太阳能热泵干燥综述

总结，最终构想出一个太阳能和炉火余热耦合热泵方案。

关键词：热泵 太阳能热泵 太阳能干燥 耦合

引言

近几年我国能源需求越来越大，煤、石油、天然气等化石能源日益紧缺，且燃烧化石燃料带来了很多环境问题如：酸雨的形成、温室效应等。要发展国家经济就必须解决能源问题，于是新能源的开发备受关注。现在世界上许多国家都在大力开发新能源如：水能、风能、地热能、潮汐能、核能和太阳能等。由于太阳能在利用时几乎不产生污染，因而太阳能的开发利用受到越来越多的重视。太阳能热水是应用的最多，也是成熟度较高的一个方面。现在有许多学者开始研究太阳能热泵干燥[1]，从而也有很多学者开始研究不同种类的太阳能热泵[1-6]。本文对太阳能热泵干燥应用进行归纳总结，并根据现行农村的能源利用现状提出一个设想，即制作一个小型双源（炉火余热、太阳能）热泵装置，在夏天用于干燥谷物而在冬天则用于供热供暖。

1 太阳能热泵基础

1.1 热泵的结构介绍

热泵的主要组成部分包括节流阀、蒸发器、压缩机和冷凝器如图1所示。它的实质就是热泵工质（例如：R22、R717、R134ａ、R124、R123等[1]）在蒸发器中吸收低温热源的热量（）从而蒸发后到达压缩机压缩升温（压缩功），然后进入冷凝器对外放热（），最后通过节流阀进行下一个循环。

由热力学定律可知：

（1）

热泵的制冷性能系数：

（2）

热泵工质的状态化情况是：从蒸发器出来的低温低压的饱和气从1开始进入压缩机，在压缩机中压缩变为高温高压的气体2进入冷凝器，在冷凝器中放热变为饱和液3，饱和液经节流阀后变为低温低压的饱和液和饱和气的混合物进入蒸发器，从而开始下一个循环如图2所示。

图1 热泵结构

图2 工质在热泵中的状态变化

1.2 太阳能热泵结构和原理

太阳能热泵就是在图1中的蒸发器处加上一个平板太阳能集热器，而工质工作原理和上面的完全一致。太阳能热泵主要分为直接膨胀式太阳能热泵[2-3]和非直接膨胀式太阳能热泵[3-5]，还有一些特殊的热泵如文献[6]中提及到的圆台型太阳能热泵。文献[7]、[8]是对太阳能热泵系统进行实验研究，并且对实验结果与理论分析作对比得出热泵系统的COP值要比实际值高，这是因为实际当中的太阳辐照度会随天气状况的变化以及周围环境变化而变化。

自从空气源热泵、水源热泵和地热源热泵先后出现并研究比较深入，之后许多学者开始研究太阳能热泵。由于太阳能资源比较丰富并且是清洁能源，所以太阳能热泵在应用方面开始备受关注。文献[9]对几种特殊的热泵热水器进行对比得出各自的优点和不足。

另有一类热泵是太阳能热泵和其它类型的热泵耦合应用，例如：太阳能—地热能耦合热泵、太阳能—废热耦合热泵等。从目前状况来看我国使用的主要能源仍是常规能源（煤、石油、天然气），尤其在广大的农村，煤或木材是主要燃料，不但对生态造成了很大的破坏而且热利用率也不高，所以应该在农村推广太阳能——炉火余热耦合热泵的利用。太阳能——炉火余热耦合热泵蒸发器的吸热源有两个，一个是太阳能平板集热器，另一个是炉火。它的优点是，在夏季太阳辐照度较好，也是农村使用常规燃料最少的季节，可以用太阳能集热器作为蒸发器的吸热源；相反，在冬季太阳辐照度相对较弱的季节，也是农村使用常规燃料最多的季节，可以用炉火作为蒸发器的热源。这种做法虽然增加了成本，但却更有效的利用了常规燃料产生的余热。

2 太阳能热泵在干燥方面的利用现状

2.1 太阳能干燥的结构和原理

泵干燥装置主要由两个部分组成，一个是热泵子系统，另一个是干燥子系统[1,10,11]，如图3所示。热泵的组成部分是节流阀、蒸发器（平板太阳能集热器）、压缩机和冷凝器。干燥子系统的组成部分干燥室和风机，而干燥介质主要是空气。

工作原理是热泵工质在蒸发器（平板太阳能集热器）中吸收热量后蒸发到达压缩机，压缩升温进入冷凝器放热；干燥介质经过热泵冷凝器吸收热量变为干饱和蒸汽后进入干燥室对物料进行干燥，干燥后变为湿空气进入下一个循环。

图3 热泵干燥原理简图

干燥器可以分为三类[1]。开式干燥器——从干燥室出来的空气不进入下一个循环而直接排放到大气中，它的缺点是从干燥室出来的空气还含有少量的热直接排放到大气中，不但会对周围环境有影响还会造成余热的浪费，此外，它的干燥介质只能是空气；闭式干燥器——从干燥室出来的湿空气直接进入下一个循环而不排放到周围环境中，缺点是启动时较慢，所以使用这种类型的干燥装置一般都会做出改进；半开半闭式干燥器——从干燥室出来的空气一部分被排放到大气当中，另一部分则进入下一个循环，缺点是它的干燥介质只能是空气，并且会受环境影响。

2.2 太阳能热泵干燥农产品

太阳能热泵干燥农产品主要用于干燥谷物、蔬菜和果品[12—16]。从阅读的文献当中可以看出太阳能热泵干燥农产品的诸多优点和少许不足。

太阳能干燥优点很多，主要有以下几个方面：首先，太阳能干燥可以提高产品的质量，主要是因为热泵干燥可以控制产品的含水率，而且可以避免自然干燥中的虫子、灰尘和雨水的危害和污染；其次，太阳能干燥可以缩短干燥时间和节省场地，采用自然干燥需要把农作物铺开，这会占用大量的场地还要花很长的时间，而采用太阳能干燥只需要把物料放进干燥室，这样就节省了大量的场地；再次，太阳能干燥还可以减少果品或谷物的腐烂。由于果品或谷物含水率很高如果不及时干燥就会腐烂，而采用自然干燥受天气影响很大，干燥时间长农产品的腐烂几率也会增加；最后，有许多的农产品需要通过燃烧常规燃料来干燥，如采用太阳能干燥就会更加环保和节能。

此系统也存在一些不足：第一，与自然干燥相比太阳能干燥需要消耗电能；第二，太阳能干燥对气象条件的依赖性强，可控性差，不稳定；第三，太阳能干燥初期投入较大。

2.3 太阳能热泵干燥木材

木材在建筑和生活中都很重要，而木材的材质和干燥后的品质显得尤为重要。如果干燥后木材龟裂就会影响到使用效果，所以很多人对木材的干燥展开研究，尤其是太阳能干燥木材[17,18]。从研究中可以得出以下结论：

当采用太阳能干燥时供热效率高，能耗小，最小供热系数达7以上，即太阳能系统风机耗1kw电能，可获得7kw以上的热能；它的供热量变化很大，稳定性差，一天中不同时刻、不同月份、不同日照条件对太阳能供热量影响很大；单独使用太阳能干燥时，干燥室内温度、相对湿度波动较大，木材干燥过程受气候条件的影响大，很难实现预定的干燥工艺。太阳能——热泵联合干燥时，干燥室内温度和相对湿度变化较平稳，基本能按规定的工艺运行；木材含水率降低的速度比单独使用太阳能干燥快；干燥木材的周期明显比单独使用太阳能干燥的周期短，提高了生产效率。

2.4 太阳能热泵干燥药物

人们在生活中都会有病痛，自古有病就需药物治疗。可见药是我们生活中必不可少的一个部分。自然干燥药物时间慢而且会对药物的药性有一定的影响，所以药物的干燥就显得很重要，于是很多研究者就开始尝试使用太阳能热泵来干燥药物[19,20]。目前文献中研究最多的药物是枸杞，我们可以从中得到一些有关太阳能热泵干燥药物的特点：首先，它可满足不同药物在不同阶段的干燥工艺要求，并且可以减少干燥时间；其次，整个过程自动化便于控制室内温度提高对太阳能的利用并且可以加快空气流动；最后，可以对气流的温度和湿度进行控制实现干燥工艺的优化。

太阳能热泵干燥枸杞采用的大型太阳能热泵与常规能源联合干燥，它由太阳能干燥装置和太阳能集热器由两部分组成。干燥后的产品干净卫生，色、香、味好，产品的等级高。避免自然晾晒造成的效率低、周期长、占地面积大，易受风沙、灰尘、苍蝇、虫蚁等二次污染影响枸杞品质。

2.5 太阳能热泵干燥烟草

烟草是我国贡献税收最多的产业之一。大多数的烟叶都是通过燃烧煤来烘烤，这样对常规燃料的消耗就很大。现在世界提倡绿色环保则以燃煤烘烤烟叶就开始受到一定的限制。许多研究人员就开始尝试使用新能源来烘烤烟叶，以太阳能热泵烘烤[21-23]发展最快。

从目前研究中可以看出太阳能热泵干燥烟叶具有以下优势：首先，太阳能热泵烤的烟叶外观、质量、化学成份和普通密集烤房烘烤的烟叶相近；其次，太阳能是清洁、环保、可再生的能源，在光、热资源丰富的烟叶产区，充分利用太阳能作为烟叶烘烤的重要能源是一项可行的方式；再次，烘烤后的烟叶颜色桔黄，色泽鲜亮，油分足，外观质量好，且各项化学成分含量适宜，说明烟叶烘烤质量好；最后，太阳能热泵烘烤烟叶节能减排效果显著。如太阳能密集烤房在光照不足的阴雨天烤烟的节煤效果也达20%以上，在光照充足的晴天节煤效果可达30%以上，节能减排效果十分显著[22]。

2.6 太阳能热泵干燥其他产品

太阳能还可以用来干燥很多东西，在这里就不一一介绍。其中云南师范大学的李志民，钟浩和张跃等人就利用太阳能热泵来干燥水泡梅，余亚梅也成功利用太阳能热泵来干燥鲜花。

3 太阳能热泵与其它热源的耦合应用

目前研究最多的是太阳能——地热能耦合热泵[24,25]和太阳能——水源耦合热泵等。然而这些耦合式热泵很难被推广，因为现在农村主要靠燃煤来获取热，并且大多数人不了解太阳能热泵干燥的好处。设计一个适合农村的小型干燥与热水两用设备，在夏季天气条件好，农产品颇多的时候，可以用它来干燥农产品；冬季天气条件相对较差人们往往会通过燃煤来取暖的时候可以用它来加热空气取暖。在冬季壁炉是农村必不可少的设备，也可以利用壁炉余热作为一个辅助热源来加热水。具体的工作原理如图4所示。

在冬季辅助器中的液体再热介质（传热介质）从炉火周围吸收热量，在空气进入冷凝器之前就对其进行一次加热。通过冷凝器后的空气有两种运行模式：一种是干燥介质进入冷凝器吸热后进入干燥室进行干燥；另外一种就是在冷凝器处安装一个水箱就可以对水加热以供给生活使用。

图4 炉火余热辅助太阳能热泵干燥系统

4 结论

从热泵干燥农作物、木材、烟草、药物和一些其它的特殊产品可以知道太阳能热泵干燥具有以下优点：首先，采用的是可再生能源，满足当今节能减排的主题；其次，采用太阳能热泵干燥可以缩短干燥的时间、提高产品的质量、减轻干燥物料的霉变和腐烂并节约干燥空间等；最后，太阳能干燥提高了干燥过程的可控化。使用太阳能热泵干燥还需要消耗部分电能，但热泵装置可以实现一度电变三度电的效果。

虽然当今世界的主题是节能减排，但在中国广大的农村仍以使用常规能源(煤、石油和天然气等)为主，所以我们要结合我国农村的实际设计适合农村的一套环保型设备。太阳能热水器在乡村开始得到推广，而太阳能干燥却没有，原因主要有：一是干燥器的前期投入大，二是人们对太阳能干燥方面缺乏了解。

为了实现节能减排的愿望我们必须使可再生能源下乡，并且鼓励企业运用可再生能源设备。

[1]陈 东,谢继红.热泵干燥装置[M].北京:化学工业出版社,2006:55-128.

[2]Kuang.Y.H,Sumathy.K and Wang.R.Z.Study on a direct-expansion solar-assisted heat pump waterheating system[J].Energy Res,2003,(27): 531-548.

[3]于春龙.太阳能热泵系统类型及分析[J].煤气与热力,2010,30(6):A01-A03.

[4]旷玉辉,王如竹.太阳能热泵[J].太阳能学报,2010,(2):20-24.

[5]李 锐,张建国,俞 坚等.太阳能热泵系统[J].实用技术,2004,116(4):30-32.

[6]兰 青,夏朝凤,李 明等.圆台型太阳能热泵设计及其制热性能[J].农业工程学报，2009,25(5): 162-166.

[7]Georgive.A.Testing solar collectors as an energy source for a heat pump[J].RenewableEnergy,2008,(33):832-838.

[8]Karagiorgas.M,Galatis.K,Tsakoumi.M et al. Solar assisted heat pump on air collectors: A simulation tool[J]. Solar Energy,2010,84(1): 66-68.

[9]Lu.A.Y.E,Charters.W.W.S and Chaichana.C. Solar heat pump systems for domestic hot water[J]. Solar Energy,2002,73(3):169-175.

[10]郭胜兰,关志强.小型太阳能热泵联合干燥系统的设计与分析[J].制冷,2009,28(4):15-19.

[11]孟翔宇,杨福胜,邓建强等.新型太阳能热泵干燥系统的设计与理论研究[J].太阳能学报,2010,31(5):568-574.

[12]张避光.谷物及农副产品的太阳能干燥[J].太阳能,2008,(6):18-20.

[13]李洪斌,李志民,张 跃等.农副产品太阳能干燥技术的研究和发展[J].云南师范大学学报,2004, 24(1):37-40.

[14]代建国,汪喜波,代彦军等.太阳能辅助热泵就仓干燥系统的研究与应用.太阳能学报,2010, 31(5):575-580.

[15]Hawlader.M.N.A,Jahangeer.K.A. Solar heat pump drying and water heating in the tropics [J], Solar Energy,2006,80(5):492-449.

[16]Hawlader.M.N.A,Chou.S.K, Jahangeer.K.A et al. Solar-assisted heat-pump dryer and water heater[J]. Applied Energy，2003,75(2): 185-193.

[17]张避光.木材太阳能干燥[J].太阳能，2008,(7):18-21.

[18]张避光.太阳能—热泵联合干燥木材的实验研究[J].太阳能学报,2007,28(8):870-873.

[19]张避光.中药材与其它物料的太阳能干燥[J].太阳能,2008,(8):21-23.

[20]王云峰,魏生贤,李 明等.太阳能干燥装置性能及三七干燥效果[J].农业工程学报,2010,26(10): 377-383.

[21] 王 刚,何 兵,谷仁杰等.贵州烤烟太阳能热泵密集型烤房烘烤效果研究[J]. 耕作与栽培,2010, (1):10-11.

[22]聂荣邦,张光利,于少林等.智能化太阳能密集烤房节能效果研究[J].作物研究,2010,24(3): 181-183.

[23]董贤春,刘兰明,周红权等.太阳能—电热泵技术在烟叶烤房中的应用[J].湖北农业科技,2010,49(2):461-464.

[24]周 广.太阳能热泵与地热源热泵技术联合应用[J].企业科技发展,2010,29(17):40-42.

[25]胡雯雯,刘春花.太阳能热泵与地源热泵技术及其联合应用[J].山西建筑,2010,36(32): 259-262.