干燥用空气源热泵机组开式运行除湿能效的分析

何冠成 黄兴钊 郭庆盛

（1.威凯检测技术有限公司 广州 510663； 2广东高而美制冷设备有限公司 佛山 528244）

引言

随着国家日益重视并大力推广节能环保产品，在国家政策的支持和旺盛的市场需求下，空气源热泵技术得到了广泛的应用。因其干燥效果好、安全环保、高效节能、运行费用低、使用范围广等优势，在很大程度上解决了传统干燥效率低、成本高的难题，故在果蔬、烟草、粮食、淤泥、木材、中草药、茶叶、鲜花、鱼肉类、橡胶等工农业产品的干燥领域，空气源热泵干燥成为首选，并得到广大用户的好评，将是未来干燥市场的主流技术之一。

干燥用空气源热泵机组按结构形式可分为开式机组和闭式机组。开式机组利用机组冷凝器加热排湿，一般使用性能系数（COP）作为能效指标；闭式机组利用机组蒸发器冷凝除湿，一般使用单位输入功率除湿量（SMER）作为能效指标[1]。两者并无可比性，本文通过研究开式机组的制热量与排湿量的关系，把闭式机组和开式机组的能效指标统一为单位输入功率除湿量（SMER），并通过不同工况下的一系列测试，来比较开式机组的单位输入功率除湿量（SMER）的变化情况。

1 干燥用空气源热泵机组的工作原理

开式机组工作原理如图1所示：机组的蒸发器位于室外，与室外空气进行热交换为室内提供热量；机组冷凝器位于室内，烘干房室内进风空气在冷凝器被加热，相对湿度被降低，冷凝器出风空气变为高温低湿空气，高温低湿空气经过物料时，与物料进行热湿交换变成低温高湿空气，通过排湿风机排出烘干房，在工作过程中物料的水分变成湿空气排除烘干房，实现排湿干燥目的。

闭式机组工作原理如图2所示：机组的蒸发器、冷凝器都位于室内。烘干房室内进风空气经过蒸发器被冷却到露点温度以下，在换热器翅片上析出凝结水；然后经过冷凝器，空气温度升高，冷凝器出风空气变为高温低湿空气再送入烘干房，高温低湿空气经过物料时，与物料进行热湿交换变成低温高湿空气，再次送入蒸发器。在循环过程中物料的水分变成冷凝水排出烘干房，实现除湿干燥目的。

2 开式机组除湿能效的计算

开式机组采用加热排湿来达到干燥目的，制热量是开式机组的重要的性能指标，表征在名义工况下开式机组为烘干房提供的热量。在干燥过程中，需要把新风从烘干房外引进烘干房内，并把湿空气从烘干房内排出烘干房外[2]。假设新风进风与热泵机组室外机进风的空气状态相同，干燥室内排风与热泵机组室内机回风的空气状态相同，那么在空气状态一定、烘干房达到热平衡的条件下，可通过热泵机组的制热量计算排湿量（除湿量）。

开式机组的制热量等于换气排湿的排热量和物料中水分的汽化潜热量之和，按式（1）计算。

图1 开式机组工作原理

图2 闭式机组工作原理

换气排湿的排热量按式（2）计算。

由式（1）和式（2）可推算开式机组的制热量与排湿量的关系，如式（3）所示：

开式机组的单位输入功率除湿量（SMER）按式（4）计算

式中：

C—机组制热量，单位W；

qm—干燥室进风/排风质量流量，单位kg/h；

G—机组排湿量，单位kg/h；

d2—排风空气含湿量，单位g/kg；

d1—新风空气含湿量，单位g/kg；

h2—排风空气焓值，单位kJ/kg；

h1—新风空气焓值，单位kJ/kg；

△Q—水汽化潜热，单位kJ/kg，在1标准大气压下取2 257；

P—机组的热泵制热功率，单位kW。

开式机组在制热运行时，室外空气温度越高，制热量越大[3]，排湿量越大，单位输入功率除湿量越高，而闭式机组的单位输入功率除湿量与室外空气温度无关。我们通过一系列的测试来验证在不同的室外空气条件下开式机组单位输入功率除湿量的变化规律，并与相同室内空气条件下闭式机组的单位输入功率除湿量作比较，得出不同室外空气条件下机组最节能运行的温度分界点。

3 试验方案和结果分析

3.1 试验方案

表1 试验样机整机参数

表2 试验样机压缩机参数

表3 试验样机换热器参数

表4 试验工况

表5 试验结果

选用开式机组、闭式机组各一套进行试验，样机的整机参数、压缩机、换热器的信息见表1、表2、表3。

3.2 试验方法

在表4规定的试验工况下，根据GB/T 17758-2010《单元式空气调节机》附录A规定的空气焓差法测试开式机组的制热量、制热消耗功率[4]，根据GB/T 19411-2003《除湿机》规定的方法测试闭式机组的除湿量、除湿消耗功率。

3.3 试验结果

开式机组与闭式机组的试验结果如表5所示，其中开式机组的排湿量根据式（3）计算而得。

3.4 试验结果

开式机组与闭式机组的单位输入功率除湿量（SMER）随室外空气温度变化的曲线如图3所示，由图可知开式机组的单位输入功率除湿量（SMER）随室外空气温度升高而升高，在10 ℃～20 ℃温度段上升速度较快，20 ℃～35 ℃温度段上升平缓。

开式机组与闭式机组的单位输入功率除湿量（SMER）在15 ℃～20 ℃温度段相交，根据表5测试结果可得开式机组单位输入功率除湿量（SMER）与室外空气温度的关系，如式（5）所示。计算开式机组与闭式机组的单位输入功率除湿量（SMER）同为2.67 kg/h时对应的室外环境温度为18.1 ℃。故在室外环境温度高于或等于19 ℃时，空气源热泵机组使用开式运行进行干燥作业更节能。

式中：

y—单位输入功率除湿量（SMER）；

图3 单位输入功率除湿量（SMER）与室外空气温度的变化曲线

x—室外空气干球温度。

4 结果应用

为了降低热泵干燥过程的能耗，烘干设备的选型、热泵控制系统的设计可从以下几方面考虑：

1）室外温度高时使用开式运行，室外温度低时使用闭式运行更为节能；

2）升温阶段热泵机组应开式运行并关闭排湿风机，快速降温阶段热泵机组应停止运行并启动排湿风机；

3）恒温除湿阶段可开启闭式机组。

本文的试验为实验室模拟试验，空气源热泵机组在烘干房设计的实际应用中还应该考虑烘干房漏热、物料湿热交换效率、烘干房循环风机能耗等因素的影响，修正单位输入功率除湿量（SMER）与室外空气温度关系式，调整最节能运行的温度分界点。

5 结语

空气源热泵机组开式运行与闭式运行都可以实现干燥物料，但两种运行模式的单位输入功率除湿量会随室外空气温度、室内空气温湿度变化。因此，在设计干燥用空气源热泵机组的控制系统时，除了要满足干燥工艺的要求，还应考虑机组的特性，在不同的干燥阶段选用最节能的运行模式，以提高机组单位输入功率除湿量。