太陽能輔助熱泵干燥系統的設計

李宏燕，何建國，李明濱

摘要：針對單一太陽能干燥和單一空氣源熱泵干燥存在的不足，設計搭建了太陽能輔助熱泵干燥系統，對太陽能不同供熱溫度下壓縮機的工作性能進行了研究。系統結構主要包括太陽能集熱器、儲熱器（蒸發器）、壓縮機、冷凝器、風機及測試系統等。試驗結果表明，連續供熱泵模式下壓縮機的工作性能較為穩定，制熱系數在1.91～2.42之間;蒸發溫度對熱泵制熱性能及運行工況有較大影響，當蒸發溫度維持在20～25 ℃時，熱泵的制熱性能較高，熱泵噪音較低，更適于太陽能輔助熱泵干燥系統。

關鍵詞：太陽能;熱泵;干燥

中圖分類號：TK512 ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ?文章編號：0439-8114（2014）23-5855-03

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2014.23.059

干燥技術直接影響到農林產品的安全儲存和保質加工[1]。常規農產品干燥方法受外界環境氣候條件限制，農作物經歷的干燥時間長、干燥衛生條件差、干燥均勻性差[2]。因此降低干燥能耗、提高干燥效率和農作物干燥品質是農作物干燥技術的發展方向。

熱泵及熱泵干燥作為一項節能技術，近年來發展較快[3-13]。但熱泵用于制熱時，其制熱性能與低溫熱源特性緊密相關，如何保障熱泵蒸發端所需的穩定低溫熱源，是熱泵制熱推廣應用的關鍵。將太陽能與熱泵結合，可以綜合利用太陽能可再生能源和熱泵節能技術，以太陽能集熱儲熱系統作為熱泵低溫熱源，將集熱器所收集的溫度不穩定的低溫熱源借助熱泵提升為高品位的穩定熱源，提供給農作物干燥，可同時起到節約能源、降低能耗、保障農作物品質的目的，已逐漸引起眾多研究人員的關注[14-25]。

為此，針對單一太陽能干燥和單一熱泵干燥的不足，設計了太陽能輔助熱泵干燥試驗系統，對太陽能輔助熱泵干燥系統進行了試驗研究，重點分析了太陽能連續穩定熱源供熱模式下，不同供熱溫度對壓縮機工作性能的影響，對比分析了不同供熱溫度下壓縮機的制熱能效。

1 ?太陽能輔助熱泵干燥系統

1.1 ?系統構成及其工作原理

太陽能輔助熱泵干燥系統由太陽能集熱器、儲熱箱、熱泵蒸發器、壓縮機、冷凝器、風機、干燥房、循環泵、連接管路等組成。太陽能集熱儲熱系統與熱泵系統采用串聯方式連接，系統結構示意圖見圖1。系統工作原理為：太陽能集熱器收集并儲存太陽能，調節儲熱箱中的流體流量，使熱泵蒸發器達到熱泵工質蒸發所需適宜的溫度。液態熱泵工質吸收蒸發端熱量后變成氣態工質，經壓縮機壓縮后變成高溫高壓蒸汽，在冷凝端與風機吸進的室外空氣進行熱量交換，將空氣加熱到干燥所需溫度后進入干燥房。

1.2 ?設備參數

試驗系統中的主要設備包括真空管太陽能集熱器、壓縮機、蒸發器、冷凝器、風機等，各設備的相關參數見表1。

2 ?太陽能輔助熱泵干燥試驗

2.1 ?試驗方法

試驗以太陽能連續不同供熱溫度下熱泵制熱性能測試為目的，通過調節集熱器儲熱箱介質流量，實現連續供熱模式下不同試驗蒸發溫度。通過測試壓縮機吸氣溫度、排氣溫度、吸氣壓力、室外空氣溫度、風機出口風溫、蒸發器內水溫等參數的變化過程，分析熱泵運行狀態，分別計算熱泵制熱量和制熱系數COPh。

2.2 ?試驗儀器

試驗系統測量參數包括溫度、壓力、電流等，其中溫度點較多，采用自動數據采集系統實現記錄和保存，采集時間間隔30 s;壓力和電流信號采用直讀式儀表，采集時間間隔10 min，并將電流信號換算為壓縮機功率。系統測量參數及測量儀器見表2。

2.3 ?試驗結果

調節儲熱箱水流量，使蒸發器內維持恒定水溫為15、20、25、30、35 ℃，分別考察壓縮機吸氣溫度、壓縮機排氣溫度、風機出口風溫、熱泵制熱量、壓縮機吸氣壓力等參數隨時間的變化，試驗結果見圖2至圖6。

結果表明，太陽能不同供熱蒸發溫度對壓縮機吸氣溫度和排氣溫度有較大影響，對壓縮機吸氣壓力及冷凝器出口風溫影響較小;連續供熱模式下，壓縮機運行工況較穩定，制熱性能較高，熱泵平均制熱系數在1.91～2.42之間（表3）;當蒸發溫度較低時，熱泵吸氣溫度較低，工質蒸發量較小，吸氣量不足使熱泵處于低負荷運行狀態，工作噪聲較大;當蒸發溫度維持在 20 ℃與25 ℃時，壓縮機制熱量較高，其中25 ℃下壓縮機的平均制熱系數達到2.42，表明壓縮機適宜的蒸發溫度為25 ℃;當蒸發溫度處于30～35 ℃等較高溫度時，壓縮機排氣溫度超出壓縮機正常熱力循環工作范圍，壓縮機處于超負荷運行狀態，壓縮機工作壓力較高，制熱量降低，因此蒸發溫度不宜超過25 ℃。

3 ?小結

太陽能輔助熱泵干燥技術與常規干燥技術相比，具有節約能源、提高被干燥物料的品質等優點。通過對太陽能輔助熱泵不同供熱溫度下的系統性能進行試驗研究，分析了壓縮機的工作性能。結果表明，連續恒溫供熱模式下壓縮機的工作性能較為穩定，制熱系數較高，其中適宜的太陽能輔助熱泵蒸發溫度為20～25 ℃。該試驗系統可推廣應用于農林產品的干燥，有助于提高產品干燥品質，縮短干燥周期，提高生產效率。

參考文獻：

[1] 陳 ?東，謝繼紅.熱泵干燥裝置[M].北京：化學工業出版社，2007.

[2] 關志強，鄭立靜，李 ?敏，等.羅非魚片熱泵-微波聯合干燥工藝[J].農業工程學報，2012，28（1）：270-275.

[3] SAMI S M，TULEJ P J. A new design for an air source heat pump using a ternary mixture for cold climates[J]. Heat recovery system & Chp，2001，15（6）：521-529.endprint

[4] HEWITT N J， HUANG M J， ANDERSON M，et al.Advanced air source heat pumps for UK and European domestic buildings[J]. Applied Thermal Engineering，2011，31（ 17/18）：3713-3719.

[5] CHO Y，YUN R. A raw water source heat pump air-conditioning system[J].Energy and Buildings，2011，43（11）：3068-3073.

[6] QIAN J F，ZHANG J L. Feasibility analysis of urban sewage source heat pump system with freezing latent heat collection[J]. Journal of Southeast University，2010，26（2）：324-326.

[7] OZGENER O，HEPBASLI A.Modeling and performance evaluation of ground source （geothermal） heat pump systems[J]. Energy and Buildings，2007，39（1）：66-75.

[8] YU X，ZHAI X Q，WANG R Z.Design and performance of a constant temperature and humidity air-conditioning system driven by ground source heat pumps in winter[J]. Energy Conversion and Management，2010，51（11）：2162-2168.

[9] CHEN X， YANG H X，LU L，et al. Experimental studies on a ground coupled heat pump with solar thermal collectors for space heating[J]. Energy， 2011，36（8）：5292-5300.

[10] LIANG C H，ZHANG X S，LI X W，et al. Study on the performance of a solar assisted air source heat pump system for building heating[J]. Energy and Buildings，2011，43（9）：2188-2196.

[11] CHEN X，LU L，YANG H X. Long term operation of a solar assisted ground coupled heat pump system for space heating and domestic hot water[J]. Energy and Buildings，2011，43（8）：1835-1844.

[12] 趙海波，楊 ?昭.熱泵間歇干燥白菜種子內部含水率變化規律[J].農業工程學報，2012，28（11）：261-266.

[13] 呂 ?君，魏 ?娟，張振濤，等.熱泵烤煙系統性能的試驗研究[J].農業工程學報，2012，28（增刊1）：63-76.

[14] 劉圣勇，張百良，袁 ?超，等.采用太陽能集熱器干燥玉米的研究[J].農業工程學報，2001，17（6）：93-96.

[15] NESLIHAN C， HEPBASLI A. A review of heat pump drying： Part 1-Systems， models and studies[J]. Energy Conversion and Management， 2009， 50（9）：2180-2183.

[16] 倪 ?超，李娟玲，丁為民，等.全封閉熱泵干燥裝置監控系統的設計與試驗[J].農業工程學報，2010，26（10）：134-139.

[17] ITO S，MIURA N，WANG K. Performance of a heat pump using direct expansion solar collectors[J]. Solar Energy，1999，65（3）：189-196.

[18] KUANG Y H，SUMATHY K，WANG R Z. Study on a direct-expansion solar assisted heat pump water heating system[J]. International Journal of Energy Research，2003，2（5）：531-548

[19] CHATURVEDI S K，CHEN D T，KHEIREDDINE A.Thermal performance of a variable capacity direct expansion solar-assisted heat pump[J]. Energy Conversion and Management，2008，39（3-4）：181-191.

[20] 代建國.太陽能輔助熱泵就倉干燥系統關鍵技術研究[D].上海：上海交通大學，2009.

[21] 李海峰，李 ?勇，代彥軍，等.太陽能輔助熱泵綜合就倉干燥系統實驗研究[J].農業機械學報，2010，41（7）：109-113.

[22] 呂金虎，趙春芳，李金成.熱泵干燥技術在農副產品加工中的應用與分析[J].農機化研究，2010（1）：212-217.

[23] 張嘉輝.熱泵干燥理論和種子干燥性能的研究[D].天津：天津大學，1999.

[24] 李思遠.種子熱泵干燥過程中傳熱傳質以及生命物質變化規律[D].天津：天津大學，1999.

[25] 楊先亮，謝英柏，靳光亞.熱泵干燥婆棗的方案對比和試驗對比[J].農業工程學報，2009，25（9）：329-332.endprint