基于单位除湿耗电量提高热泵干衣机能效的实验研究

陈一凡，许美萍，陈波，魏晓磊

（珠海格力电器股份有限公司，珠海，519070）

随着洗衣干衣机和干衣机在国内的普及以及大众对洗衣机衣物烘干功能需求的增加，热泵干衣机因其较低的耗电耗水量、较低的烘干温度及其他优点逐渐进入消费者的视野并备受亲睐。

目前国家没有强制执行的干衣机能效标准，但在“双碳”战略的背景下，标准的出台是可以预见的，目前行业内也正积极推进新的干衣机能效限定值标准，以推动干衣机行业的发展。

针对干衣机能效的提升有多个研究方向，刘永利等［1］利用R290制冷剂的气化潜热和饱和液密度较R134a大的特点，减小换热器的管径管距，提高了烘干能效。李伟等［2］研究了干衣机不同阶段的干燥特性及产生差异的原因，结果表明缩短热泵干衣机的预热时间、提高干燥后期的干燥效率能有效提高除湿能耗比。张春路等［3］建立了热泵干衣机的数学模型，通过仿真得出能效最佳的循环风量及制冷剂灌注量。张联英等［4］研究了不同衣物含水率对烘干性能的影响，结果表明衣物初始含水率在40～50 %之间时烘干效率较高。尹志宏［5］在传统工业干衣机上增设热管换热器，对高温湿热尾气进行预热回收，提高了烘干能效。宋朋洋等［6］研究了烘干过程中冷量的利用率，研究表明延长干空气与被干燥介质的接触时间、增大接触面积能有效提高冷量利用率进而提高除湿速率。周壮［7］研究了干燥室内相对湿度和温度的变化对单位除湿耗电量的影响，结果表明烘干起始阶段干燥室内相对湿度较高，使用较低的干燥温度能效较高，随着相对湿度的降低，逐渐提高干燥温度可以实现热泵的高能效运行。王天皓［8］等提出一种多级热泵串联干燥系统，研究表明该系统能大幅增加除湿能效比。田中君等［9］研究了干燥介质旁通和回热对闭式热泵干燥系统除湿率的影响，结果表明两项技术均能提高除湿率，并且能随着烘干的进行长期起到促进除湿的作用。

本文针对系统结构确定的热泵冷凝式干衣机，设置多个不同烘干参数的实验组采集数据。以除湿量为量度，对比筛选出一定大小除湿量区间内耗电量最低的实验组，以除湿量为量度组合对应的参数设置从而实现能效的提升。

1 研究方案设计

1.1 能效的影响因素

对于系统结构确定的干衣机，其能效主要受烘干温度、循环风机风量以及蒸发温度的影响。

烘干温度可以视作是未与筒内衣物接触的循环空气的温度，不考虑风道的温度损失，通常可以用滚筒进风温度代替。滚筒进风温度主要影响进风的相对湿度，相对湿度越小吸收水蒸气的能力越强。此外，滚筒进风温度的升高速率直接影响着筒内衣物的升温速率，进而影响着衣物的失水速率［10］。

循环风机风量由变频风机的转速决定，在进风温度一定的前提下，风量越大带湿量越大，在系统除湿能力充裕的情况下，大风量将带来相当可观的单位时间除湿量。

蒸发温度在热泵系统参数不变的情况下，主要受压缩机运行频率影响，烘干过程中压缩机高频运行以维持较低的蒸发温度。蒸发温度主要影响着除湿量，升高后除湿量的衰减会非常明显。

在实际的烘干过程中，上述三个因素相互影响。滚筒进风温度的升高影响了滚筒出风温度，使得蒸发器空气侧温度升高，进而提高了蒸发温度；风量变大会降低进风温度，影响蒸发温度；压缩机高频运行保持较低的蒸发温度，大功率输入带来的热量累积却会导致进风温度的持续升高，在进风温度到达限值后压缩机将不得不降频运行，造成蒸发温度的升高。

1.2 研究方案的核心思路

虽然较高的进风温度、较大的风量以及较高的压缩机频率能提高烘干效率减少烘干时间和耗电量，但这些措施也会增加一定的耗电量，难以直观地判断减少的和增加的耗电量孰大孰小。

提升能效的常规研究方法是设置不同参数的实验组，以时间为维度对比分析某时间段内除湿量或者耗电量的表现，然后以时间或者温度等特征为锚点将所有段的参数接合起来形成烘干全程的参数配置。但这种研究方法没有考虑到滚筒内衣物剩余湿量对除湿量的影响，烘干开始阶段除去的是与衣物以松散方式结合的自由水分，接着再除去的是结合水，二者在除湿难度上的区别极大地影响了除湿量，所以在研究能效时需要考虑到筒内衣物剩余湿量的影响。

本文研究的主要内容是如何用最少的耗电量除去一定的水量，旨在建立除湿量和耗电量的关系，以除湿量为量度，将整个烘干过程分成多个一定大小的除湿区间，对比筛选出每个区间内耗电量最小的实验组，将其对应的参数设置接合起来，形成烘干全程的参数配置。

此外，将三个参数单独控制研究没有实际意义，因为三个因素相互影响，无法精准的同时实现各自的控制目标。所以本文的研究设置不同的参数组合，研究不同的组合对耗电量的影响，其结果易于应用。

1.3 实验方案

实验采用烘干容量为6 kg的某型号热泵洗干机，针对烘干能效的主要影响因素，设置多组实验参数，参数设置见表1，表中X、Y、Z指代具体的数值，进风温度指的是目标进风温度，即升温过程结束后维持的滚筒进风温度，7、8号实验压缩机以固定频率运行，进风温度不作限制，1～6号实验压缩机频率以控制对应进风温度为目标灵活调整。

表1 实验组参数设置

1.4 测试方法

按照GB/T 20292-2019中相关规定配置6 kg欧标棉质负载，处理成相同的初始含水率。为了减小负载在筒内分布情况不同带来的误差，测试时规范了负载的摆放状态和顺序，使得负载在滚筒内的初始状态保持一致。在标准规定的工况中进行测试，收集耗电量、冷凝水量、进风温度和压缩机运行频率等数据。

2 数据处理与分析

2.1 单位除湿耗电量

测试时采集耗电量、冷凝水量、进风温度和压缩机运行频率等数据，其中冷凝水量是测试时收集到的冷凝水量，考虑到不同实验组对比时参考的是滚筒内衣物实际除去的含湿量，因此将冷凝水量除以冷凝效率得到实际除湿量，再建立实际除湿量和单位除湿耗电量的对应关系。因为冷凝效率的存在，使得每组实验计算得到的实际除湿量不为整数，为了方便对比以及绘制图表，实际累计除湿量数值作四舍五入处理。

由于冷凝水量变化较快，且因为结构等原因存在一定波动，将每一克的水量变化与耗电量一一对应误差较大，所以处理数据时将每分钟的耗电量和除湿量对应起来，这一分钟内每一克除湿量对应的单位除湿耗电量用这一分钟的单位除湿耗电量代替，汇总烘干全过程的数据就得到了实际除湿量和单位除湿耗电量的对应关系，计算示例见表2、表3。

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表2 单位除湿耗电量计算

表3 单位除湿耗电量与实际除湿量对应表

根据上述数据处理方法处理各实验组数据，以1号测试数据为例，其处理结果如图1所示。

图1 单位除湿耗电量

图中单位除湿耗电量呈现先降低后稳定最后快速增加的趋势，以此将烘干过程大概分为三个阶段：1、烘干初始阶段：由于滚筒内空气温度较低，蒸发器冷媒与翅片存在温差等问题除湿量较低，导致单位除湿耗电量较高；2、稳定烘干阶段：此阶段滚筒内衣物剩余湿量较多，筒内进风温度持续上升使得带湿量增加，循环空气与筒内衣物热湿交换较为充分，滚筒出风温度缓慢上升，蒸发温度保持在合理范围内，单位除湿耗电量较低；3、烘干衰减阶段：此阶段滚筒内衣物剩余湿量较少，且因衣物分布的问题，剩余湿量较难被循环空气带走，回风含湿量下降，露点温度降低。此外，随着筒内热湿交换的减少，滚筒出风温度加速升高，蒸发温度也随之加速升高，其与露点温度从逆差转为顺差使得凝露条件变差，所以单位除湿耗电量较高。

2.2 累计除湿耗电量

参照上述数据处理方法，处理各组实验数据，将数据以图1的形式汇总，结果如图2所示。

图2 单位除湿耗电量对比图

因为单位除湿耗电量的对比数据庞大且各组数据之间交叉重叠明显，所以图2只包含1号、7号实验组的部分除湿量区间的数据。

从图2中可以看出，两组数据多有交叉重叠，总体上1号实验组的单位除湿耗电量小于7号。为了避免耗电量最优数据的频繁波动，清晰直观地比较出各组实验数据的最优组合，下面计算累计除湿耗电量用于对比数据，结果如图3所示。

图3 累计除湿耗电量对比图

从图中可以看出，除湿量达到2,000 g以前7号实验组的耗电量较低，2,000 g之后则是1号较低，若据此应用结论进行优化实验，则烘干参数调整点就在曲线交汇处，但从图2中可以看出，实际除湿量在1,000 g左右时，7号实验组的单位除湿耗电量就开始部分超出或与1号重叠了，所以依据累计除湿耗电量比较出的结果进行调整明显是不够精确的。

2.3 一定大小除湿区间的除湿耗电量

将烘干全程分为多个一定大小的除湿区间，比较每个区间内各实验组累计除湿耗电量的大小，进而筛选出最优的烘干参数配置接合起来。

除湿区间过大则无法准确地判断出耗电量相对大小开始变化时的除湿量，过小则会造成一定的偏差，并且导致烘干参数的频繁变化，给应用增加难度。本文以除湿量区间50 g为例，计算结果如图4所示，图中数据点的纵坐标表示50 g大小的除湿量区间内耗电量最少实验组的编号。

图4 一定除湿区间耗电量最优组

从图4中可以看出，各除湿量区间整体上存在相对稳定的最优实验组，为了控制方便忽略一定的数据波动，将除湿量分为四个阶段，0～1,000采用5号实验组烘干参数，1,000～1,500采用2号，1,500～2,400采用5号，2,400～3,200采用4号，汇总对应实验组的烘干参数，并与除湿量对应起来，得到烘干能效最优的参数配置，结果见图5。

图5 除湿全程最优烘干参数配置

3 研究结果应用分析

本文研究结果的应用主要依据图5，进行应用实验时，先根据以往数据预估冷凝效率，然后将图5中的实际除湿量换算为收集到的冷凝水量，根据实时采集的冷凝水数据变化进行控制。实际应用时，进风温度和压缩机频率的对应关系可能存在偏差，此时既可以通过其他辅助散热手段在压缩机频率不变的情况下控制进风温度，也可以仅维持某一参数与图5中一致。图5中的参数仅是控制目标，实际过程允许一定的偏差。

从结果来看，应用研究成果后的烘干能效与控制参数固定的实验组相比有明显的提升。需要注意的是，本方案的能效最优组合是在涉及相关烘干参数变化范围内的最优组合，可以通过更大的实验参数范围和更丰富的参数组合来研究更优的烘干能效。

4 结束语

本文的实验研究，抓住影响烘干能效的主要矛盾，将除湿量和耗电量的关系确定为研究的关键，从而以除湿量为量度，将不同参数对烘干能效的影响转化为除湿量和耗电量的关系，使得参数变化对烘干能效的影响有了直观的体现，并且能以除湿量为量度，将不同参数的实验结果放在同一个参考系下对比分析，直观精确地分析出各参数变化对烘干能效的影响。

本实验研究的意义在于，提出了一种提高烘干能效的研究方法，一定程度上避免繁琐庞大的摸索试探性的研究实验，提供一种目的明确、方法可行、过程高效的研究思路，有效地缩短了研究时间，节省了开发成本。