恒温恒湿培养箱在碳中和实验中的余热回收研究与探讨
2025-05-26 14:41 0次
一、引言
碳中和目标驱动下，实验室与工业领域的高能耗设备节能改造成为重点。恒温恒湿培养箱作为生物、医药、食品等行业的核心设备，其运行过程中需持续消耗电能用于制冷 / 制热与湿度控制，同时向环境排放大量废热，废热约占总能耗的 60%-80% 。传统设备未对废热进行有效利用，导致能源浪费与碳排放增加。本研究通过集成余热回收系统，探索培养箱能效提升的可行路径，为实现低碳科研与工业生产提供支撑。
二、余热回收系统集成方案设计
（一）系统架构
余热回收系统由热交换模块、热泵机组与相变储能单元三部分组成。热交换模块设置于培养箱排风通道，采用翅片式换热器，用于捕获设备运行时排出的湿热空气热量；热泵机组利用逆卡诺循环原理，将低品位废热提升为高品位热能，可用于预热新风或辅助加热；相变储能单元选用石蜡基复合材料等相变材料，借助其潜热存储特性，平衡热回收与用热端的供需波动。
（二）关键技术参数
热交换器换热面积为 8m²，耐温范围在 - 20℃-80℃，阻力损失小于 50Pa；热泵机组额定制热量达 12kW，性能系数（COP）不低于 3.5；相变储能单元储能密度为 150kJ/kg，相变温度稳定在 25℃±2℃。
三、实验设计与方法
（一）测试平台搭建
以某型号容积 500L、制冷量 5kW、加热功率 6kW 的恒温恒湿培养箱为研究对象，在室温 20℃、湿度 50% RH 的标准实验室环境下开展测试。设置三种典型工况：低温工况下，培养箱控温 15℃，控湿 60% RH；中温工况，控温 25℃，控湿 70% RH；高温工况，控温 35℃，控湿 80% RH。
（二）数据监测指标
实验过程中，重点监测能耗参数，包括培养箱主机能耗、热泵机组能耗；计算热回收效率，即回收热量占排热总量的比例；统计能效提升率，通过 (改造前能耗 - 改造后能耗)/ 改造前能耗 ×100% 得出；同时记录培养箱内温湿度波动范围，评估温湿度稳定性。
四、结果与讨论
（一）余热回收效率分析
实验结果显示，不同工况下余热回收效率存在差异。其中，中温工况（25℃）热回收效率最高，达到 72%；低温工况（15℃）次之，为 68%；高温工况（35℃）略低，为 65%。这是因为中温工况下培养箱排风热焓值适中，热泵机组无需过度压缩即可实现热量提升；而高温工况时，排热温度接近环境温度，驱动热泵的能耗增加，使得净回收效率下降 。
（二）能效提升效果
集成余热回收系统后，培养箱在各工况下的能耗均显著降低。低温工况下，改造前能耗为 32.5kWh/24h，改造后降至 19.8kWh/24h，能效提升率达 39.1%；中温工况，改造前能耗 28.7kWh/24h，改造后为 17.6kWh/24h，能效提升率 38.7%；高温工况，改造前能耗 35.2kWh/24h，改造后为 21.6kWh/24h，能效提升率 38.6%，平均能耗降低 38.5%。节能主要源于三方面：一是废热再利用，回收热量用于预热新风，减少加热元件工作时间；二是热泵机组的能效优势，其制热能耗仅为电加热的 1/3 - 1/4；三是相变储能单元调峰作用，平抑夜间低负荷时段的能量需求，避免设备频繁启停。
（三）温湿度稳定性验证
改造后，培养箱内温度波动控制在≤±0.3℃，湿度波动≤±2% RH，相较于改造前温度 ±0.5℃、湿度 ±3% RH 的波动范围，稳定性明显提升，说明余热回收系统未对设备核心控温功能产生负面影响。
五、碳中和效益评估
以单台培养箱年运行 300 天计算，基于中温工况数据，改造前每日能耗 28.7kWh，改造后 17.6kWh，代入公式 ΔC = (E₀ - E₁) × 0.785 kgCO₂/kWh ，可得出年减排量约 2.5 吨 CO₂。若全国科研与工业领域 10 万台同类设备完成改造，年减排量可达 25 万吨，这相当于种植 1.3 万公顷冷杉林的碳汇能力。
六、结论与展望
（一）结论
基于热泵与相变储能的余热回收系统可有效提升恒温恒湿培养箱能效，热回收效率达 65%-72%，能耗降低 38.5%。
系统集成未影响设备温湿度控制精度，满足科研与工业应用需求。
单台设备年碳减排量超 2 吨，规模化应用将显著推动碳中和目标实现。
（二）展望
未来研究可聚焦于优化热交换器结构，提升极端工况（如高温高湿）下的回收效率；探索与光伏、风电等可再生能源的耦合，构建零碳实验室能源系统；开发智能化控制系统，实现余热回收与设备运行的动态匹配。
