(shí)，熱泵系統(tǒng)COP與新風(fēng)量存在極值關(guān)系。

關(guān)鍵詞 空氣能熱泵 多級(jí)余熱回收 熱風(fēng)干燥 能效比

中圖分類號(hào) TQ051.5" "文獻(xiàn)標(biāo)志碼 A" "文章編號(hào) 0254?6094（2024）02?0187?06

近年來(lái)在經(jīng)濟(jì)發(fā)展的帶動(dòng)下，我國(guó)熱泵技術(shù)逐步完善，并形成了一定的市場(chǎng)規(guī)模。面對(duì)節(jié)能與環(huán)保的雙重需要，空氣能熱泵成為煤改電背景下的重要替代品[1]，這促使空氣能熱泵的發(fā)展逐漸加快，進(jìn)一步推動(dòng)了空氣能熱泵技術(shù)的大力發(fā)展。

空氣能熱泵在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用主要集中在熱風(fēng)干燥、原油加熱及電鍍廢液回收等方面[2～4]。盡管空氣能熱泵供熱干燥技術(shù)得到了大力發(fā)展，但其自身存在的一些不足仍限制了熱泵干燥系統(tǒng)的應(yīng)用。首先，熱泵干燥的環(huán)境適應(yīng)性不足，不同變溫環(huán)境下熱泵的性能和供熱量無(wú)法自行調(diào)節(jié)而達(dá)到最優(yōu)，不僅影響干燥效率且能耗大。其次，受限于常規(guī)制冷劑及壓縮機(jī)的性能差或成本問(wèn)題，在低溫季節(jié)，與熱泵換熱工質(zhì)相比其出口溫度較低，難以滿足某些干燥工藝應(yīng)用中的溫度條件要求，通常還需要增加電輔熱，節(jié)能效果不足。最后，熱泵烘干系統(tǒng)末端裝置換熱效率低，規(guī)格不統(tǒng)一，還需要優(yōu)化裝置并制定標(biāo)準(zhǔn)。

針對(duì)熱泵干燥系統(tǒng)廢棄余熱回收不充分，造成熱泵系統(tǒng)換熱效率低下、低溫環(huán)境工作適應(yīng)性較差等問(wèn)題，筆者基于空氣源熱風(fēng)系統(tǒng)自由熱回收和自由熱分配的技術(shù)方法，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了熱風(fēng)干燥用多級(jí)余熱回收空氣能熱泵系統(tǒng)[5]，并對(duì)其效能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理及實(shí)驗(yàn)方案

多級(jí)余熱回收空氣能熱泵系統(tǒng)原理如圖1所示，其包括兩個(gè)子系統(tǒng)：子系統(tǒng)Ⅰ——空氣能熱泵系統(tǒng);子系統(tǒng)Ⅱ——熱回收系統(tǒng)。其中，子系統(tǒng)Ⅰ主要由蒸發(fā)器、冷凝器、壓縮機(jī)、膨脹閥、氣分和風(fēng)機(jī)組成;子系統(tǒng)Ⅱ主要由一級(jí)換熱器、二級(jí)換熱器、三級(jí)換熱器、二通閥、水泵、比例控制閥和流量計(jì)組成;此外，整個(gè)系統(tǒng)還包括一套控制監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)多級(jí)余熱回收空氣能熱泵系統(tǒng)的運(yùn)行控制、性能監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)采集。一級(jí)熱回收換熱器回收干燥室出風(fēng)中的余熱，二、三級(jí)熱回收換熱器與空氣能熱泵系統(tǒng)的冷凝器、蒸發(fā)器相連，通過(guò)調(diào)節(jié)二通閥的開(kāi)閉，使各級(jí)余熱回收可單獨(dú)、串聯(lián)或并聯(lián)組合運(yùn)行（表1），根據(jù)熱泵運(yùn)行工況靈活調(diào)節(jié)，有效提升熱回收效率，并通過(guò)三級(jí)熱回收換熱器對(duì)進(jìn)入蒸發(fā)器的冷風(fēng)進(jìn)行預(yù)熱，改善冬季熱泵結(jié)霜問(wèn)題，提升熱泵系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性。整個(gè)熱泵系統(tǒng)中采用液體介質(zhì)進(jìn)行換熱。液體的比熱容大于空氣，能夠得到更好的熱回收效果，進(jìn)一步提高余熱回收效率。換熱形式采用間壁式換熱，獨(dú)立的回?zé)嵯到y(tǒng)管道可以避免廢氣與新空氣摻混、污染干燥室內(nèi)環(huán)境，保證室內(nèi)空氣質(zhì)量。

表1 系統(tǒng)運(yùn)行模式說(shuō)明

[運(yùn)行模式全稱 運(yùn)行模式簡(jiǎn)稱 無(wú)熱回收工況 無(wú)回?zé)?一級(jí)與二級(jí)熱回收串聯(lián) 1?2串聯(lián) 一級(jí)與三級(jí)熱回收串聯(lián) 1?3串聯(lián) 一、二、三級(jí)熱回收串聯(lián) 1?2?3串聯(lián) 二級(jí)與三級(jí)熱回收并聯(lián)后與一級(jí)串聯(lián) 2//3并聯(lián) ]

圖2為實(shí)驗(yàn)中烘干室的尺寸結(jié)構(gòu)及設(shè)備布局。多級(jí)余熱回收空氣能熱泵系統(tǒng)的主要部件性能參數(shù)見(jiàn)表2。

為考察不同環(huán)境溫度下室內(nèi)控制方式對(duì)機(jī)組性能的影響，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集分為3個(gè)階段：

a. 2021年11月1日～2022年1月20日，室外日均溫度-5～15 ℃;

b. 2022年3月1日～5月20日，室外日均溫度5～25 ℃;

c. 2022年7月1日～9月20日，室外日均溫度15～35 ℃。

分別在3種溫度環(huán)境下，通過(guò)改變制熱溫度（新風(fēng)出口設(shè)定溫度）和新風(fēng)風(fēng)量分析5種運(yùn)行模式的熱泵系統(tǒng)能效比COP，尤其是加入多級(jí)余熱回收裝置后系統(tǒng)相對(duì)于無(wú)熱回收運(yùn)行模式的性能提升效果。

2 熱泵系統(tǒng)效能分析

2.1 環(huán)境溫度變化的影響

設(shè)定系統(tǒng)冷空氣風(fēng)量為450 m3/h，制熱溫度為45 ℃，分別測(cè)定時(shí)均環(huán)境溫度為-5、15、35 ℃時(shí)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，測(cè)試中每隔1 min記錄一次數(shù)據(jù)，共采集240個(gè)數(shù)據(jù)，測(cè)試時(shí)段內(nèi)以國(guó)際單位制熱力學(xué)溫標(biāo)（K）計(jì)算溫度變化的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差小于0.5%。3個(gè)溫度環(huán)境5種運(yùn)行模式共計(jì)15組工況。

由于采用變頻壓縮機(jī)，當(dāng)環(huán)境溫度基本保持穩(wěn)定時(shí)，所有運(yùn)行模式下系統(tǒng)制熱量和耗電量均呈周期性變化，且均值及幅度保持恒定。表3給出了3個(gè)環(huán)境溫度下多級(jí)余熱回收熱泵系統(tǒng)不同運(yùn)行模式時(shí)的制熱量、耗電量和COP值。由表中數(shù)據(jù)可以看出，3個(gè)環(huán)境溫度下無(wú)回?zé)崮Ｊ竭\(yùn)行的熱泵系統(tǒng)制熱量最低但耗電量最高，即COP最小。環(huán)境溫度為-5 ℃時(shí)，1?2、1?3、1?2?3、2//3模式的COP分別為無(wú)回?zé)崮Ｊ降?.28、1.51、1.39、1.47倍，其中1?3模式的余熱回收熱泵COP最高;環(huán)境溫度為15 ℃時(shí)，1?2、1?3、1?2?3、2//3模式的COP分別為無(wú)回?zé)崮Ｊ降?.40、1.33、1.44、1.34倍，其中1?2?3模式的余熱回收熱泵COP最高;環(huán)境溫度為35 ℃時(shí)，1?2、1?3、1?2?3、2//3模式的COP分別為無(wú)回?zé)崮Ｊ降?.43、1.33、1.36、1.31倍，其中1?2模式的余熱回收熱泵COP最高。考慮到1?2?3串聯(lián)模式分給二級(jí)換熱單元70%的回收廢熱以及將30%廢熱送到三級(jí)換熱單元，2//3并聯(lián)模式分給二、三級(jí)換熱單元的熱量都是50%，結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，隨著環(huán)境溫度的升高，回收余熱的利用有效率逐步從蒸發(fā)器（三級(jí)換熱單元）轉(zhuǎn)變到了冷凝器（二級(jí)換熱單元）。在低溫環(huán)境下，采用1?3模式不僅能夠消除蒸發(fā)器結(jié)霜問(wèn)題，還可以有效提高熱泵的COP;當(dāng)環(huán)境溫度達(dá)到35 ℃后，預(yù)熱進(jìn)入冷凝器的新風(fēng)對(duì)提升熱泵COP更有效果，因此根據(jù)環(huán)境溫度靈活調(diào)節(jié)余熱回收模式可以最大化地提升熱泵系統(tǒng)的能效。

2.2 制熱溫度變化的影響

實(shí)驗(yàn)中環(huán)境溫度保持在10～12 ℃之間，測(cè)試時(shí)段內(nèi)溫度變化的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差小于0.5%（按熱力學(xué)溫標(biāo)（K）計(jì)算）。制熱溫度分別設(shè)置為40、45、50 ℃，其他工況條件與2.1節(jié)相同，同樣各工況每隔1 min記錄一次數(shù)據(jù)，每組提取240個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)。表4為制熱溫度40、45、50 ℃時(shí)5種模式下的熱泵系統(tǒng)能效比COP。可以看出，隨著制熱溫度的升高，熱泵系統(tǒng)的COP逐步降低，無(wú)回?zé)崮Ｊ较聼岜孟到y(tǒng)的COP相比仍是最小的，余熱回收可以有效提升熱泵系統(tǒng)的能效。無(wú)論制熱溫度如何變化，環(huán)境溫度一定的條件下始終是1?2?3模式的熱泵系統(tǒng)COP最高，并且是無(wú)回?zé)釤岜肅OP的1.13、1.21、1.23倍，說(shuō)明制熱溫度變化不會(huì)改變余熱回收模式對(duì)熱泵系統(tǒng)能效提升的優(yōu)劣性，余熱回收模式需要根據(jù)環(huán)境溫度確定。

2.3 新風(fēng)量變化的影響

當(dāng)環(huán)境溫度與制熱溫度一定時(shí)，新風(fēng)量代表了熱泵系統(tǒng)加熱冷空氣送入烘干室的熱量。實(shí)驗(yàn)中制熱溫度設(shè)定為50 ℃，余熱回收模式采用1?2?3模式，新風(fēng)量為250～650 m3/h。圖3給出了新風(fēng)量變化對(duì)熱泵系統(tǒng)COP及出口風(fēng)溫的影響。可以看出，當(dāng)新風(fēng)量較小時(shí)，熱泵系統(tǒng)冷凝器放熱量充裕，因此出口風(fēng)溫可以高于設(shè)定值，但多余的放熱量被浪費(fèi)，因此COP較小;隨著新風(fēng)量的增大，熱泵系統(tǒng)冷凝器放熱量與新風(fēng)冷空氣的吸熱量逐漸匹配，COP增大;當(dāng)新風(fēng)量進(jìn)一步增大，熱泵系統(tǒng)的放熱量不足以充分加熱新風(fēng)，出口風(fēng)溫明顯低于設(shè)定的制熱溫度，同時(shí)熱泵壓縮機(jī)的全負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)造成熱泵系統(tǒng)耗電量急劇上升，COP隨新風(fēng)量增大逐步下降。因此，COP與新風(fēng)量變化存在極值關(guān)系，即存在最優(yōu)的新風(fēng)量供給關(guān)系，需要根據(jù)運(yùn)行工況及制熱需求實(shí)際確定，本實(shí)驗(yàn)中最優(yōu)的新風(fēng)量在350～450 m3/h之間。

3 結(jié)束語(yǔ)

筆者設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一種多級(jí)余熱回收空氣能熱泵系統(tǒng)，可以根據(jù)環(huán)境溫度變化自由調(diào)整余熱回收模式，從而最大程度地提升熱泵系統(tǒng)換熱效率，改善低溫環(huán)境下熱泵系統(tǒng)結(jié)霜問(wèn)題。中長(zhǎng)期實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明，采用余熱回收可以有效提升熱風(fēng)干燥用空氣能熱泵系統(tǒng)的熱效率COP。環(huán)境溫度對(duì)余熱回收模式的選擇有決定性影響：低溫環(huán)境下，1?3模式可以最大效率地提升熱泵系統(tǒng)的COP且消除蒸發(fā)器結(jié)霜影響;隨著環(huán)境溫度升高，回收余熱用于預(yù)熱進(jìn)入冷凝器前的新風(fēng)對(duì)熱泵系統(tǒng)COP的提升作用逐漸增強(qiáng)，當(dāng)溫度升到

35 ℃時(shí)采用1?2模式的熱泵系統(tǒng)COP值最高，可達(dá)3.87。變化制熱溫度的實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明，制熱溫度變化對(duì)熱泵性能的作用不受余熱回收模式的影響，制熱溫度越高，熱泵系統(tǒng)的工作負(fù)荷越大，從而造成熱泵系統(tǒng)COP整體下降。新風(fēng)量變化將改變熱泵系統(tǒng)的新風(fēng)出口溫度即實(shí)際制熱溫度，熱泵系統(tǒng)COP與新風(fēng)量存在極值關(guān)系。

參 考 文 獻(xiàn)

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（收稿日期：2023-04-22，修回日期：2024-03-14）

Experimental Study of the Energy Efficiency of Air Energy

Heat Pump System for Multistage Waste Heat Recovery

FAN Xiao?miao1， HE Jia?chao2， CHEN Xue?ye2， YANG Bin2

（1. School of Energy and Building， Xi’an Aeronautical Institute;

2. School of Chemical Engineering， Northwest University）

Abstract" "Considering heat pump system’s poor efficiency in recovering waste heat and its low heat exchanging efficiency and poor working adaptability at low temperature environment， having the air?hot system’s technical approaches of free heat recovery and heat distribution based to design air energy heat pump system which boasting of multi?stage waste heat recovery was implemented. The experimental results show that， the waste heat recovery can effectively improve thermal efficiency of the air energy heat pump system for hot air drying， and the highest energy efficiency ratio of the heat pump can reach 1.51 times of the COP in the non?regenerative operation mode. The environmental temperature has a decisive influence on selecting the waste heat recovery mode. As for a certain ambient temperature， the COP" of the heat pump system decreases when the heating temperature increases， but advantages and disadvantages of different waste heat recovery modes to improve efficiency of the heat pump system doesn’t change with the heating temperature. When the experimental conditions and the waste heat recovery mode are fixed， the COP of the heat pump system has extreme relationship with the fresh air flux.

Key words" "air energy heat pump， multistage waste heat recovery， hot?air drying， COP