PCM空气式太阳能干燥在茶叶加工中的应用

朱传辉 李保国 苏树强

1.上海理工大学能源与动力工程学院

2.上海筑能环境科技有限公司

PCM空气式太阳能干燥在茶叶加工中的应用

朱传辉1李保国1苏树强2

1.上海理工大学能源与动力工程学院

2.上海筑能环境科技有限公司

介绍了云南普洱市的某茶业公司PCM空气式太阳能-热泵联合干燥房建设及应用实例。普洱茶传统加工工艺采用燃煤蒸汽锅炉进行茶饼烘干处理，现进行技术改造，采用节能环保的PCM空气式太阳能热泵干燥系统代替现有的燃煤锅炉干燥系统。通过PCM空气式太阳能集热系统，将太阳能转换热能，以空气为换热介质与空气式太阳能集热器进行换热，通过循环风机直接将热风通入到烘房内提供物料干燥热量需求；当太阳能不足时，启动空气源热泵系统。对该工程的设计方案并及干燥系统工作原理进行了详细介绍，从干燥系统运行过程中采集数据进行分析计算，计算结果表明本干燥系统节能效果明显，这些数据对目前高效利用太阳能进行商业干燥设计参数的选取，以及太阳能干燥系统的优化设计具有重要借鉴意义。

太阳能；干燥；蓄热罐；茶叶

干燥作业涉及国民经济的领域广泛，其能耗占我国总能耗的约12%[1]。近年来，我国大力研究和推广新能源及可再生能源干燥，如太阳能、生物质能、热泵以及地热等干燥能源，取得了较好的效果。其中太阳能-热泵联合干燥具有突出优点，得到研究与应用，但太阳能利用的不稳定性及间歇性严重制约着其进一步的发展应用[2,3]。本文结合具体案例介绍引进相变蓄能材料后的新型空气式太阳能集热器与热泵联合干燥的效果，通过数据分析本案例的干燥效果、经济性和环境效益，同时也可为同类地区类似情况的工程设计提供参考。

1 工程技术方案及设计

1.1 工程概况

项目位于云南普洱市工业园区，目前普洱茶加工工艺采用燃煤蒸汽锅炉进行茶饼烘干处理，茶饼烘房面积为108 m2（两个房间，每个房间54m2），每次烘干处理量为6 t（36 h）。拟进行技术改造，采用节能环保的“炫风”PCM空气式太阳能干燥系统代替现有的燃煤锅炉干燥系统。

普洱市位于云南省西南部，地处北纬22°02′～24°50′东经99°09′～102°19′之间，年均气温在15.3～20.2℃之间。依据国家建筑标准设计图集06SS128《太阳能集中热水系统选用与安装》，由于没有收录普洱市的辐照数据资料，我们参考昆明的年辐照量数据资料，即年日均太阳能辐照量为15.75 MJ/m2。根据图集06SS128《太阳能集中热水系统选用与安装》太阳能保证率推荐表及系统使用期内的太阳辐照、系统经济性、节能性等因素综合考虑，本项目太阳能保证率选取40%。根据用户提供的数据，茶饼干燥参数如表1。

表1 茶饼干燥参数

1.2 设计计算与分析

根据要求，需提供每天烘干6 t普洱茶茶饼36h的烘干热量。本工程采用的“炫风”PCM空气式太阳能集热器，为双通螺旋真空管，内置相变蓄能芯，将收集来的太阳能存储在相变蓄能芯中，以空气作为传热介质，实现了集热-蓄热一体化。通过“炫风”PCM空气式太阳能集热系统，将太阳能转换热风，通过循环风机直接传递到烘房内，供烘干物料用。当太阳能不足时，利用空气源热泵系统作为辅助能源，保证烘干房物料的持续干燥[4,5]。

1.3 太阳能干燥系统设计计算

1.3.1 干燥过程需热量计算

（1）6 t普洱茶茶饼干燥的排水量WP

（2）干燥的过程中总需热量Q

烘干房内最大干燥量为6 000 kg，取50℃作为典型干燥温度。经查水在50℃时汽化潜热约为2382 kJ/kg。

在干燥的过程中的热量共需要3个部分，如下：

式中，Q1为湿物料温度升温需要的热量，MJ；Q2为物料中水分挥发需要的热量，MJ；Q3为干燥过程散热损失，MJ；

（3）湿物料温度升温需要的热量计算

（4）物料中水分挥发需要的热量计算

（5）干燥过程散热损失计算

1.3.2 全热回收后太阳能系统需提供热量Q总

经查热回收器回收率约为60%，每个干燥周期为36 h，全天排湿风1 h计算，系统循环一次，60%的热量会被干燥物料利用，40%的热量将消耗，此时太阳能集热系统只需提供总热量的40%就能保证物料的干燥要求，故经新风换热后日均太阳能系统需提供的总热量为：

1.3.3 太阳能干燥系统集热面积

1.3.4 太阳能干燥系统集热器[6,7]台数N

1.3.5 辅助能源产热量计算

根据环保部2012年《工商用制冷设备的环境标志产品技术要求》，该标准对空气源热泵热水机产品能效要求做出了明确表述：普通型（包括一次加热式和循环加热）性能系数（COP）都要求达到4.4，低温型（包括一次加热式和循环加热）性能系数（COP）都要求达到3.7，故选取15 P的空气源热泵烘干机组，其能效比COP可达3.8。

15 P的空气源热泵烘干机组产热量：P=36.0kW

空气源热泵台数计算

根据计算及干燥需求配置1台15 P的空气源热泵烘干机组。

1.3.6 集热器倾角Φ的选择

根据GB/T50364-2005《民用建筑太阳能热水系统应用技术规范》，太阳能系统在全年使用时，集热器的安装倾角宜与当地纬度相等[8]，本项目集热器倾角选取30°。

1.3.7 风机风量设计计算

每个方阵的风机与风管设计计算：每组集热器的进风量设计为200 m³/h，

则每个方阵中风机风量选取:

（1）风机风力损失计算

系统中选用最不利环路的阻力进行计算，系统设计风压包括集热器压力损失和风道风压损失。

①集热器压力损失

单台集热器压力损失约为200 Pa，5台并联为320 Pa，共3行压力损失约为380 Pa。

②风道风压损失

对一般地通风系统，风管的阻力损失值△p（Pa）可按下式计算：

△p2＝pm×L（1+k）

则整个集热系统风力压损为：

380+120=500 Pa；

根据计算风机选取参数：风机选取参数：风量为3 840 m³/h，风压为1 000 Pa。

1.3.8 风管设计

根据《采暖通风与空气调节设计规范》（GB50019-2003）要求，一般钢板及非金属风管风速规定：主干管：6～14 m/s，支管：2～8 m/s；根据假定流速法计算主干管风管的管径：风量为：3000 m³/h，假定流速为：10 m/s；风管断面积为：S=流量/速度=3000/3600/10=0.083 m2；根据风管截面积计算及风管实际加工制作情况[9]：选取圆形风管尺寸为φ=260 mm，风管截面积为0.053mm2。

1.3.9 建筑墙体保温

由于烘干室墙体无保温结构，从建筑节能及经济性方面考虑，建议对烘房进行外墙保温处理，保温材料采用夹芯板。

表2为计算结果汇总。

表2 计算结果汇总

1.4 主要设备

PCM空气式太阳能干燥系统主要由“炫风”PCM空气式太阳能集热器、循环风机、镀锌风管、空气源热泵烘干机组、热回收器、室内干燥系统、控制系统和数据采集系统等组成。在本试点工程中，“炫风”PCM空气式太阳能集热器、空气源热泵烘干机组采用的是上海筑能环境科技有限公司自主研发的产品。

（1）“炫风”PCM空气式太阳能集热器

该工程采用型号为ZN-30D58-1800“炫风”PCM空气式太阳能集热器，每台集热面积为4m2。根据计算及太阳能集热系统管路同程要求，配置15组共3行5列[10]，布置如图1。

图1 空气式太阳能集热器布置图

（2）空气源热泵烘干机组

空气源热泵烘干机组的工作原理是利用逆卡诺循环，制冷剂被压缩机加压，成为高温高压气体，然后进入干燥室的换热器（冷凝器），制冷剂液化释放出高温热量加热烘干房内空气，烘干房内的物料通过热风形式使物料中的水分汽化蒸发，蒸发出来的水蒸汽由排湿系统排走，而达到烘干目的。本工程采用的是1台15 P的空气源热泵烘干机组，其能效比COP为3.6。

（3）热回收器

由排湿系统排出烘干房湿蒸汽，含有大量余热，直接排到大气中会造成能源浪费。本工程采用热回收器，将排出的湿蒸汽经换热器将空气加热后进行循环利用。

（4）室内干燥系统

为减少室内散热系统及排湿系统对原建筑的破坏，对室内干燥系统采用下供风上出风模式。干燥室分为预干室和烘干室，大小均为54 m2，预干室温度约为25℃，烘干室温度约为50℃[11,12]。

2 系统运行原理及控制

2.1 “炫风”PCM空气式太阳能干燥系统原理

图2为“炫风”PCM空气式太阳能干燥系统原理示意图。通过“炫风”PCM空气式太阳能集热系统，将太阳能转换热能，以空气为换热介质与空气式太阳能集热器进行换热，通过循环风机直接将热风通入到烘房内提供物料干燥热量需求，由干燥室排出的湿热空气经排湿口排出，经过热回收器进行吸湿和余热回收加热新风，预热新风经循环风机再进入集热器完成循环；当太阳能不足时，启动空气源热泵系统，保证烘房物料干燥的持续性。

图2 “炫风”PCM空气式太阳能干燥系统原理示意图

2.2 “炫风”PCM空气式太阳能干燥系统控制原理

2.2.1 温度控制

（1）当太阳能集热系统出口温度T0≥50℃设定值时，集热风机开始运行，系统进入太阳能供热模式；当干燥室内温度T1≥55℃，集热风机停止运行。

（2）当太阳能集热系统出口温度T0＜50℃时，系统进入空气源热泵干燥模式，空气源热泵烘干机组开始运行，提供烘干室茶叶干燥热量需求；当干燥室内温度T1≥55℃，空气源热泵烘干机组停止运行。

2.2.2 湿度控制

（1）当干燥室内湿度S1≥S设定值时，热回收器开始运行，进行排湿。

（2）当干燥室内湿度S1＜S时，热回收器停止运行。

3 效益分析

该工程2015年4月初开始安装，5月底安装完毕并进行试运行，效果良好。正常使用后，启动监测及数据采集系统，进行数据采集并分析。

3.1 节能效果分析

经用户记录为期一个月的使用数据后分析，晴天：平均用电量17.24 kWh/h，其中用电量最少的一天是125 kWh，使用时间9.5 h；阴雨天：平均用电量24.31 kWh/h，其中用电最高的一天是231 kWh，使用时间9.5 h。数据表明：晴好的天气下太阳能贡献相当于231-125=106 kWh，即太阳能贡献率为（231-125）/231=46%。

改造前茶饼干燥是使用锅炉供热，供热时间为8 h，每天需燃煤600 kg，600 kg标准煤的产热量Q=600 kg×20.908 MJ/kg×65%=8 154.12 MJ，其中锅炉效率按65%计算。折算成电，即原系统消耗的热量相当于2 311 kWh。改造后的整体节能情况为：总耗电量最高为231+11.5 kWh/ h×8h×4台=599 kWh；总耗电量最低为125+11.5 kWh/h×8 h×4台=493 kWh。故整体节能率可达1-599/2311=75%以上。

3.2 环境效益分析

国家大力推广新能源的研发及应用，目前正逐步淘汰小型高污染的能源利用方式，“炫风”PCM空气式太阳能干燥系统的主要能源为太阳能，辅助能源为电能，达到了环保要求。

4 结语

云南普洱市茶业公司的PCM空气式太阳能干燥项目，正常运行一个月内，取得了良好的节能效果，到了预期效果，太阳能与热泵的配合使用对传统干燥系统的改进具有借鉴意义。虽然空气式太阳能集热器的真空管内有相变蓄能芯，可以存储太阳能，但是由于其容量有限，仍有多余太阳能无法被存储利用，可以再增加一个相变储热系统，将存储更多的太阳能，达到最优效果。

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PCM Air Type Solar Energy Drying in Tea Processing Application

Zhu Chuanhui1, Li Baoguo1, Su Shuqiang2
Shanghai Science and Technology University, Energy and Power Engineering College
Shanghai ZN-Energy Environmental Technology Co., Ltd

The article introduces PCM air type solar energy heat pump combined drying room construction and application at some tea company in Puer city of Yunan province. Traditional puer tea processing technology applies coal-fired steam boiler to dry tea brick. Energy saving and environment protecting PCM air type solar energy heat pump drying system replaces current coal-fired boiler drying system through renovation. Through PCM air type solar energy heat collecting system, it can transfer solar energy into heat energy. Using air as heat exchange medium exchanges heat with air type solar energy heat collecting system. Recirculating fan puts hot air into drying room to meet heat demand when solar energy is enough. Air source heat pump starts up when solar energy is not enough. The author introduces design scheme and drying system working principle of the projectin detail. The calculating results show that drying system has great energy saving effects and data collected from operating drying system gives reference to solar energy drying system optimal design and commercial drying design parameter selection with high efficiency using solar energy.

Solar Energy, Drying, Heat Storage Tank, Tea

10.13770/j.cnki.issn2095-705x.2017.01.005

朱传辉：（1988-），男，在读硕士，主要从事太阳能光热和制冷及低温工程方向的研究。

李保国：（1961-），男，教授，博士生导师，主要从事农产品冷冻冷藏、干燥加工等方面的教学和研究。

苏树强：博士，上海筑能环境科技有限公司董事长兼总经理。