太陽能熱泵干燥技術進展淺析范文

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摘要：綜述了國內外太陽能熱泵干燥技術的研究進展，并對太陽能熱泵干燥技術的最新應用進行了總結，分析了太陽能熱泵干燥技術存在的問題，提出其未來的研究方向是太陽能輔助多級空氣源、化學和地源熱泵干燥系統，控制系統和經濟性的研究。太陽能熱泵干燥是一種新型干燥技術，它綜合了太陽能干燥和熱泵干燥的優點，解決了太陽能干燥受時間、氣候等因素制約的問題，具有潛在的發展前景。

關鍵詞：太陽能；熱泵；干燥；應用

0引言

干燥技術廣泛應用于木材、食品、煙葉、陶瓷、生物醫藥、化工等諸多領域。傳統的干燥方式是燃煤熱風、燃油干燥，隨著工業化的進程加快，煤、石油等化石燃料大量消耗，加劇了環境的破壞，急需尋求清潔高效的干燥方式來取代傳統的燃煤、燃油熱風干燥［1-3］。熱泵干燥是一種新型的干燥技術，采用逆卡諾循環的工作原理，以消耗一部分的高品位能量（電能、機械能）為代價，實現把低溫熱源中的熱量轉移到高溫熱源中。熱泵干燥比其他干燥方式更加溫和，進入干燥室的空氣的溫度和濕度都可以控制，熱泵干燥系統的能效比（COP）可達3.0左右，能源利用率高，熱泵干燥還具有適用范圍廣、運行費用低、環保無污染等優點。太陽能是一種可再生的清潔能源，隨著化石燃料的短缺，太陽能受到越來越多的重視，太陽能利用技術也逐步發展起來，太陽能干燥就是其中之一。但是太陽能干燥易受氣候條件、地理位置及時間因素的影響，限制了推廣，為了滿足節能環保和連續作業的要求，可以把太陽能和熱泵組合成太陽能熱泵聯合干燥新技術。本文對該技術的研究進展進行了綜述。

1太陽能熱泵干燥國內外研究進展

1.1熱泵系統中的制冷劑研究

Nasruddin等［4］研究了低GWP制冷劑R1234ze（E）在太陽能輔助熱泵系統高溫工況下系統能量、效益和環境的最優化。結果表明：蒸發溫度為319K壓縮機吸氣溫度372K和冷凝溫度379K系統達到最佳工況，太陽能輔助熱泵系統的COP為5.04。Lee等［5］研究了使用低GWP制冷劑（R-1233zd（E））的太陽能熱泵系統的性能，該太陽能熱泵系統帶有一種新型的太陽能集熱器，研究結果發現無論在任何天氣條件下，這種新型的太陽能集熱器的集熱效率可達40%，與R-134a相比較，雖然R-1233zd（E）的熱容量沒有R-134a高，但是R-1233zd（E）的能量耗費率更低，系統在使用R-1233zd（E）能效比（COP）更高。王洪利等［6］對采用R1234yf為制冷劑的太陽能-空氣能復合熱泵系統進行了性能分析，且與選用R134a為制冷劑的熱泵系統進行了對比，研究結果表明太陽能熱泵系統的性能較高、耗功少、制熱性能高，選用R134a作為制冷劑的熱泵系統的COP比采用R1234yf高約2%~3.4%，而R1234yf作為R134a的替代物，溫室效應值極低，環保性能更加顯著。

1.2太陽能熱泵系統研究

Sonsaree等［7］提出了一種將工業廢熱回收與太陽能熱水系統相結合的蒸汽壓縮熱泵作為加熱增壓器的有機朗肯循環（ORC）發電的新概念。通過建立數學模型仿真對系統的經濟性和對環境的影響進行了評估。結果表明當太陽能集熱器的數量為700臺時，該系統的平均電力成本（LEC）和回收期分別為0.098美元/（kW•h）和22.5年，可以生產47.0（MW•h）/年的電力，系統每年可減少二氧化碳排放量約25.8噸。蔣綠林等［8］設計一種凝結式熱回收熱泵和太陽能熱泵聯合干燥裝置，其中凝結式熱泵系統回收干燥廢氣中的大量熱量（特別是潛熱），對干燥介質（新風）進行一級加熱，太陽能熱泵系統對干燥介質進行二級加熱（如圖2所示）。試驗結果表明：在平均輻照強度為625W/m2。環境溫度為22.3℃時，熱風溫度可達40~70℃，熱泵干燥系統平均能效比高達3.89，干燥能耗除濕量平均達1.65kg/（kW•h），均遠高于傳統干燥系統。Qiu等［9］設計了一種新型熱回收和熱儲能太陽能輔助熱泵干燥系統。試驗結果表明：SAHPD的干燥系統的性能系數介于3.21至3.49之間，此外，在熱回收方面可節省40.53％的能源消耗，經過計算用該系統干燥蘿卜，胡椒和蘑菇的投資回收期分別是6年，4年，2年。胡靜等［10］設計了一種相變儲能光伏太陽能熱泵干燥系統，可實現干燥廢氣余熱（顯熱和潛熱）回收、新風兩級加熱以及太陽能和熱泵系統多余能量的儲存。試驗結果表明：太陽能光伏發電量可滿足系統的供電要求。系統的COP為3.25，干燥溫度可達60℃以上，適用于多種物料干燥。

1.3太陽能集熱器研究

Chen等［11］設計了一種熱管太陽能光伏集熱器，試驗結果發現，熱泵系統的COP隨著太陽能強度，環境溫度和光伏背板吸收率的增加而增加，冷凝器入口水溫，光伏封裝因子和熱管間距的增加會降低熱COP，采用熱管輔助光伏熱力蒸發器的集熱效率要比傳統的光伏集熱器高3%~5%。周偉等［12］設計了一種微通道集熱／蒸發器，采用樹形分支模型，由2塊鋁板冷軋吹脹而成，并將微通道集熱／蒸發器應用到太陽能熱泵系統中，試驗結果表明：系統全年平均COP為4.8，集熱效率為1.3。HadiSamimi-Akhijahani等［13］設計了一種可以對太陽進行跟蹤的太陽能集熱器，試驗結果表明：太陽追蹤系統將干燥時間從36.6％縮短至16.6％，顯著增加了9.1%~64.6％范圍內的有效水分擴散率。

2太陽能熱泵干燥系統的形式

太陽能熱泵干燥系統是由太陽能集熱系統、熱泵系統、干燥系統組成，主要部件包括太陽能集熱器、循環風機、冷凝器、節流閥、蒸發器、壓縮機、干燥室等，通常為了提高系統運行穩定性或者運行效率會增加集熱水箱、箱變蓄熱箱等裝置。（1）太陽能熱泵干燥系統根據熱泵系統的蒸發器與太陽能集熱器的組合形式分為：直膨式和非直膨式。在非直膨系統中，根據太陽能系統和熱泵系統工作運行方式，又分為串聯式、并聯式和混聯式。直膨式太陽能熱泵干燥系統就是將太陽能的集熱器和熱泵系統的蒸發器組成太陽能集熱蒸發器，在熱泵蒸發器的表面噴涂光譜選擇性圖層，制冷劑直接在集熱蒸發器中吸收太陽輻射能膨脹升溫。直膨式太陽能熱泵干燥系統以太陽能輻射能為主要低溫熱源，以自然對流的空氣能作為輔助的低溫熱源，為干燥系統提供熱量。Mohanraj等［14］研究了以R22為制冷劑的直膨式太陽熱泵干燥系統的性能。試驗結果發現：該系統COP在2.31~2.77之間變化，在40h內物料水分含量（濕基）從約52％降低至約9％，系統SMER為0.79kg/（kW•h），與空氣源熱泵干燥系統相比效果更優。非直膨串聯式太陽能熱泵系統是由太陽能集熱系統和一個水源熱泵系統組合而成。水在太陽能集熱器中吸收太陽輻射能后溫度升高，被泵入到集熱水箱中儲存，作為熱泵系統的低溫熱源。熱泵系統的制冷劑工質在集熱水箱中吸收熱量，經壓縮機壓縮后進入到冷凝器中，與室外的空氣進行換熱，然后由風機送入到干燥室中對物料進行干燥。李宏燕等［15］研究了太陽能與熱泵干燥的串聯形式，在太陽能不同的供熱溫度下對壓縮機的工作性能進行了研究。結果表明提高熱泵的蒸發溫度，可改善壓縮機的工作環境，從而提高熱泵供熱的COP。

非直膨并聯式太陽能熱泵干燥系統中太陽能系統和熱泵系統相對獨立工作，其中太陽能作為主要熱源，熱泵作為輔助熱源。在太陽能充足時，由太陽能集熱器提供熱量對空氣進行加熱，進入到干燥室中對物料進行干燥。當遇到陰雨天氣太陽能輻射較弱或者沒有太陽能時，太陽能集熱器收集的熱量無法滿足干燥的需要，啟動熱泵系統物料進行干燥Li等［16］研究了并聯式太陽能熱泵干燥系統的性能，試驗結果發現：系統的最大COP可達6.25，SMER為3.0kg/（kW•h），與傳統的干燥系統相比干燥產品質量顯著提高，壓縮機功耗降低。非直膨混聯式太陽能熱泵干燥系統有三種工作模式：第一種在太陽輻射能充足的時候直接由太陽能集熱器為系統提供熱量；第二種在陰雨天太陽能輻射較弱的時候，太陽能集熱器收集的熱量不能滿足物料干燥的要求，可以采用串聯的運行方式，由太陽能輔助熱泵為干燥系統提供熱量；第三種在沒有太陽能輻射的時候，啟動空氣源熱泵，由熱泵系統對空氣進行加熱干燥物料。吳鵬輝等［17］設計了一套混聯式太陽能熱泵干燥系統，試驗結果得出冷凝器溫度在47.6℃，冷凝溫度和蒸發溫度差在12℃左右時，較為合理，該系統的SMER值要高于熱風干燥，節能效果良好，干燥后的產品品質較佳。

（2）按干燥室空氣循環方式可分為開路式干燥系統、閉路循環干燥系統和半開式干燥系統。開路式干燥系統就是干燥室內對物料進行干燥后廢氣不經過處理直接排放到大氣中。閉路式干燥系統是干燥介質對在干燥室內對物料進行干燥之后，由熱回收裝置對干燥后的介質進行處理，吸收其中的顯熱和潛熱，降低干燥介質的濕度，然后進入到加熱裝置中，升溫后重新進入到干燥室循環利用。半開式干燥系統是介于以上兩者之間包括新風補充和廢氣回收的系統。

3太陽能熱泵干燥的最新應用

3.1菌菇干燥

郝亞萍等［18］設計了帶有殼管式相變蓄熱器的太陽能熱泵聯合干燥系統，對香菇干燥進行了研究。研究表明，在變溫干燥條件下，香菇在較長時間內都能保持較大的干燥速率，更適合于菌菇類的干燥。

3.2中藥材干燥

常瑞虎等［19］設計了固體儲熱材料蓄熱型干燥室，搭建了太陽能熱泵聯合干燥試驗臺，研究了當歸的干燥特性以及系統的性能。研究結果表明，新設計的干燥室可以很好地滿足當歸的干燥要求，流經物料層表面的熱空氣的速度和均勻性都得到了極大地改善。.3水產品干燥吳鵬輝等［20］利用太陽能熱泵聯合干燥的方法對初始含水率在75%以上的野生白魚進行干燥，通過試驗得到野生白魚的最佳干燥工況。研究表明野生白魚干燥的最佳工藝為：干燥溫度為41.02℃，風速為2m/s，太陽能系統的循環風機功率為0.85kW，此時干燥能耗最小值為43.89kW•h。

3.4煙草干燥

李昂等［21］設計了一種太陽能光伏發電系統與雙熱源供熱系統組合烤房，對煙葉進行烘烤，探究這種新型烤房和普通烤房耗能和烤后煙葉外觀質量、化學成分的差別。結果表明，太陽能光伏發電系統與雙熱源供熱系統組合烤房在生產應用中總耗能明顯降低，烤后煙葉的外觀品質提升，化學成分變得更協調，具有較好的推廣價值。

3.5糧食干燥

謝婷婷等［22］以早秈稻谷為原料，采用太陽能輔助熱泵聯合干燥早秈稻谷，并探討其干燥規律。研究結果發現，該系統可以顯著縮短干燥時間、降低早秈稻谷的水分含量，并且不受自然條件等影響，具有良好的干燥效果。

3.6玫瑰花干燥

袁和濤等［23］設計一種太陽能與空氣源熱泵組合干燥的裝置，并采用試驗和對比分析的方法，通過對玫瑰花蕾進行干燥對裝置進行測試。干燥裝置性能優越，供熱系數高達7.9，比單獨使用太陽能更穩定，比熱泵干燥更節能。設備干燥的玫瑰花蕾色澤純正，花香清新，不含硫，市場價值更大。

4太陽能熱泵干燥現存問題與展望

4.1現存問題

太陽能熱泵干燥技術在各個方面的研究都比較深入了，但在實際運行中仍然存在一些問題：

（1）太陽能熱泵干燥系統的初投資高，且系統需要定時維護，以保證系統高效運行。與傳統的燃煤干燥相比，投資回報期較長。

（2）太陽能資源與地理環境有著很大的關系，北方地區太陽能資源豐富，而南方地區多陰雨天氣，太陽能資源十分短缺，使得太陽能干燥技術在我國的東、南部利用率不高。

（3）熱泵系統結霜問題。一些地方晝夜溫差非常大，環境溫度有可能達到0℃以下，從干燥室出來的高濕空氣以及大氣中的水蒸氣會在熱泵蒸發器的表面凝結成霜，使得制冷劑與環境的換熱效率大大降低，系統性能下降。

4.2展望

在當今節能減排為主題的大環境下，太陽能熱泵干燥技術具有很大的發展潛力。對太陽能熱泵干燥技術不斷地改進，擴大應用范圍，提高干燥效率，增強運行穩定性，這將成為未來的發展趨勢。

（1）對太陽能輔助多級空氣源熱泵的研究。開發太陽能輔助多級空氣源熱泵干燥系統，通過對能量的梯級利用，實現太陽能和空氣源熱泵效率雙高。同時，從干燥室內出來的干燥介質的能量也可以進行多級回收，降低干燥成本，減小環境污染。

（2）控制系統的研究。開發更加完善的控制系統，實現在不同氣象條件下，太陽能熱泵干燥系統不同工作模式自動、無縫隙的切換，以及干燥介質濕度、溫度、流速在線監測和智能控制。（3）太陽能集熱器的研究。目前，對于提高太陽能集熱器的集熱性能已經進行了很多研究，但是對于不同類型的太陽能集熱器在不同氣候條件下與熱泵合理匹配的方面研究較少，包括空氣式集熱器、液體式集熱器。

（4）太陽能輔泵干燥系統經濟性的研究。太陽能熱泵系統的成本高，且在系統中有較多的運動部件需要定時維護，這些因素都會限制太陽能熱泵干燥系統的推廣。因此可以對太陽能泵干燥系統的經濟性進行研究，得到不同類型太陽能熱泵干燥系統的投資回報期，可為選擇適合不同氣候和經濟條件的最佳太陽能熱泵系統提供使用指南。

（5）太陽能聯合其他源熱泵系統的研究。應該加大對太陽能聯合水源、土壤源、化學源熱泵系統的研究，可根據實際地理環境和氣候條件選擇合適的干燥系統，進一步的提高能源利用率。

5結語

太陽能熱泵干燥技術有著其他干燥技術不可比擬的優勢——對太陽能進行了利用，同時具有干燥效率高、節能環保的優點。目前，對于太陽能熱泵干燥技術的研究已比較成熟，但是對于太陽能輔助多級空氣源、化學和地源熱泵干燥系統、精密的控制系統、不同類型太陽能集熱器在不同氣候條件下與熱泵系統合理匹配的研究以及太陽能熱泵干燥系統投資與回報的問題研究還比較少。隨著研究的深入和技術的不斷成熟，太陽能熱泵干燥技術會創造更大的節能環保效益，對于緩解能源危機和減少環境污染具有重要意義。

作者:李亞倫 李保國 朱傳輝 單位:上海理工大學能源與動力學院