引言空气源热泵是一种吸收空气低品位热能，并使吸收的热能在较高温度下得以有效利用的热能装置[1]，具有较好的经济性和环境友好性[2]，可应用于工业领域。王岗[3]等结合太阳能光伏光热技术，开发太阳能-空气复合热源热泵系统，与单空气热源系统相比，该系统加热时间缩短5.14%。杨永安[4]等计以R410A为工质的复叠式空气源热泵系统，解决了寒冷地区（大气温度低于0 ℃地区）的供热问题。Yan[5]等利用空气源热泵与水蒸气压缩机的蒸汽发生系统进行蒸汽灭菌。明廷玉[6]等将空气源热泵技术应用于茶叶干燥，比燃煤烘箱节能36.7%。宋国华[7]等将空气源热泵技术与污泥干化技术结合，研发1 000 m2温室污泥干化系统，日均处理污泥约10 t。目前，保温餐车多采用电热管加热系统，将水蒸发变成水蒸气对饭菜进行保温。该方法利用焦耳效应实现电热转换，但是具有耗电大，运行费用高等缺点。而热泵技术具有热源获取方便、效率高、无污染[8]，可减少耗电量等优点。将热泵技术应用于地铁列车上，可使全年节能率达26%[9]，但节能效率仍可进一步提高。因此，文章基于空气源热泵技术，设计一套保温餐车系统，将空气低品位热能转移到水箱加热，并对节能效果与经济效益进行研究。1系统设计1.1系统构成热泵保温餐车系统包括餐车本体、热泵循环系统、控制系统和通风系统。热泵循环系统的组成如图1所示。热泵循环系统主要由压缩机、冷凝器、电子膨胀阀和蒸发器组成；通风系统采用截面积30 cm×30 cm的风道和外转子轴流风机组成。热泵保温餐车系统关键组件参数如表1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.06.016.F001图1热泵循环系统的组成10.3969/j.issn.1004-7948.2022.06.016.T001表1热泵保温餐车系统关键组件参数项目参数压缩机PH165X1C—8DZD2型转子式压缩机冷凝器蛇形传热管式膨胀阀DPF(Q)1.65C电子膨胀阀蒸发器FNA—2.5/11.3翅片式蒸发器控制系统YH—4CTBH电脑控制系统1.2循环工质的选择制冷剂在热泵循环中充当媒介，通过自身热力状态变化与外界发生能量交换。常见的制冷剂包括R410A、R407C、R134a、R22等[10]。R22属于A1类热泵工质，具有不可燃、低毒等优点[11]。在不同的工况下，R22均展现出较大的制热性能和较好的稳定性[12]，同时，R22具有较高的单位容积制热量[13]。因此，系统选用R22为制冷工质。1.3系统的工作原理热泵循环系统基于逆卡诺循环原理，通过蒸发器吸收环境热量及压缩机做功产生的热量达到加热水以及保温水的作用。气态工质被吸入压缩机，压缩成高温高压工质，通过管路进入冷凝器，与水箱中的冷却水进行热交换，水箱温度升高，工质冷却、冷凝成高压饱和或过冷液体；高压液态制冷剂从冷凝器出口排出，经电子膨胀阀减压进入蒸发器；低压工质经蒸发器与空气进行热交换，吸收外部环境热量蒸发成饱和或过热气体工质重新进入压缩机，不断循环往复[14]。控制系统工作过程：在控制面板上，设定餐车水箱的保温温度，启动热泵循环系统进行加热，温度传感器将水温反馈至温度控件。当水温达到设定值时，热泵循环系统停止工作；当水温低于设定值5 ℃时，热泵循环系统启动并将水温加热到设定值。2试验方案与数据处理2.1试验装置为方便分析系统的热力学性能，对比热泵保温餐车与电加热餐车的节能效果，搭建试验装置，采集冷凝器、蒸发器、风道进出口温度以及水箱温度，记录出风口风速、室内热环境等参数。热泵循环系统试验装置如图2所示。试验装置组件如图3所示。温度传感器采用K型热电偶，共18个；水箱水温测点6个，均匀布置距箱底1 cm的平面上；风道进出风口测点各4个，均匀布置于距风道内壁8 cm处；冷凝器进出口测点各1个；蒸发器进出口测点各1个。安捷伦数据采集仪(34907A)进行数据记录，采样周期3 s，且将数据传输到电脑保存；计量功耗表计量热泵保温餐车、电加热餐车用电量；热式风速仪(MODEL6006)记录出风口风速。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.06.016.F002图2热泵循环系统试验装置10.3969/j.issn.1004-7948.2022.06.016.F003图3热泵循环系统试验装置组件2.2试验方案试验工况条件设计如表2所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.06.016.T002表2试验工况条件设计项目参数值设定室内环境温度/℃21.0±0.5初始水温/℃20.0设定水温/℃60.0冷却水量/L15.0达到设定温度时间/min30.0±5.0试验一：热泵保温餐车系统和电加热餐车。热泵保温餐车系统通过控制面板实现自动运行，电加热餐车运行需要试验人员进行控制。当水温到达设定的保温温度60 ℃时，试验人员手动将电加热的电源断开，记录用电量；当水温比设定的保温温度低5 ℃时，手动开启电加热电源，循环运行试验。试验二：热泵保温餐车系统和电加热餐车+风机。热泵保温餐车系统具有保温功能和空气调节功能。因此，电加热餐车系统接入1个风速、功率与热泵餐车系统相当的风机，其他试验条件均与试验一致。2.3数据处理系统制热量计算公式：Qh=mCP1(T2-T1) (1)式中：Qh——制热量，J；m——水箱中水的质量，kg；CP1——水的比热容，J/(kg∙K)；T2——水箱瞬时水的温度，℃；T1——水箱初始水的温度，℃。系统制热能效比定义：COPh=QhW (2)式中：COPh——制热能效比；W——系统用电量，kWh。热泵餐车系统冷风供应量计算公式：G=νA (3)式中：G——冷风供应量，m3/s；ν——风道出口风速，m/s；A——风道出口截面积，m2。热泵餐车系统制冷量计算公式：Qc=GCP2(T4-T3)ρ (4)式中：Qc——系统制冷量，J；CP2——空气比热容，J/(kg∙K)；T4——风道出口处温度，℃；T3——室内环境温度，℃；ρ——空气密度，kg/m³。热泵餐车系统制冷能效比定义：COPc=QcW (5)式中：COPc——制冷能效比。3试验结果与分析3.1系统性能3.1.1系统制热能效比COPh、平均水温与时间的关系曲线如图4所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.06.016.F004图4COPh、平均水温与时间的关系曲线由图4可知，两系统的COPh值先增加后减小，热泵保温餐车系统COPh最高约1.98，电加热餐车COPh最高约1.00。热泵保温餐车系统COPh受水温影响较大，水温升高，冷凝器内高温工质与水温的温差不断缩小，与水的传热量不断地减少，热量累积增加系统的㶲损失，从而影响系统COPh。热泵保温餐车系统主要组件的时间与温度运行数据如图5所示。由图5可知，该系统存在冷凝器换热效率低的问题。水温越接近冷凝器温度，两者温差越小，进而影响换热效率；蒸发器出口温度接近室内空气温度，系统存在蒸发器过大的问题，过大的蒸发器将增大压缩机运行负荷，不利系统长时间的稳定运行。因此，冷凝器类型及蒸发器的管簇排列等仍需要进一步优化和完善。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.06.016.F005图5热泵保温餐车系统主要组件的时间与温度运行数据不同系统运行数据对比如表3所示。由表3可知，热泵餐车系统60 ℃的COPh为1.23，低于传统的空气源、水地源热泵以及工业和民用建筑空调系统的COPh值（传统的COPh值为2.0~3.5）[15-16]，但优于传统电加热餐车，COPh提高39.77%。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.06.016.T003表3不同系统运行数据对比项目热泵保温餐车系统电加热餐车电加热餐车+风机60 ℃耗电量/kWh0.570.800.87运行3 h总耗电量/kWh1.031.371.4360 ℃的COPh1.230.880.803.1.2系统制冷能效比热泵保温餐车系统的时间与出风口温度关系曲线如图6所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.06.016.F006图6热泵保温餐车系统的时间与出风口温度关系曲线由图6可知，热泵保温餐车系统启动10 min内，风道内的空气温度快速从21 ℃降至17.5 ℃，达到对环境降温的效果。空气中水蒸气在系统蒸发器处遇冷液化，降低空气相对湿度，达到除湿效果。出风口平均风速为5.61 m/s，冷风供应量0.50 m3/s，系统制冷量为2 182 J，COPc为1.06。3.2水温波动两系统水温变化对比曲线如图7所示。由图7可知，热泵保温餐车系统水温度达到设定60 ℃，耗时31 min，略高于电加热餐车加热水温耗时(29 min)。保温阶段，热泵保温餐车系统水温标准差1.153；电加热餐车水温标准差1.619。与电加热餐车相比，保温阶段热泵保温餐车系统的水温波动更小，保温效果更佳。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.06.016.F007图7两系统水温变化对比曲线3.3全年运行经济性评估试验一与试验二累计用电量对比如图8所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.06.016.F008图8试验一与试验二累计用电量对比由图8可知，热泵保温餐车系统14 h内累计用电量节约2.39 kWh。以某高校（40 000人）为例，每500人配备1台保温餐车进行全年运行评估。系统全年运行评估对比数据如表4所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.06.016.T004表4系统全年运行评估对比数据项目热泵保温餐车电加热餐车+风机每日总运行时间/h1414台数8080每日耗电量/kWh366557年耗电量(运行300 d)/kWh109 800167 100由表4可知，与电加热餐车+风机相比，热泵保温餐车系统1 a（运行300 d）可节省57 300 kWh电量。目前，该系统部分组件仍存在问题，如冷凝器面积小、保温水箱容积小、保温棉性能一般、轴流风机功率大等，系统COPh仅1.23。未来深入优化系统组件，COPh可达3~5。投产优化后的系统在节能效果与经济效益方面均是该热泵保温餐车系统的3~5倍。4结语空气源热泵保温餐车系统，与传统电加热餐车的保温性能、COPc、COPh、全年运行经济性评估对比分析，得出以下结论：（1）热泵保温餐车系统满足餐车的饭菜保温，改善环境舒适性；保温阶段，水温波动较小，水温标准差减少28.78%，保温效果更佳；蒸发器配备风机在10 min内将风道温度降至17.5 ℃，COPc达1.06，降低空气湿度。（2）热泵保温餐车系统COPh较高，最高约1.98，受水温影响较大；加热60 ℃的COPh为1.23，优于传统电加热餐车；发现该系统冷凝器、蒸发器设计参数存在优化空间，COPh可达更高。（3）全年运行经济性评估中，热泵保温餐车系统年能耗可节约用电量34.29%，具有显著的节能效果与经济效益。