热质可交换的多区域太阳能干燥温室设计的探讨

李惠玲

（广东省现代农业装备研究所，广州 510630）

热质可交换的多区域太阳能干燥温室设计的探讨

李惠玲

（广东省现代农业装备研究所，广州 510630）

提出了一种热质可交换的多区域太阳能干燥温室，该干燥温室可满足物料各阶段对干燥温湿度不同的干燥特性要求，并可通过控制各个区域之间的热量传递和空气交换流程达到节能和温度准确控制的目的。同时以高温干燥区、中温干燥区和低温干燥区的太阳能干燥温室为例，简单描述了其结构和功能，设计了中温干燥区的控制逻辑流程，该流程可延伸至整个干燥温室的控制逻辑流程设计。

太阳能 干燥温室 多区域 热质交换

0 引言

2008年我国能源消耗约0.95 t标准煤/万元GDP，其中12%的能耗用于干燥作业[1]，干燥能耗相当于0.114 t标准煤/万元GDP，因此，研制高效节能干燥设备和改造现有设备对实现我国节能减排的长期规划具有重要意义。

太阳能利用具有普遍、无害、巨大和长久性等优点，是廉价优质的清洁能源，但太阳能同时具有分散性、随机性和间歇性的缺点[2]，这些缺点使太阳能干燥技术在应用稳定性上受到限制，通常配备辅助加热克服该缺点。

本文探讨的热质可交换的多区域太阳能干燥温室（以下简称多区域干燥温室）是基于物料干燥特性要求、太阳能（能量）充分利用、温湿度独立调控和分区同时进行不同干燥阶段的思路而设计的。该设计在一定程度上弱化了只有一个干燥区域的太阳能干燥温室的缺点。本文将围绕设计要点、简单结构和控制逻辑流程进行叙述。

1 多区域干燥温室的热质交换流程简介

1.1 多区域干燥温室概述

多数的农产品干燥加工工艺要求在不同干燥阶段使用不同干燥温度，对热量的需求随之不同。

普通的太阳能干燥器只有一个干燥区域（下文简称普通干燥温室），只有一个设定温度和设定湿度，应用于干燥过程需要改变干燥温度和湿度的物料，一般操作步骤是在一批物料干燥完毕后才进下一批物料。普通干燥温室是基于干燥过程热量需求最大的干燥阶段设计的，当物料干燥处于非最大热量需求的干燥阶段时，太阳能的供给过大，需要大量的通风以降低干燥温度，未能充分利用太阳能和场地；当加工干燥周期较长的物料时，需要大量的场地吸收太阳能。

多区域干燥温室分为低温干燥区、中温干燥区和高温干燥区（可分更多区域，本文以3区为例），各区域的温湿度独立调节，满足多批物料处于不同干燥阶段的要求，并通过3个区域之间合理的“热量传递”和“空气交换”的方法，使热量和空气的利用达到最佳效果，既节能又减少场地。

“热量传递”指区域间仅有热量的交换，没有物质的交换（本文是指区域间没有空气的交换），属传热学范畴。热量传递可以统一由太阳能或辅助加热器（以下统称为热源）向各区域供给，也可以由温度较高的干燥区域往温度较低的干燥区域传递，具有单向性。

“空气交换”指区域间发生空气交换的现象，通过空气交换把热量和质量引入另一个干燥区域。它可以把温度较高的干燥区域的空气引向温度较低的干燥区域，反之也可，具有双向性。

本文的“热质交换”是对“热量传递”和“空气交换”的表述。

1.2 热量传递的技术流程图

图1表示了各干燥区域的热量供给流程，其中高温干燥区只能由热源供热，而低温干燥区则可由热源、高温和中温干燥区供热。换言之，当低温干燥区热量不足时，热量可以由热源向高温干燥区供给后，再由高温干燥区往低温干燥区供给。通过组合原理分析得，图1中热量向高温、中温和低温干燥区的传递路线分别为1、2和4条。即指向每个区的箭头终点均为一条线路，尽管指向低温干燥区高温区的箭头只有3个，但通过高温干燥区到中温干燥区再往低温干燥区的间接路线仍算一条。以下举例说明：

向低温干燥区供热的4条传递路线分别为：①热源→低温干燥区；②热源→中温干燥区→低温干燥区；③热源→高温干燥区→中温干燥区→低温干燥区；④热源→高温干燥区→低温干燥区。其它区域的供热路线同理。

1.3 空气交换的技术流程图

图2表示了各干燥区域的空气交换是双向的，任何区域间的空气可以互换。

图2中“环境空气”与3个区域间没有使用双向箭头，而使用了单箭头，意在表达“环境空气”可以引入任何一个区域，但该区域的空气不一定就排向环境，该区域的空气可以流向其它区域，再由其他区域排向环境。

而3个区域都引出了一个没有指向对象的单向箭头，正是对“环境空气”引出的单箭头的呼应，表示对应区域的空气排向了环境，不一定有环境空气进入该区域。

通过组合原理分析得，图2中空气在高温、中温和低温干燥区的流向路线均为4条。即指向每个区的箭头终点均为一条线路，均为3条，加上各区域指向环境的1条，共4条。

其中，中温干燥区4条空气流向路线分别为：①环境→中温干燥区；②低温干燥区→中温干燥区；③高温干燥区→中温干燥区；④中温干燥区→环境。其它区域的流向路线同理。

1.4 热量传递和空气交换的技术流程合并

图1 热量传递技术流程图

图2 空气交换技术流程图

热量传递和空气交换可以单独发生也可同时发生。也就是说，将图1和图2的流程合并可形成热质交换流程图，热质交换路线的数量应为热量传递数量与空气交换路线数量的乘积，即高温、中温和低温干燥区的“热质交换”路线分别为4、8和16条。原理是在热量传递路线中随机抽取1条与在空气交换路线中随机抽取1条形成组合的问题。

图3 干燥温室的结构原理图

2 干燥温室结构的设计

图3是根据技术方案的热量传递和空气交换流程原理，设计的多区域干燥温室的结构原理图（三视图）。

热源风机启动时热量从太阳能吸热层或辅助加热器向个区域供给。风机使空气流经辅助加热器或吸热层，吸收热量，空气温度升高后再进入干燥区域，该过程空气在区域内部循环流动。

换热风机启动时热量在干燥区域间传递。俯视图中，把换热风机包围在内的是一个换热器，两个不同区域的空气同时流经换热器时就产生热量的交换，通过换热风机驱动空气流经换热器。

换气风机启动时空气在干燥区域间流动。换气风机以2个为一组（如BC、AB和AC均是两个风机），送风方向相反。若同时启动BC可以进行相邻区域的空气交换，只启动其中一个可以使空气有序地流动。

排气风机启动时空气由干燥区域流向环境。

风机均带阀门，在不运行时，阀门关闭，隔绝各区域间的自然传递。

各个风机的启停条件（控制逻辑）就是“热质交换”路线的真实反映，如上文所述各区域的“热质交换”路线分别为4、8和16条，换言之，各个风机的启停条件共有4+8+16=32种逻辑组合。采用计算机编程或PLC编程辅助可快速实现32个逻辑组合判断。

下文以中温干燥区首先达到干燥湿度设定上限为例，设计控制逻辑，设计结果必须涵盖中温干燥区的8条“热质交换”路线。

3 干燥温室热量传递和空气交换控制逻辑的设计

表1 设计控制逻辑过程需要使用的参数

3.1 控制参数说明

由于控制过程中存在空气交换即2股空气混和，混和结果是空气焓和含湿量总量不变，所以空气焓和含湿量是重要的控制参数。由于两者均是空气的状态参数，通过计算可以与空气的温度、相对湿度和密度等其它状态参数相互转化，具体数值的转换参看文献[3]。

在编制控制逻辑的程序时，人机界面上以温度和相对湿度为控制值，而控制程序内部则以空气焓和含湿量（绝对湿度）为控制值。控制过程需要用到的参数如表1所列。

在各参数标上0、1、2、3下标，表示不同区域的参数（0、1、2和3分别对应环境、高温、中温和低温区域的参数），下标4则表示各区域同类参数之和。如其中各区之间热湿比即时值ε的下标为2个数字即ε12，则代表高温和中温干燥区之间的空气热湿比。各区总焓H=M·h，总含湿量D=M·d。设定高值和低值（HH、DH、HL和DL）由设定温度和相对湿度及其回差计算所得，整个干燥温室的总焓H4=H1+H2+H3，整个干燥温室的总含湿 量D4=D1+D2+D3。

3.2 控制逻辑流程

由于中温干燥区均可与其它区域发生热量传递和空气交换，以中温干燥区达到设定条件为例，设计一个较具代表性的控制逻辑。

假设某一时刻，中温干燥区的即时温湿度满足条件D2＞DH2且T2-ΔT2＜t2＜T2+ΔT2时，表明测量湿度已高于设定温度内湿度的高值，而测量温度仍在设定值的范围内，需要做相应的处理。

图4中温干燥区湿度高于设定上限后的控制技术流程图。

如图4，在长方形中的文字是动作输出（风机启停），每一个动作输出后都会实时监控是否达到程序结束条件，控制响应时间少，温湿度控制精度高，所以把程序结束的判断条件放在程序开始后，有利于流程图的解读。表2列出了流程图中各关系式（逻辑条件）的含义和作用。

流程图中有8个可能动作，包含了图1与中温干燥区连接的3条换热技术路线；包含了图2内中温干燥区与高温、低温干燥区连接的2条换气技术路线；包含了高温、中温和低温干燥区与环境连接的3条换气技术路线。换言之，已包含中温干燥区对热量传递和空气交换的所有可能性。

3.3 与普通干燥温室的节能分析对比

当d2＞d2+Δd2且T2-ΔT2＜T＜T2+ΔT2时，普通太阳能干燥温室只有一个区域，只能通过排气降低湿度，热量伴随空气排向环境。对应图4就是马上执行“中温区排气”动作。

而本文的多区域干燥温室可以考虑把中温干燥区的热量传递给低温干燥区再排气，实现了一次节能操作，对应图4就是先执行“与低温区换热”动作，或者把不适用于中温干燥区的空气与其他区域交换（只要其他区域适用即可）。

图4 中温干燥区湿度高于设定上限后的控制技术流程图

表2 流程图中各关系式（逻辑条件）的含义及作用

（续上表）

简而言之，图4内要使中温干燥区直接排气（与普通温室动作一样）必须满足4个“虚线菱形”内的判断条件才行，只要中间有一个判断条件使其他动作执行就表示节能一次，因此本文设计的多区域干燥温室具有良好的节能效果。若只发生区域间换气后控制程序结束，那么节能效果就更佳。

4 结束语

1）多区域太阳能干燥温室是基于物料干燥工艺在各阶段对干燥温湿度要求不同而设计的，具有实际应用意义。

2）多区域太阳能干燥温室各区域的设定湿度是独立的，但与环境的空气交换是基于3个区域的含湿量总和控制的，有效降低了热损失。

3）多区域太阳能干燥温室各区域的设定温度是独立的，但热量可以由较高温的区域往较低温区域传递，当必须与环境空气交换时，热量优先考虑留给其它区域，且选择适当的区域与环境换气，使换气过程最经济，节能效果明显。

4）本文设计的中温干燥区控制逻辑只要适当修改参数和条件即可为其它干燥区所用，完成整个干燥温室的控制逻辑设计。

[1]张德元.浅谈干燥设备系统的节能减排：第十二届全国干燥会议论文集[C].2009：7-14.

[2]罗运俊.太阳能利用技术[M].北京：化学工业出版社，2005：29-49.

[3]薛殿华.空气调节[M].北京：清华大学出版社，1998：3-26.

Study on the Design of Multi Area Solar Drying Greenhouse for Heat Mass Exchangeable

LI Huiling
(Guangdong Agricultural Machinery Research Institute,Guangzhou 510630,China)

In this paper,a multi-area solar drying greenhouse with hot mass exchange is presented.The drying greenhouse can meet the drying characteristics of different stages of the drying temperature and humidity,by controlling the flow of Heat transfer and air exchange between every area can achieve the purpose of energy saving and temperature accurate control.For simply describing drying greenhouse’s structure and function,this paper takes solar drying greenhouse as an example of high temperature drying area,middle temperature drying area and low temperature drying area.And then we design the control logic flow of the middle temperature drying area,which can be referred to the control logic flow design of the whole dry greenhouse.

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李惠玲（1982-），女，汉族，海南人，学士，机电工程师，主要从事农业设施设备研究。