1 概述
随着社会不断发展，人们对能源的需求日益增长，在碳达峰与碳中和目标的引领下，建筑余热回收引起了广泛关注。厨房作为建筑的重要场所，油烟余热回收潜力大。油烟的主要成分有油蒸气、水蒸气、食物与食用油在高温下反应生成的复杂有机物，以及燃气燃烧产生的烟气等［1-3］。
目前，国内对油烟余热回收的研究主要集中在热管和热泵技术。热管因具有导热快、可变性强、传热性能好等特点受到广泛关注。胡广涛等人［4］在低温烟气余热回收实验中，对钢质光管、螺纹管、翅片换热管的传热特性进行了对比，在不同烟气流速、进口烟气温度下，得出了换热管管外换热关联式。杨金钢等人［5］在热管式换热器中应用微热管阵列技术，并在微热管表面添加翅片以增大换热面积，制成一种新型微热管油烟余热回收换热器。可实现对中低温油烟的无污染热回收，节能效果明显。赵亚乐等人［6］针对大型酒店和学校餐厅的用能情况，设计出一种太阳能复合热水系统，利用中温型重力热管技术回收厨房油烟余热与太阳能集热器结合加热热水。因需要定时清洗热管蒸发段，存在一定的局限性。周长明等人［7］总结了4种油烟余热回收利用装置的优缺点，指出4种装置都存在油污粘附影响换热的问题。
除热管技术外，热泵技术同样在油烟余热回收领域得到了应用。热泵可回收低品位热能，具有制热效率高的特点。陈观生等人［8］将热泵蒸发器一分为二，一部分回收厨房油烟余热，另一部分回收室内回风余热。即使排烟管道装有滤油器且蒸发器采用光管，依然存在油污粘附导致换热效率下降的问题，需定期清理，带来不便。刘忠兵等人［9］设计了回收厨房油烟余热的热电热泵储水式热水器，实验发现，油烟温度、热水出水温度均会影响热电热泵冷热端温差，从而影响制热效果。
以上技术存在的共性问题：油烟与热管、热泵蒸发器直接接触易引起油污粘附甚至材料腐蚀，导致热回收效率下降。厨房油烟仅发生在烹饪期间，是一种间歇热源［10］，无法保证热量持续供应。
为解决以上问题，笔者提出一种可缓解油污粘附的油烟余热回收系统，联合相变蓄热、电辅助热源、双源热泵，实现供冷、供暖、供应生活热水。本文对油烟余热回收系统的工艺流程、控制原则、存在问题与应对措施进行探讨。
2 油烟余热回收系统
2.1系统流程
油烟余热回收系统流程见图1。油烟余热回收系统分为排烟系统、第1换热系统、第2换热系统。排烟系统包括吸油烟机、排油烟道、净化器、排风机。第1换热系统包括螺旋管1、翅片管1、蓄热水箱、电辅助热源，循环介质为水。第2换热系统包括螺旋管2、翅片管2和水-空气双源热泵（以下简称双源热泵），循环介质为水。螺旋管缠绕在排油烟道外侧，螺旋管外包裹保温层，保温层与排油烟道之间填充相变材料。
图1 油烟余热回收系统流程
①油烟持续产生时
当油烟持续产生时，高温、高油污油烟被吸油烟机吸入排油烟道，先与两级螺旋管换热，部分热量同时被蓄热材料吸收。降温后的高油污油烟经净化器后称为清洁油烟，然后与两级翅片管换热。经过两次换热后的低温清洁油烟通过排风机排向室外。
螺旋管1、翅片管1吸收的油烟热量，用于加热蓄热水箱中的生活热水。供暖期，经螺旋管2、翅片管2吸收油烟热量的低温热水作为双源热泵的低温热源，制备热水为房间供暖。供冷期，双源热泵切换为风冷模式，制备冷水为房间供冷。
②油烟中断时
当油烟中断时，蓄热水箱中生活热水经螺旋管1吸收相变材料释放的热量，电辅助热源也开启加热生活热水。供暖期，蓄热材料释放的热量为双源热泵提供低温热水，当热量不足时，双源热泵将室外空气作为低温热源。供冷期，双源热泵切换为风冷模式，制备冷水为房间供冷。
2.2控制原则
为方便分析，温度传感器1~6测量的温度分别用t1~t6表示，双源热泵蒸发温度用t表示，单位为℃。
①第1换热系统
当t3-t1≥8℃时，循环泵1开启，电磁阀1、2打开。
当t4-t1≥8℃且t3-t1≤3℃时，循环泵1开启，电磁阀1关闭，电磁阀2打开。
当t3-t1≤3℃且t4-t1≤3℃时，循环泵1关闭，电磁阀1、2关闭。
当蓄热水箱水位在设定的干烧水位110%以上，且t2低于蓄热水箱设定温度5℃时，电辅助热源开启。当蓄热水箱水位在设定的干烧水位110%以下，或t2达到蓄热水箱设定温度时，电辅助热源关闭。
②第2换热系统
当t5-t≥5℃时，循环泵2开启，电磁阀3、4打开。
当t6-t≥5℃且t5-t≤3℃时，循环泵2开启，电磁阀3关闭，电磁阀4打开。
当t5-t≤3℃且t6-t≤3℃时，循环泵2关闭，电磁阀3、4关闭。
3 存在问题与应对措施
油烟余热回收系统虽然避免了油烟与螺旋管直接接触造成的粘附和腐蚀，但排油烟道内壁不可避免存在油污，一定程度上增大传热热阻。随着工作时间延长，净化器的净化效果下降，油污也会粘附在翅片管表面，降低换热效率。针对以上问题，提出以下应对措施。
①将排油烟道制成波纹管缓解油污积累。排油烟道内壁使用不浸润材料，将管道倾斜一定角度，在合适位置设置排油口。陈克平等人［11］对不锈钢波纹管和光管的传热、污垢特性进行数值模拟、实验研究，发现波纹管的传热、阻垢性能明显优于光管。波纹管阻垢性能突出的主要原因为：近壁面的湍流强度在旋涡作用下得到加强，主导油污沉积的黏性底层遭到破坏，促进油污微粒脱离壁面。
②应用油烟脱排净化器［2］、射流式油烟净化器［12］等高效油烟净化器，以增强油烟净化能力。江静杰等人［13］对比了7种油烟净化技术的净化效率，发现两种及以上净化技术组成的复合净化装置能够极大提高净化效率，但仍需定期清洗或更换滤料。