基于單位除濕耗電量提高熱泵干衣機能效的實驗研究

陳一凡，許美萍，陳波，魏曉磊

（珠海格力電器股份有限公司，珠海，519070）

隨著洗衣干衣機和干衣機在國內的普及以及大眾對洗衣機衣物烘干功能需求的增加，熱泵干衣機因其較低的耗電耗水量、較低的烘干溫度及其他優點逐漸進入消費者的視野并備受親睞。

目前國家沒有強制執行的干衣機能效標準，但在“雙碳”戰略的背景下，標準的出臺是可以預見的，目前行業內也正積極推進新的干衣機能效限定值標準，以推動干衣機行業的發展。

針對干衣機能效的提升有多個研究方向，劉永利等［1］利用R290制冷劑的氣化潛熱和飽和液密度較R134a大的特點，減小換熱器的管徑管距，提高了烘干能效。李偉等［2］研究了干衣機不同階段的干燥特性及產生差異的原因，結果表明縮短熱泵干衣機的預熱時間、提高干燥后期的干燥效率能有效提高除濕能耗比。張春路等［3］建立了熱泵干衣機的數學模型，通過仿真得出能效最佳的循環風量及制冷劑灌注量。張聯英等［4］研究了不同衣物含水率對烘干性能的影響，結果表明衣物初始含水率在40～50 %之間時烘干效率較高。尹志宏［5］在傳統工業干衣機上增設熱管換熱器，對高溫濕熱尾氣進行預熱回收，提高了烘干能效。宋朋洋等［6］研究了烘干過程中冷量的利用率，研究表明延長干空氣與被干燥介質的接觸時間、增大接觸面積能有效提高冷量利用率進而提高除濕速率。周壯［7］研究了干燥室內相對濕度和溫度的變化對單位除濕耗電量的影響，結果表明烘干起始階段干燥室內相對濕度較高，使用較低的干燥溫度能效較高，隨著相對濕度的降低，逐漸提高干燥溫度可以實現熱泵的高能效運行。王天皓［8］等提出一種多級熱泵串聯干燥系統，研究表明該系統能大幅增加除濕能效比。田中君等［9］研究了干燥介質旁通和回熱對閉式熱泵干燥系統除濕率的影響，結果表明兩項技術均能提高除濕率，并且能隨著烘干的進行長期起到促進除濕的作用。

本文針對系統結構確定的熱泵冷凝式干衣機，設置多個不同烘干參數的實驗組采集數據。以除濕量為量度，對比篩選出一定大小除濕量區間內耗電量最低的實驗組，以除濕量為量度組合對應的參數設置從而實現能效的提升。

1 研究方案設計

1.1 能效的影響因素

對于系統結構確定的干衣機，其能效主要受烘干溫度、循環風機風量以及蒸發溫度的影響。

烘干溫度可以視作是未與筒內衣物接觸的循環空氣的溫度，不考慮風道的溫度損失，通?？梢杂脻L筒進風溫度代替。滾筒進風溫度主要影響進風的相對濕度，相對濕度越小吸收水蒸氣的能力越強。此外，滾筒進風溫度的升高速率直接影響著筒內衣物的升溫速率，進而影響著衣物的失水速率［10］。

循環風機風量由變頻風機的轉速決定，在進風溫度一定的前提下，風量越大帶濕量越大，在系統除濕能力充裕的情況下，大風量將帶來相當可觀的單位時間除濕量。

蒸發溫度在熱泵系統參數不變的情況下，主要受壓縮機運行頻率影響，烘干過程中壓縮機高頻運行以維持較低的蒸發溫度。蒸發溫度主要影響著除濕量，升高后除濕量的衰減會非常明顯。

在實際的烘干過程中，上述三個因素相互影響。滾筒進風溫度的升高影響了滾筒出風溫度，使得蒸發器空氣側溫度升高，進而提高了蒸發溫度；風量變大會降低進風溫度，影響蒸發溫度；壓縮機高頻運行保持較低的蒸發溫度，大功率輸入帶來的熱量累積卻會導致進風溫度的持續升高，在進風溫度到達限值后壓縮機將不得不降頻運行，造成蒸發溫度的升高。

1.2 研究方案的核心思路

雖然較高的進風溫度、較大的風量以及較高的壓縮機頻率能提高烘干效率減少烘干時間和耗電量，但這些措施也會增加一定的耗電量，難以直觀地判斷減少的和增加的耗電量孰大孰小。

提升能效的常規研究方法是設置不同參數的實驗組，以時間為維度對比分析某時間段內除濕量或者耗電量的表現，然后以時間或者溫度等特征為錨點將所有段的參數接合起來形成烘干全程的參數配置。但這種研究方法沒有考慮到滾筒內衣物剩余濕量對除濕量的影響，烘干開始階段除去的是與衣物以松散方式結合的自由水分，接著再除去的是結合水，二者在除濕難度上的區別極大地影響了除濕量，所以在研究能效時需要考慮到筒內衣物剩余濕量的影響。

本文研究的主要內容是如何用最少的耗電量除去一定的水量，旨在建立除濕量和耗電量的關系，以除濕量為量度，將整個烘干過程分成多個一定大小的除濕區間，對比篩選出每個區間內耗電量最小的實驗組，將其對應的參數設置接合起來，形成烘干全程的參數配置。

此外，將三個參數單獨控制研究沒有實際意義，因為三個因素相互影響，無法精準的同時實現各自的控制目標。所以本文的研究設置不同的參數組合，研究不同的組合對耗電量的影響，其結果易于應用。

1.3 實驗方案

實驗采用烘干容量為6 kg的某型號熱泵洗干機，針對烘干能效的主要影響因素，設置多組實驗參數，參數設置見表1，表中X、Y、Z指代具體的數值，進風溫度指的是目標進風溫度，即升溫過程結束后維持的滾筒進風溫度，7、8號實驗壓縮機以固定頻率運行，進風溫度不作限制，1～6號實驗壓縮機頻率以控制對應進風溫度為目標靈活調整。

表1 實驗組參數設置

1.4 測試方法

按照GB/T 20292-2019中相關規定配置6 kg歐標棉質負載，處理成相同的初始含水率。為了減小負載在筒內分布情況不同帶來的誤差，測試時規范了負載的擺放狀態和順序，使得負載在滾筒內的初始狀態保持一致。在標準規定的工況中進行測試，收集耗電量、冷凝水量、進風溫度和壓縮機運行頻率等數據。

2 數據處理與分析

2.1 單位除濕耗電量

測試時采集耗電量、冷凝水量、進風溫度和壓縮機運行頻率等數據，其中冷凝水量是測試時收集到的冷凝水量，考慮到不同實驗組對比時參考的是滾筒內衣物實際除去的含濕量，因此將冷凝水量除以冷凝效率得到實際除濕量，再建立實際除濕量和單位除濕耗電量的對應關系。因為冷凝效率的存在，使得每組實驗計算得到的實際除濕量不為整數，為了方便對比以及繪制圖表，實際累計除濕量數值作四舍五入處理。

由于冷凝水量變化較快，且因為結構等原因存在一定波動，將每一克的水量變化與耗電量一一對應誤差較大，所以處理數據時將每分鐘的耗電量和除濕量對應起來，這一分鐘內每一克除濕量對應的單位除濕耗電量用這一分鐘的單位除濕耗電量代替，匯總烘干全過程的數據就得到了實際除濕量和單位除濕耗電量的對應關系，計算示例見表2、表3。

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表2 單位除濕耗電量計算

表3 單位除濕耗電量與實際除濕量對應表

根據上述數據處理方法處理各實驗組數據，以1號測試數據為例，其處理結果如圖1所示。

圖1 單位除濕耗電量

圖中單位除濕耗電量呈現先降低后穩定最后快速增加的趨勢，以此將烘干過程大概分為三個階段：1、烘干初始階段：由于滾筒內空氣溫度較低，蒸發器冷媒與翅片存在溫差等問題除濕量較低，導致單位除濕耗電量較高；2、穩定烘干階段：此階段滾筒內衣物剩余濕量較多，筒內進風溫度持續上升使得帶濕量增加，循環空氣與筒內衣物熱濕交換較為充分，滾筒出風溫度緩慢上升，蒸發溫度保持在合理范圍內，單位除濕耗電量較低；3、烘干衰減階段：此階段滾筒內衣物剩余濕量較少，且因衣物分布的問題，剩余濕量較難被循環空氣帶走，回風含濕量下降，露點溫度降低。此外，隨著筒內熱濕交換的減少，滾筒出風溫度加速升高，蒸發溫度也隨之加速升高，其與露點溫度從逆差轉為順差使得凝露條件變差，所以單位除濕耗電量較高。

2.2 累計除濕耗電量

參照上述數據處理方法，處理各組實驗數據，將數據以圖1的形式匯總，結果如圖2所示。

圖2 單位除濕耗電量對比圖

因為單位除濕耗電量的對比數據龐大且各組數據之間交叉重疊明顯，所以圖2只包含1號、7號實驗組的部分除濕量區間的數據。

從圖2中可以看出，兩組數據多有交叉重疊，總體上1號實驗組的單位除濕耗電量小于7號。為了避免耗電量最優數據的頻繁波動，清晰直觀地比較出各組實驗數據的最優組合，下面計算累計除濕耗電量用于對比數據，結果如圖3所示。

圖3 累計除濕耗電量對比圖

從圖中可以看出，除濕量達到2,000 g以前7號實驗組的耗電量較低，2,000 g之后則是1號較低，若據此應用結論進行優化實驗，則烘干參數調整點就在曲線交匯處，但從圖2中可以看出，實際除濕量在1,000 g左右時，7號實驗組的單位除濕耗電量就開始部分超出或與1號重疊了，所以依據累計除濕耗電量比較出的結果進行調整明顯是不夠精確的。

2.3 一定大小除濕區間的除濕耗電量

將烘干全程分為多個一定大小的除濕區間，比較每個區間內各實驗組累計除濕耗電量的大小，進而篩選出最優的烘干參數配置接合起來。

除濕區間過大則無法準確地判斷出耗電量相對大小開始變化時的除濕量，過小則會造成一定的偏差，并且導致烘干參數的頻繁變化，給應用增加難度。本文以除濕量區間50 g為例，計算結果如圖4所示，圖中數據點的縱坐標表示50 g大小的除濕量區間內耗電量最少實驗組的編號。

圖4 一定除濕區間耗電量最優組

從圖4中可以看出，各除濕量區間整體上存在相對穩定的最優實驗組，為了控制方便忽略一定的數據波動，將除濕量分為四個階段，0～1,000采用5號實驗組烘干參數，1,000～1,500采用2號，1,500～2,400采用5號，2,400～3,200采用4號，匯總對應實驗組的烘干參數，并與除濕量對應起來，得到烘干能效最優的參數配置，結果見圖5。

圖5 除濕全程最優烘干參數配置

3 研究結果應用分析

本文研究結果的應用主要依據圖5，進行應用實驗時，先根據以往數據預估冷凝效率，然后將圖5中的實際除濕量換算為收集到的冷凝水量，根據實時采集的冷凝水數據變化進行控制。實際應用時，進風溫度和壓縮機頻率的對應關系可能存在偏差，此時既可以通過其他輔助散熱手段在壓縮機頻率不變的情況下控制進風溫度，也可以僅維持某一參數與圖5中一致。圖5中的參數僅是控制目標，實際過程允許一定的偏差。

從結果來看，應用研究成果后的烘干能效與控制參數固定的實驗組相比有明顯的提升。需要注意的是，本方案的能效最優組合是在涉及相關烘干參數變化范圍內的最優組合，可以通過更大的實驗參數范圍和更豐富的參數組合來研究更優的烘干能效。

4 結束語

本文的實驗研究，抓住影響烘干能效的主要矛盾，將除濕量和耗電量的關系確定為研究的關鍵，從而以除濕量為量度，將不同參數對烘干能效的影響轉化為除濕量和耗電量的關系，使得參數變化對烘干能效的影響有了直觀的體現，并且能以除濕量為量度，將不同參數的實驗結果放在同一個參考系下對比分析，直觀精確地分析出各參數變化對烘干能效的影響。

本實驗研究的意義在于，提出了一種提高烘干能效的研究方法，一定程度上避免繁瑣龐大的摸索試探性的研究實驗，提供一種目的明確、方法可行、過程高效的研究思路，有效地縮短了研究時間，節省了開發成本。