太阳能-空气源热泵联合干燥系统设计及干燥枸杞的实验研究*

胡灯运，何 伟，张世超，吕 松，胡中停，庾汉成，秦明辉，季 杰

（1. 中国科学技术大学，热科学和能源工程系，合肥 230026；2. 合肥工业大学，建筑环境与技术工程系，合肥 230009；3. 青海建筑职业技术学院，西宁 810000）

0 前 言

枸杞，又称红耳坠，其营养丰富，富含枸杞多糖和多种氨基酸，具有调节免疫力、抗衰老、补肾养肝和润肺明目等功效。我国枸杞产地主要分布在宁夏回族自治区、青海省和河北省等地区，尤以拥有“中宁枸杞甲天下”美誉的宁夏中宁枸杞最为有名，其作为驰名中外的名贵药材，备受国内外消费者的青睐[1]。由于新鲜枸杞的湿基含水量最高可达83%[2]，不能长时间保存，因此需要对其烘干后贮藏，即干制。但是，落后的枸杞干燥技术制约了枸杞产业的发展。目前宁夏、青海等地的枸杞大多采用自然晾晒和机械热风烘干。自然晾晒的传统干燥方法易受天气影响，且存在干燥时间长、营养物质流失严重等问题[3-5]。近些年，随着市场对枸杞需求量不断增加以及消费者对干燥品质要求的提高，隧道式、有箱式热风干燥机等机械化烘干技术得到了一定推广[6-7]，这虽然很好地解决了自然晾晒遇到的问题，但由于其对能源的消耗过大，在个体农户中推广受限。随着人们节能环保意识的加强，清洁无污染的太阳能热干燥技术越来越引起人们的重视和青睐，受到广泛的研究[8-12]。目前太阳能-热泵干燥系统设计尚不能实现多种模式运行或者在切换不同运行模式时程序过于复杂，且对排湿过程的热回收考虑较少，运行成本较高。基于上述的研究现状，本文创新地提出了一种更适合干燥枸杞的太阳能-空气源热泵联合干燥系统。该系统的太阳能空气集热器和热泵机组可以实现两者联合运作和选择性独立运行，简化了不同模式之间的切换程序，同时排湿装置中全热交换器的使用减少了热损、提高了系统的节能效果。

本文设计了太阳能-空气源热泵联合干燥系统，既可以根据枸杞的干燥特性设置干燥温度，提高干燥枸杞的品质，同时又将可再生能源——太阳能与空气源热泵联合使用，减少电能消耗，符合可持续发展的理念。为了研究该系统干燥枸杞的节能效果，本文进行了热泵单独运行和太阳能-热泵联合运行干燥枸杞的实验研究。结果表明该系统可以不受外界环境的影响提供符合枸杞特性的干燥条件，缩短干燥时间，提高干制枸杞的品质，另外太阳能-热泵联合干燥模式可以节省更多的电能。

1 干燥设备的设计及运行模式的介绍

太阳能-空气源热泵联合干燥系统主要由太阳能空气集热器、空气源热泵机组和排湿装置构成，如图1所示。为了将太阳能与热泵技术有效地结合，实现不同的运行模式，本文设计了包含三通阀和全热交换器独特的风道系统，更便于不同模式之间的切换和节省更多的能源。其俯视图和主视图分别如图2和图3所示。具体的工作模式如下。

图1 太阳能-空气源热泵联合干燥枸杞系统示意图Fig. 1 A schematic diagram of Chinese wolfberry drying with solar assisted heat pump system

图2 干燥系统的风道俯视图Fig. 2 The overlook map of the air duct of drying system

图3 干燥系统的风道主视图Fig. 3 The main view of the air duct of drying system

（1）热泵单独运行干燥模式

在太阳辐照较弱，太阳能集热器的空气出口温度低于干燥所设定的温度时，集热器风机2关闭，三通阀6关闭。在干燥房内的空气湿度未达到设置的上限时，风阀15打开，从干燥房排出的循环气体从管道16经过风阀13、三通阀6后进入管道11，最终经过空气源热泵的冷凝器加热后被循环风机送入干燥室。如果干燥房内的热风湿度过高，风阀13关闭，三通阀6打开（如图2所示位置），管道16中的回风进入全热交换器 5，加热新风后排出，被加热的新风经三通阀6进入管道11进行循环，减少因排出的空气温度过高而导致的热损，提高能源利用率。

（2）太阳能单独运行干燥模式

在夏季太阳辐照较高时，太阳能集热器提供的能量足够满足干燥需求，集热器风机2打开，三通阀6打开。当不需要排湿时，集热器进口风阀10打开，风阀15关闭，干燥后的空气被送入空气集热器，加热后送入干燥室。当湿度过高时，风阀15打开，一部分回风经过通道16经全热交换器5排出，室外的新风经全热交换器加热后通过管道12和另一部分回风混合后进入集热器，被加热后继续循环使用。

（3）太阳能-热泵联合运行干燥模式

当太阳辐照较强，或干燥负载过大时，集热器出口空气的温度高于干燥所需的温度但其提供的热量不能够满足干燥所需，干燥模式和太阳单独工作时相似，只是经集热器出口的热空气，被热泵的冷凝器加热后再送入干燥室，既保证了干燥过程的稳定性又节省了能源。

2 实验研究

2.1 干燥系统及实验设备

为研究太阳能-空气源热泵联合干燥枸杞系统的节能效果，搭建了实验测试平台，实物图如图4所示。实验过程中用辐照仪记录太阳辐照强度，用K型热电偶测量集热器进、出口及干燥房内空气温度，并用采集仪实时记录这些数据，同时用热线风速仪测量集热器的空气流速，用电能表每隔1 h测量热泵机组和集热器风机的耗电量。实验仪器和系统的主要装置参数分别如表1和表2所示。

图4 太阳能-空气源热泵联合干燥枸杞系统实物图Fig. 4 The picture of drier with solar assisted heat pump system

表1 实验设备及准确度Table 1 The apparatus and accuracy

表2 实验设备参数Table 2 The apparatus and parameter

2.2 实验方案

为了比较该系统在热泵单独工作模式和太阳能-热泵联合工作模式下的节能效果，于 2017年10月中旬在合肥选择了天气状况相近的三天，分别进行了空载-热泵单独运行、负载-太阳能热泵联合运行和负载-热泵单独运行三种运行模式的实验测试，三天的辐照和环境温度如图5所示。

图5 三天的辐照和环境温度Fig. 5 The radiation and ambient temperature of three days

实验材料为经保鲜空运至合肥的宁夏新鲜枸杞，测得鲜果的初始含水率为80%。在两种干燥模式下分别将初始重量为50 kg的新鲜枸杞干燥到含水率为12%左右。由于枸杞干燥的速度主要受枸杞表面的水分蒸发速度和枸杞内部的水分传输速度的影响，枸杞干燥过程大致可以分为三个阶段[13]。在干燥的第一阶段，干燥温度过高会使内部传输速度小于表面蒸发速度，使枸杞表面硬化，影响进一步的内部传输，进而影响干燥速率和干制枸杞的质量。另外，由于夜间间断而导致干燥时间过长，不仅会影响用户干制枸杞的产量，还会导致枸杞内部的多糖流失，破坏枸杞的品质。为此实验采用“三段式”干燥，即从7:00开始，先用较低温度50℃干燥2 h，然后将温度升到58℃干燥2 h，最后把温度设置为66℃，直到枸杞的含水率为 12%时干燥结束，整个干燥过程耗时11 h。这样不仅可以提高干制枸杞的品质，还可以节约能源。

2.3 性能评价指标

枸杞的水分比反映了枸杞在干燥过程中水分的变化情况，计算式为[14]：

式中，MR为水分比，M0为初始含水率，%；Mt为在t时刻的平均含水率，%；Me为平衡含水率，%。

由于平衡含水率相较于很小，所以可简化为：

枸杞的干燥速率反映了枸杞水分向外蒸发的快慢，计算式为[14]：

式中：Mt1、Mt2分别为t1、t2时刻是作物的干基含水率；t1、t2为时间，h。

太阳能集热器效率计算式为[15]：

式中，η为集热器的热效率；m为集热器空气的质量流量，kg/s；ca为空气比热，J/(kg·K)；Tin、Tout分别为集热器进、出口温度，℃；A为受太阳辐照面积，m2；G为太阳辐照强度，W/m2。

干燥系统的除湿能耗比是评价热泵干燥系统节能性的重要指标，即除去枸杞中的水分与热泵干燥系统消耗总的能量之比，表达式为[8]：

式中，RSME为除湿耗能比，kg/(kW·h)；MW为从作物中除去的水的质量，kg；WP热泵干燥过程中消耗的电能，kW·h。

3 实验结果与分析

3.1 枸杞的MR和DR的变化情况

图6为两种运行模式下枸杞的水分比MR及干燥速率DR随时间的变化情况。从图中可以看出，从7:00-8:00，由于存在预热阶段，枸杞干燥速率较慢，当枸杞温度达到干燥设定温度后干燥速率逐渐上升；9:00-11:00由于设定的温度升高，干燥速率有明显的加快；干燥到达第三阶段，干燥速率达到最大，之后由于枸杞内部水分的下降，内部水分扩散速率下降而导致枸杞干燥速率下降。这种变温式干燥可以使枸杞一直保持处于较高的干燥速率，提高了干制枸杞的品质，还减少了能源的消耗。由于设定的干燥温度一致，干燥过程中枸杞的水分比MR和干燥速率 DR的变化趋势几乎一致，因此可以通过对比两种干燥模式的耗电量和RSME来评价该干燥装置的综合性能。

图6 枸杞的MR和DR随时间变化的情况Fig. 6 MR and DR of Lycium barbarum

3.2 集热器的性能

为了探究太阳能集热器在该干燥系统中的节能效果，本文测试了集热器的特征效率和干燥过程中的实时效率。

集热器性能测试实验在2017年10月18日正午时分进行。太阳辐照为800 W/m2左右，风速约为2 m/s，环境温度为18℃左右，空气的质量流量为480 m3/h。集热器的瞬时效率曲线如图7所示，集热器的特征效率为 58.8%，对应的光热效率与归一化温差的拟合关系式为：

式中，η为集热器的热效率；Tin、Ta分别为集热器的进口温度和环境温度，℃。

图7 集热器的瞬时光热效率曲线Fig. 7 The instantaneous thermal efficiency curve of the collector

太阳能-热泵联合运行干燥过程中集热器大约在 8:40开始工作，其中每小时内平均热效率和对应的辐照如图8所示，可以看出集热器的效率随着太阳辐照的升高而变大，整个干燥过程中集热器具有较高的热效率，这有利于提高整个干燥系统节能效果。

图8 集热器平均热效率和其对应的太阳辐照Fig. 8 The average thermal efficiency of collector with radiation

3.3 系统的耗电量和除湿能耗比

不同干燥模式的耗电量是该系统节能效果的直观反映，从图9可以看出，随着设定干燥温度的升高，系统的耗电量变大，并在每阶段的第一个小时内由于枸杞的预热升温耗电量较大，同时可以发现在每个干燥阶段随着干燥的进行，枸杞的含水率逐渐下降，释放水分所需的热负荷减少，耗电量也不断减少。为了保证干制枸杞的品质，在一天内完成干燥，实验设置的干燥温度较高，因此干燥室对外界有一定的热损。热泵单独干燥和太阳能-热泵联合干燥曲线在 12:00-13:00间距最大，因为这段时间内太阳辐照较强，集热器可以提供更多的热量，减少系统的耗电量。

图9 干燥系统的耗电情况Fig. 9 The power consumption of the drying system

图10为相同的干燥温度下三种不同运行模式的耗电量。从图中可以发现，由于干燥房内循环风机的使用和干燥房对外界存在热量损失，使系统空载时就有一定的耗电量，在同样的工况下系统一天的耗能大约为14.8 kW·h。另外，和热泵单独工作相比，太阳能-热泵联合干燥的热泵机组可以节省5.3 kW·h，但由于集热器工作时集热器风机需要耗电，大约为 2.4 kW·h，因此总体可以节省电能2.9 kW·h。若除去空载时系统的耗电量14.8 kW·h，节省的电量占热泵单独干燥耗电量的29.5%。

图10 干燥系统的总耗电量Fig. 10 The total power consumption of the drying system

图11反映了两种干燥模式下枸杞的除湿能耗比的变化情况。在干燥前几个小时，升高温度，RSEM不断升高，因此在保证枸杞质量的情况下，适当提高温度可以减少能耗。当枸杞含水率较低时，枸杞的内部水分扩散速率下降，释放相同质量的水分需要消耗更多的能量，因此枸杞的RSEM不断下降。从整体上可以得出，太阳能集热器的使用对提高系统的RSEM有显著效果。

图11 干燥系统的RSEMFig. 11 The RSEM of the drying system

4 结 论

本文将太阳能干燥技术的节能性与热泵干燥技术的稳定性相结合，提出了太阳能-空气源热泵联合干燥系统。该干燥系统具有：①热泵的可调控性，可以根据枸杞的干燥特性设定干燥温度，以提高干燥枸杞的质量和减少能源消耗；②独特设计的送风-回风系统可以实现太阳能单独运行、热泵单独运行和太阳能-热泵联合运行三种运行模式，根据不同的天气状况和干燥量的多少选择合理的干燥模式以减少能源的消耗；③全热交换器的使用可以在排湿过程中回收更多的热量。

通过对热泵单独运行和太阳能-热泵联合运行干燥枸杞的对比实验研究，可以得出以下结论：①干燥室对外界有一定的散热，在相同的设定温度情况下系统空载运行的耗电量约为14.8 kW·h。②由于设定的干燥温度相同，两种模式下枸杞的MR和DR变化趋势几乎一致，并且枸杞的干燥速率随干燥温度的升高而升高，随着枸杞含水率的减少而下降。③实验过程中集热器工作时间为8:43-15:45，集热器的效率在中午可达52%，集热器的使用一共可以节省2.9 kW·h的电能，若同时减去空载时系统的耗电14.8 kW·h，节省的电量占热泵单独干燥耗电的 29.5%。同时太阳能-热泵联合干燥的RSEM也比热泵单独干燥时低，最大差值为0.7 kg/(kW·h)。因此本创新型太阳能-热泵联合干燥系统可以一定程度上减少能源的消耗，降低作物的干燥成本，更适宜在枸杞产量高、太阳辐照充足的青海和宁夏等地推广。

参考文献：

[1]苟金萍. 枸杞产品标准现状与发展趋势[J]. 农业质量标准, 2007(4): 28-29. DOI: 10.3969/j.issn.1674-8255.2007.04.009.

[2]李瑞盈. 宁夏枸杞产地特征识别技术研究[D]. 保定:河北大学, 2013.

[3]柴京富. 枸杞热风干燥特性及最佳工艺的试验研究[D]. 呼和浩特: 内蒙古农业大学, 2004.

[4]吴古飞. 枸杞干燥过程中防霉剂的开发与应用研究[D]. 兰州: 兰州理工大学, 2011.

[5]刘锡建, 肖稳发, 曹俭, 等. 枸杞多糖的研究进展[J].上海工程技术大学学报, 2008, 22(4): 299-302. DOI:10.3969/j.issn.1009-444X.2008.04.003.

[6]王海, 高月, 王颉, 等. 适宜干燥方法提高干制枸杞品质[J]. 农业工程学报, 2015, 31(21): 271-276. DOI:10.11975/j.issn.1002-6819.2015.21.036.

[7]聂林林. 香菇热泵除湿干燥技术的研究[D]. 郑州: 河南工业大学, 2015.

[8]姚思远. 混联式太阳能干燥设备优化及枸杞干燥工艺研究[D]. 保定: 河北农业大学, 2014.

[9]BEST R, CRUZ J M, GUTIERREZ J, et al.Experimental results of a solar assisted heat pump rice drying system[J]. Renewable energy, 1996, 9(1/4):690-694. DOI: 10.1016/0960-1481(96)88379-0.

[10]ŞEVIK S, AKTAŞ M, DOĞAN H, et al. Mushroom drying with solar assisted heat pump system[J]. Energy conversion and management, 2013, 72: 171-178. DOI:10.1016/j.enconman.2012.09.035.

[11]姚远, 廉永旺, 王显龙, 等. 太阳能-热泵联合茶叶烘焙装置的创新设计与实验研究[J]. 新能源进展, 2017,5(1): 47-55. DOI: 10.3969/j.issn.2095-560X.2017.01.007.

[12]冯道宁, 孙健, 李丽, 等. 小型太阳能空气源热泵联合果蔬干燥系统研究与设计[J]. 中国农机化学报, 2015,36(3): 160-163, 173. DOI: 10.13733/j.jcam.issn.2095-5553.2015.03.039.

[13]吴中华, 李文丽, 赵丽娟, 等. 枸杞分段式变温热风干燥特性及干燥品质[J]. 农业工程学报, 2015, 31(11):287-293. DOI: 10.11975/j.issn.1002-6819.2015.11.041.

[14]DARVISHI H, ASL A R, ASGHARI A, et al. Study of the drying kinetics of pepper[J]. Journal of the saudi society of agricultural sciences, 2014, 13(2): 130-138.DOI: 10.1016/j.jssas.2013.03.002.

[15]MOHANRAJ M, BELYAYEV Y, JAYARAJ S, et al.Research and developments on solar assisted compression heat pump systems-A comprehensive review (Part A:modeling and modifications)[J]. Renewable and sustainable energy reviews, 2018, 83: 90-123. DOI:10.1016/j.rser.2017.08.022.