干燥温室与热泵联合系统对胡萝卜的干燥效果

解鸿磊，尚春雨，王树彬，孙笠维，李彩妮，侯毛毛，黄玉吉※，钟凤林

（1. 福建农林大学园艺学院，福州 350002；2. 西北农林科技大学园艺学院，杨凌 712100；3. 福建农林大学食品科学学院，福州 350002）

0 引 言

大宗蔬菜干燥后可广泛应用于食品行业的各个领域，是推动蔬菜产业高速发展的主要驱动力之一[1-2]，也是食品产业供给侧结构性改革的重要方向。胡萝卜是世界主产蔬菜之一[3]，现有蔬菜干燥加工方式较为多样，如热风干燥技术[4]、微波真空干燥技术[5]、红外干燥技术[6]、真空冷冻干燥技术[7]、变温压差膨化干燥技术[8]、高压电场干燥技术[9]、喷雾干燥技术[10]；现有胡萝卜干燥技术主要有真空冷冻干燥技术，热风干燥技术、微波真空干燥技术和红外干燥技术也有少量应用，但由于鲜胡萝卜含水率较高、干燥加工过程易发生褐变[4]，对于如何降低加工成本、提高加工效率仍需进一步完善。

中国热泵技术的发展始于20世纪50年代，目前已广泛应用于粮食、果蔬、茶叶的干燥加工中，因其可吸收环境热量用于加热而成本较低，并且环保节能[11-12]，应用领域日益广泛，但也因干燥效率较低而受限[13-15]。在生产上，利用温室干燥农产品的方式也十分常见。随着中国农业的发展，设施温室逐渐普及，农户经常利用设施温室的休作期晾干农产品，成本更低、更节能环保，但加工周期较长。温室可为热泵提供较高温度的工作环境，提高热泵工作效率，近两年，干燥温室与热泵结合的干燥技术逐渐兴起，如乔玲敏等[16]设计了一种温室型多压缩机热泵烘干装置及分段干燥方法，李美成等[17]设计了一种用于温室大棚的光伏光热一体化循环系统，朱烨等[18-19]的研究结果表明阳光棚与热泵联合系统比独立热泵更节能、高效，但干燥温室与热泵联合系统的工作参数及其对干燥物品质影响的研究仍需进一步完善。

本文拟对干燥温室主结构参数进行分析，对组合式热泵机性能进行测定，对胡萝卜干燥后的品质进行分析，以期为大宗胡萝卜干燥加工后应用于食品加工领域提供新的研究思路。

1 干燥温室主要结构参数

1.1 干燥温室性能要求

为了能够接收更多日光，使干燥温室充分采光集热，干燥温室宜采取坐北朝南。干燥温室为拱形钢桁架结构，室内无支柱，北墙高度为4.5 m，净跨度8 m，长度30 m。要求干燥温室具有胡萝卜干燥保温、避雨的环境，白天干燥温室采光面的光透过率高，热辐射效果好，为热泵机提供较高温度的工作环境，满足新鲜胡萝卜丁干燥的需要；夜晚干燥温室具有阻止红外长波辐射透出功能，保持干燥温室内温度高于室外；雨天防止雨水淋湿物料[20]。

1.2 干燥温室的朝向设计

干燥室的朝向影响透光率和热环境[21]。该干燥温室建在福建省泉州市，位于北回归线以北，中午太阳光线均从其天顶南面入射。在实际生产中，干燥温室需进行适当的偏角设计，以使干燥温室采光角和太阳高度角的峰值相错开，延长最佳采光时间，干燥温室设计朝向宜为南偏西6°[21]。

干燥温室覆盖材料为上海劲诺塑料制品有限公司提供的PC（聚碳酸酯）板，厚度6 mm，透光率89%以上，可在温度-40～120 ℃条件下长期使用，使用寿命6 a左右。

1.3 干燥室的屋面设计

1.3.1 干燥温室的屋面结构

屋面倾角影响干燥温室的采光性能[22-23]。为了最大限度地使日光透过PC板屋面进入干燥温室，并降低干燥温室造价，干燥温室的屋面采用单坡面采光。

1.3.2 干燥温室的屋面倾角计算

干燥温室的屋面倾角与当地的太阳高度有关。当地太阳高度角[24]计算公式如下：

式中sh为太阳高度角，(°)；φ为地理纬度，(°)；干燥温室建于福建省泉州市，地理纬度为24.54°；sδ为太阳赤纬角，(°)。

胡萝卜加工季节主要在春分前后，太阳赤纬角δs=0°，则春分日中午的太阳高度角为65.46°。

干燥温室屋面倾角指干燥温室与水平面之间夹角[21]。

式中γ为日光入射角，(°)；取γ=0°~ 10°，在该范围内的日光透射率较高；则屋面倾角为15°~25°。

根据计算结果，干燥温室屋面倾角取均值为20°。

1.4 干燥温室通风系统设计

根据温室通风技术要求[21]，在干燥温室的南北两面各设置4扇开窗，每扇窗户长2.3 m，高1.4 m，组成自然通风系统；萎凋房东面的3.2 m高度位置并列安装上海应达风机股份有限公司的ST35-11-3.15型双向低噪声轴流风机1台，转速为2 900 r/min，风量为4 545 m3/h，组成进气通风系统强制通风，并散发水蒸汽。

2 组合式热泵干燥机

2.1 组合式热泵干燥机

组合式热泵干燥机系统原理如图1所示。工作原理：组合式热泵干燥机运行过程中，高温干燥的空气进入烘干区干燥仓并在烘干区内部等焓吸收胡萝卜水分，干空气变为湿空气。从烘干区干燥仓回风室排出的湿空气经除尘器除杂净化后进入三级蒸发区，经各级蒸发器逐级降温除湿后变为低温干燥的空气，与此同时，各级蒸发器冷凝的水分被排出。随后，低温干燥的空气与烘干区冷却仓排出的空气混合后一并进入三级冷凝区，经各级冷凝器逐级加热后变为高温干燥的空气，并被送入烘干区，进入下一个循环。系统主要由热泵机组、热管回热器、烘干区、风道管路、除尘器、风机、电控柜组成。其中，热泵机组共有3台，每台机组都由压缩机、蒸发器、冷凝器、油分离器等部件组成；三级蒸发区安装于室外，包括蒸发器1、蒸发器2、蒸发器3；三级冷凝区和烘干区安装于室内，三级冷凝区包括冷凝器1、冷凝器2、冷凝器3。如图2所示，烘干区盖板为透光PC板，其包括预热仓、干燥仓、冷却仓3部分，容量大小为3 t；风道管路由回风管道、送风管道及旁通风管道组成；除尘器由圆形过滤网转盘、吸尘头、吸尘管、吸尘风机及除尘布袋组成[25]；风机包括离心式热风机（1 台）和离心式冷却风机（1台），系统总风量为22 860 m3/h；压缩机型号为XS-50、功率为50 kW，蒸发器、冷凝器和烘干区均为自制。

2.2 热泵主要性能指标

2.2.1 热泵的制热系数

制热系数（Coefficient Of Performance，COP）是评价热泵性能的参数。[25-26]

式中CQ为热泵的制热量，kW；W为热泵的消耗功率，kW；cP为热泵冷凝器制热功率，W；ma为空气流进冷凝器的质量流量，kg/h；c pa为空气定压比热容，kJ/(kg·℃)；Tlo为冷凝器出口的空气温度，℃；Tli为冷凝器进口的空气温度，℃；dt为干燥过程中的某时刻。

2.2.2 热泵的除湿能耗比

除湿能耗比（Specific Moisture Extraction Rate，SMER）是反映热泵干燥装置综合性能的主要指标[26-27]。

式中Mde为从物料中除去的水分质量，kg；W tot为总功率，kW；τ为干燥时间，h。

3 材料与方法

3.1 试验材料与仪器

供试材料为晋江市东石梅塘农业综合场提供的胡萝卜，品种为坂田七寸，含水率85.3%～92.7%。

试验时间为2019年3月25日—4月25日，试验地点：福建农林大学设施蔬菜种业实验室。

测定仪器：HOBO温湿度自动记录仪（美国Onset公司），太阳全辐射记录仪MP200（美国Apogee Instrument公司），UV-1800紫外分光光度仪（岛津企业管理有限公司），3K15高速旋转离心机（德国Sartorius公司），Color Flex Ez 45/0 型分光测色仪（上海韵鼎国际贸易有限公司），JYL-B060九阳料理机（九阳股份有限公司），DHG-9123A恒温鼓风干燥箱（广东省南海市德丰电热设备厂），CNWB-3ZKP微波真空干燥箱（上海精宏实验设备有限公司），STC中短波红外干燥设备（德国Memert公司），FD-1A-50低温真空干燥机（江苏天翎仪器有限公司）。

3.2 试验方法

3.2.1 干燥温室内外太阳辐射和温度的测定

试验时间中随机选取15 d，测定干燥温室内部和外部水平地表面所接收的太阳辐射能，以及干燥温室内东部、中部、西部及温室外面的温度，每小时采集1次，每天相同时间点所测数据统计其平均值。

3.2.2 组合式热泵机性能指标的测定

参考李伟钊等[11]的研究方法，将胡萝卜用切丁机切成5 mm×5 mm×5 mm的胡萝卜丁，投入组合式热泵机入料口；预热仓内部空气温度提升至60 ℃，烘干区内置传送装置将胡萝卜丁输运至干燥仓，胡萝卜丁干燥至含水率为13%时进入冷却仓。烘干区内置前、后感应器，胡萝卜丁运输过程中，传送装置和前、后感应器联动，当前、后感应器都无感应时，传送装置开始启动输运胡萝卜丁；当前、后感应器全部感应时，传送装置停止输运，从而保证烘干区始终满仓。除尘器每隔30 min对除尘网上的杂质清除一次，以保证回风流动的畅通。

每隔0.5 h在出料口取3个样品，每个样品质量为500 g，将样品混合均匀后测量平均含水率，根据出料含水率大小实时调节排料速度，保持出料含水率达13%。压缩机的吸、排气口布置有温度传感器和压力传感器，三级蒸发区、三级冷凝区的迎风侧及出风侧布置有温湿度传感器，烘干区的进风口、出风口以及其干燥仓和冷却仓的回风室布置有温湿度传感器，数据采集仪每秒采集1次数据，耗电量每小时记录1次，单项数据取一个加工周期（25 h）内的平均值。

另外设置处于室外的相同的独立热泵机组，按照上述试验规范进行操作，以公式（3）、（4）计算独立热泵机组、干燥温室与热泵联合系统在一日内的不同时间段的总COP。

3.2.3 独立热泵机组与联合系统COP测定

为验证干燥温室与热泵联合系统运行的稳定性与高效性，设置其与独立热泵机组的对照试验，即在装载量为2 000 kg、干燥温度为60℃、风速为2 m/s条件下，分别测定每日早晨（8:00—9:00）、中午（12:00—13:00）、下午（18:00—19:00）的COP。

3.2.4 干燥温室与热泵联合系统对胡萝卜干燥效果测定

1）干燥温室与热泵联合系统参数对胡萝卜丁品质的影响

参考聂波[4]的研究，干燥温度、装载量和风速均对胡萝卜干燥效果有影响；根据本系统设计方案，装载量设置为2 000 kg时，不易产生焦糊现象，也不易阻碍胡萝卜丁水分散失。因此，试验采用裂区设计，主区因素为干燥温度，设50、60和70 ℃3个温度水平，裂区因素为干燥风速，设1、2和3 m/s3个风速水平。每处理重复3次，直至胡萝卜丁含水率在13%以下，停止干燥。

2）胡萝卜品质指标测定

①胡萝卜丁色泽：取10 g干胡萝卜丁，使用分光测色仪，参考陈瑞娟[28]等的研究方法，基于L*a*b*表色系测定绿/红值a*（负值为绿色，正值为红色），重复测定3次取平均值（胡萝卜的主导颜色是红色，a*值越大越好）。

②复水比：采用刘美娟等[29]的方法，测定复水比。取10 g干胡萝卜丁放入45 ℃恒温蒸馏水中，静置35 min后，取出置于筛网上沥干20 min，并用吸水纸轻拭表面水分，称取复水后质量。复水性采用复水比（%）作为评价指标，用公式（6）计算为

式中m1为复水后的质量，g；m2为复水前的质量，g。

为测定干胡萝卜丁维生素C含量、总糖含量和胡萝卜素含量，利用JYL-B060九阳料理机粉碎不同处理条件下的干胡萝卜丁各500 g，每次粉碎时间15 s，每次间隔2 min，共粉碎2次。

③维生素C含量：根据GB6195—1986《水果、蔬菜维生素C含量测定法》中2,6-二氯靛酚法测定[30]。

④总糖含量：参考陈瑞娟等[28]的方法测量总糖含量。精确称量胡萝卜粉0.5 g于烧杯中，加入100 mL蒸馏水和2 mL 6 mol/L的HCL溶液，在96 ℃的水浴锅中水浴2 h，冷却后加入2 mL 6 mol/L的NaOH溶液进行抽滤后用蒸馏水定容至200 mL，得到待测样品。吸取2.0 mL待测样品，然后加入1.0 mL质量分数6%的苯酚及5.0 mL

略论财务会计理论与实际相结合创新——高校财会教材适应发展更新 ………………………………… 覃正纳 刘迎春（1/72）

98%的浓硫酸，摇匀冷却室温放置30 min后于490 nm波长测光密度。每次测定取双样对照。以标准曲线计算待测样品的总糖质量分数，以公式（7）计算。

式中Y为总糖的质量分数，%；n为溶液的稀释倍数；m3为标准曲线所得葡萄糖质量，mg；m4为样品的质量，mg；V1为提取液总体积，mL；V2为测定时所取样液的体积，

mL。

⑤胡萝卜素含量：参考陈瑞娟等[29]的方法测量胡萝卜素含量。精确称量胡萝卜粉3.0 g于烧杯中，按1∶10加入体积比为2∶1的无水乙醇和氯仿提取液，充分混合30 min，在10 000 r/min条件下离心10 min，沉淀后再提取2次，将上清液合并，并定容。分别测定波长为440 nm处的吸光度。以每克胡萝卜（鲜质量）在400 nm处的吸光度值表示胡萝卜素含量，干胡萝卜粉中胡萝卜素含量以公式（8）计算得到[28]

式中A为吸光度值，V为上清液总体积，mL，m为胡萝卜的质量，g。

3.2.5 不同干燥方式的成本计算

为对比其他常见的干燥方式的生产成本，取相同鲜胡萝卜丁分别用热风干燥技术、微波真空干燥技术、红外干燥技术和真空冷冻干燥技术加工，均干燥至含水率为13%，以生产每千克干胡萝卜丁所耗电能（电价均为0.79元/(kW·h)）计算最终成本。

4 结果与分析

4.1 干燥温室内外太阳辐射强度与温度

干燥温室内热量受太阳辐射和热泵机工况的影响。干燥温室的覆盖材料具有较好的透光效果，如图3a所示，室内太阳总辐射强度在231～733 W/m2范围变化，随时间呈现“低—高—低”变化趋势，与太阳入射角变化“高—低—高”有关[21]；室内太阳总辐射强度平均值为526 W/m2，室外平均值为625 W/m2。如图3b所示，白天（8:00—18:00）干燥温室内温度在38.5～24.3 ℃范围变化，平均温度30.4 ℃，比室外温度平均高6.4 ℃；夜间干燥温室内温度在21.3～25.2 ℃范围变化，平均温度30.4 ℃，比室外温度平均高4 ℃，干燥温室具有较好的保温效果，并且具有防雨、挡风作用，为热泵机提供了较高的工作温度。

4.2 组合式热泵机性能指标

4.2.1 湿空气温度变化情况

如图4所示，湿空气经过第一级、第二级、第三级蒸发器时的温降分别为7.7、9.8 ℃，总温降17.5 ℃，温度由33.1 ℃降为15.6 ℃；湿空气经过第三级、第二级、第一级冷凝器时的温升为21.5、21.6 ℃，总温升43.1 ℃，温度由16.2 ℃升为59.3 ℃。

4.2.2 各级热泵机性能情况

试验过程中，如表1所示，第一级至第三级机组的蒸发温度分别为20.3、13.6和5.2 ℃，冷凝温度分别为60.6，51.1和38.4 ℃，从第一级到第三级热泵机组，各级热泵机组的蒸发温度和冷凝温度差值逐渐减小。第一级至第四级机组的蒸发压力分别0.46、0.38和0.51 MPa，冷凝压力分布为1.91、1.67和1.42 MPa，从第一级到第三级热泵机组，压比（排气压力与吸气压力之比）逐渐减小。第一级机组功率最大，第三级机组功率最小，第一级至第三级热泵机组的功率分别为12.3、10.8、10.4 kW。第一级至第三级热泵机组的除水速率分别为72.7、61.2、49.7 kg/h，热泵系统每小时的除水量为183.6 kg。第一级至第三级热泵机组的COP逐渐增大，第一级至第三级热泵机组的COP分别为3.1、3.3和4.2。

表1 各级热泵机组运行工况和性能特性Table 1 Operating conditions and performance characteristics of heat pump units at all levels

4.2.3 独立热泵机组和干燥温室与热泵联合系统的COP

如表2所示，8:00—9:00室外温度为20.2 ℃，室内温度为24.3 ℃，独立热泵机组COP为2.7，干燥温室与热泵联合系统COP为3.4；12:00—13:00室外温度为27.6 ℃，室内温度为34.1 ℃，独立热泵机组COP为3.2，干燥温室与热泵联合系统COP为3.7；18:00—19:00室外温度为21.8 ℃，室内温度为27.1℃，独立热泵机组COP为2.8，干燥温室与热泵联合系统COP为3.6。

表2 独立热泵机组和干燥温室与热泵联合系统的制热系数（COP）Table 2 COP of independent heat pump unit and combined system with drying greenhouse

干燥温室为热泵机组提供了较好的工作环境，联合系统总体COP高于独立热泵机组，即制热性能更优。在较低温度时，联合系统COP高于单独热泵机组26%～29%，当工作环境一日内温差较大（日变化大于7 ℃）时，干燥温室使得热泵能够稳定、高效地运行，对于提高胡萝卜干燥效率和胡萝卜丁品质具有重要作用。

4.3 干燥温室与热泵联合系统对胡萝卜干燥效果的影响

如表3所示，干燥温室与热泵联合系统运行参数设定为温度60 ℃、风速2 m/s时，干胡萝卜丁品质较好。其色泽（a*值）均值为31.27、复水比均值为5.42、维生素C均值为1.51 mg/g、总糖均值为12.36%、胡萝卜素均值为0.68 mg/g，与聂波[4]的研究结果相一致，可以较好地供应于食品领域，满足食品所添加的胡萝卜营养品质的要求。

表3 干燥温室与热泵联合系统对胡萝卜干燥效果Table 3 The effect of the combined system of drying greenhouse and heat pump system on carrot drying

干燥温室与热泵联合系统工艺对胡萝卜干燥效果有影响。在一定范围内，提高干燥温度和风速，利于胡萝卜色泽和糖分的保留，但温度和风速过高易导致胡萝卜丁出现褐变，与聂波[4]的研究结果稍有不同，这可能是因为选择的胡萝卜品种不同。胡萝卜含水率较高，在一定范围内，提高干燥温度和风速均导致胡萝卜丁复水比较高，这可能是因为干燥速率较快，水分快速散失，能够减少物料组织的坍塌和皱缩，具有较好的多孔结构[4]；但温度过高易导致胡萝卜丁出现焦糊，风速过高可能导致胡萝卜丁表面失水过快，细胞皱缩严重，降低复水比。维生素C和胡萝卜素对温度和氧气较敏感，在一定范围内，提高干燥温度和风速加快了干燥速度，使整体干燥加工时间缩短，有利于二者保留；但过高的温度和风速易使二者流失。

4.4 干燥温室与热泵联合系统经济性分析

温室结合热泵机组成的干燥系统具有较好的经济效益，这与朱烨等[18-19]的研究结果一致。本研究中，对干燥温室与热泵联合系统经济性指标的测定结果表明，每小时的鲜胡萝卜丁处理量为80 kg，每小时排出的干胡萝卜丁为18.8 kg；系统每小时的除湿量为61.2 kg，每小时消 耗 电 量53.5 kW·h，除 湿 能 耗 比SMER为1.14 kg/(kW·h)，即每消耗1kW·h电量可以从胡萝卜丁中除去1.14 kg水分。

经试验测定，热风干燥技术生产每千克干胡萝卜丁成本为22.4元，微波真空干燥技术生产每千克干胡萝卜丁成本为18.4元，红外干燥技术生产每千克干胡萝卜丁成本为16.3元，真空冷冻干燥技术生产每千克干胡萝卜丁成本为20.4元。而干燥温室与热泵联合系统生产每千克干胡萝卜丁成本为2.25元，经济效益较好。

5 结 论

干燥温室较好地利用了太阳能，为组合式热泵机提供了较好的工作环境，有利于热泵机稳定、高效地运行；热泵机采用了多级串联的方式，实现了梯次吸热、放热，干燥过程中胡萝卜丁分段散失水分，有利于湿热空气的排放；对比独立热泵机组，干燥温室与热泵联合系统总COP提高26%～29%。

干燥温室与热泵联合系统的参数设定对胡萝卜丁的品质均有影响，在系统设定较优干燥温度60℃、风速2 m/s、装载量2 000 kg的条件下，干胡萝卜丁品质指标最好，色泽（a*值）均值为31.27、复水比均值为5.42、维生素C均值为1.51 mg/g、总糖均值为12.36%、胡萝卜素均值为0.68 mg/g，可满足大宗胡萝卜应用于食品领域的品质需求。

干燥温室与热泵联合系统每小时鲜胡萝卜丁处理量为80 kg，每小时排出干胡萝卜丁18.8 kg，每小时消耗电量53.5 kW·h，生产每千克干胡萝卜丁成本为2.25元；对比传统干燥技术，经济效益较好。