空氣源熱泵與蒸汽聯(lián)合干燥能耗的試驗(yàn)測(cè)試與分析

李 歡，張鵬飛，馬玉河

(江蘇牧羊控股有限公司//國(guó)家飼料加工裝備工程技術(shù)研究中心,江蘇 揚(yáng)州 225009)

干燥涉及領(lǐng)域廣泛，是工農(nóng)業(yè)中不可或缺的生產(chǎn)環(huán)節(jié)。在化工、醫(yī)藥、食品、木材、糧食、飼料等領(lǐng)域，干燥是主要的能耗環(huán)節(jié)。研究表明，美國(guó)、加拿大、法國(guó)和英國(guó)的工業(yè)干燥占全國(guó)能源消耗的10%～15%，而丹麥和德國(guó)則占到了20%～25%[1]。如何更加經(jīng)濟(jì)高效的獲取干燥熱源也成為一項(xiàng)重要的工作。

熱泵是在熱力學(xué)第二定律基礎(chǔ)上產(chǎn)生的一種清潔高效加熱裝置[2]。近年來(lái)，日益嚴(yán)重的空氣污染問(wèn)題使熱泵在建筑暖通上得到了廣泛的應(yīng)用[3]。熱泵運(yùn)行原理決定了它產(chǎn)生的熱能總是大于自身消耗的電能。熱泵與其他的熱源系統(tǒng)聯(lián)合使用，取得了良好的效果，比如主動(dòng)蓄放熱與熱泵聯(lián)合[4]，太陽(yáng)能與熱泵聯(lián)合[5]，微波與熱泵聯(lián)合[6]。蒸汽與熱泵聯(lián)合上，有學(xué)者研究了干燥木材的匹配[7]。本試驗(yàn)研究空氣熱源泵蒸汽聯(lián)合干燥與傳統(tǒng)蒸汽干燥在能耗方面的優(yōu)劣勢(shì)，以期為企業(yè)合理選擇熱源提供參考。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

研究了2種不同的熱源：傳統(tǒng)的蒸汽熱源和空氣源熱泵-蒸汽聯(lián)合熱源在不同室溫、風(fēng)量和出風(fēng)溫度下的關(guān)系。同時(shí)，研究了不同條件下，這2種熱源的經(jīng)濟(jì)性。為此搭建了試驗(yàn)平臺(tái)見(jiàn)圖1，調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)頻率使空氣流量達(dá)到設(shè)定值，室內(nèi)空氣進(jìn)入空氣源熱泵加熱，隨之進(jìn)入換熱器進(jìn)行加熱，調(diào)節(jié)蒸汽的流量，使空氣達(dá)到設(shè)定溫度，最后熱空氣經(jīng)風(fēng)機(jī)排出室外。

圖1 試驗(yàn)平臺(tái)示意圖1.空氣源熱泵；2.蒸汽換熱器；3.風(fēng)機(jī)；4.鍋爐；5.蒸汽流量調(diào)節(jié)閥；6、7.溫度、壓力傳感器

熱泵最大電功率為29.8 kW，設(shè)計(jì)熱風(fēng)功率為120 kW。熱風(fēng)出風(fēng)風(fēng)量設(shè)定為8 500、11 500、15 000 m3/h。熱風(fēng)出風(fēng)溫度為80、90、100、110、120℃。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)記錄在不同工況下，出風(fēng)溫度、風(fēng)量、蒸汽耗量、蒸汽壓力等。熱泵關(guān)閉時(shí)則測(cè)量蒸汽加熱空氣的工況。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

如圖2、圖3所示，對(duì)于蒸汽加熱空氣，隨著熱風(fēng)溫度的上升，蒸汽耗量隨之上升，呈線(xiàn)性關(guān)系。加入空氣源熱泵后，蒸汽耗量大幅減少，在熱風(fēng)溫度80℃，聯(lián)合熱源的蒸汽耗量?jī)H為純蒸汽的40%左右。在120℃熱風(fēng)溫度時(shí)，由于熱泵的功率恒定，而熱風(fēng)總功率上升，這時(shí)聯(lián)合熱源的蒸汽耗量為純蒸汽的60%～70%左右。決定系數(shù)R2均在0.99以上，熱風(fēng)溫度和蒸汽耗量之間的線(xiàn)性關(guān)系高，可以用該模型預(yù)測(cè)不同溫度下的蒸汽耗量。

圖2 室溫28℃熱風(fēng)溫度與蒸汽耗量的關(guān)系

圖3 室溫33℃熱風(fēng)溫度與蒸汽耗量的關(guān)系

蒸汽作為一種傳統(tǒng)熱源，其成本與其獲得方式有關(guān)，靠近發(fā)電廠(chǎng)、熱電廠(chǎng)，則蒸汽成本較低。燃煤鍋爐生產(chǎn)蒸汽成本較低，而其嚴(yán)重的空氣污染物排放問(wèn)題限制了很多小型鍋爐的使用。天然氣鍋爐清潔衛(wèi)生，空氣污染物排放低，但其蒸汽成本會(huì)相對(duì)提高。

各地大工業(yè)電價(jià)分類(lèi)眾多，比如北京的大工業(yè)電價(jià)區(qū)域分為城區(qū)、郊區(qū)、經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)，5個(gè)電壓等級(jí)，按尖峰、高峰、平段、低谷分為4個(gè)時(shí)段計(jì)價(jià)；上海按照夏季、非夏季，4個(gè)電壓等級(jí)，峰時(shí)段、平時(shí)段、谷時(shí)段3個(gè)時(shí)段計(jì)價(jià)。江蘇按5個(gè)電壓等級(jí)，高峰、平段、低俗3個(gè)時(shí)段計(jì)價(jià)。對(duì)于企業(yè)，基本電價(jià)由最大需量和變壓器容量確定，相對(duì)固定，本研究只討論電度電價(jià)對(duì)熱風(fēng)成本造成的影響。

如圖4所示，依據(jù)電度電價(jià)、蒸汽價(jià)格，根據(jù)圖2、圖3得到的公式和熱泵的電功率，計(jì)算出在風(fēng)量為8 500 m3/h，室溫33℃，熱風(fēng)溫度80℃時(shí)，熱泵-蒸汽聯(lián)合熱源與蒸汽熱源的比值?？梢钥闯觯姸入妰r(jià)對(duì)于比值的影響更大。在低谷電價(jià)時(shí)(0.3元/kW·h)，熱泵-蒸汽聯(lián)合熱源的成本為蒸汽熱源的55%左右。隨著電度電價(jià)上升，成本優(yōu)勢(shì)逐漸降低，當(dāng)電度電價(jià)達(dá)到高峰電價(jià)時(shí)(>1元/kW·h)比值已經(jīng)接近1，此時(shí)，使用熱泵-蒸汽聯(lián)合熱源優(yōu)勢(shì)不大。

圖4 熱風(fēng)風(fēng)量為8 500 m3/h，熱風(fēng)溫度80℃，室溫33℃，不同電度電價(jià)、蒸汽價(jià)格下，熱泵-蒸汽聯(lián)合熱源與蒸汽成本的比值

圖5為熱風(fēng)風(fēng)量為15 000 m3/h，室溫33℃，熱風(fēng)溫度80℃時(shí)，熱泵-蒸汽聯(lián)合熱源與蒸汽熱源的比值，在峰谷電價(jià)時(shí)(0.3元/kW·h)，熱泵-蒸汽聯(lián)合熱源的成本為蒸汽熱源的60%左右。隨著電度電價(jià)上升，成本優(yōu)勢(shì)逐漸降低，當(dāng)電度電價(jià)達(dá)到高峰電價(jià)時(shí)(>1元/kW·h)比值已經(jīng)大于1，此時(shí)，應(yīng)該關(guān)閉熱泵，使用蒸汽。

圖5 熱風(fēng)風(fēng)量15 000 m3/h，熱風(fēng)溫度80℃，室溫33℃，不同電度電價(jià)，蒸汽價(jià)格下，熱泵-蒸汽聯(lián)合熱源與蒸汽的成本的比值

3 小結(jié)

加入熱泵后，相同熱風(fēng)風(fēng)量與溫度下，蒸汽耗量明顯下降，聯(lián)合干燥的蒸汽耗量為傳統(tǒng)蒸汽系統(tǒng)的40%～70%。當(dāng)熱風(fēng)風(fēng)量為15 000 m3/h，室溫33℃，熱風(fēng)溫度80℃時(shí)，熱泵-蒸汽聯(lián)合熱源在電度電價(jià)處于峰谷時(shí)，成本為蒸汽系統(tǒng)的60%，降低成本明顯。生產(chǎn)企業(yè)可以根據(jù)當(dāng)?shù)氐拇蠊I(yè)電價(jià)和自身生產(chǎn)情況，合理利用熱泵，降低蒸汽耗量，減少熱風(fēng)成本。