干燥溫室與熱泵聯合系統對胡蘿卜的干燥效果

解鴻磊，尚春雨，王樹彬，孫笠維，李彩妮，侯毛毛，黃玉吉※，鐘鳳林

（1. 福建農林大學園藝學院，福州 350002；2. 西北農林科技大學園藝學院，楊凌 712100；3. 福建農林大學食品科學學院，福州 350002）

0 引 言

大宗蔬菜干燥后可廣泛應用于食品行業的各個領域，是推動蔬菜產業高速發展的主要驅動力之一[1-2]，也是食品產業供給側結構性改革的重要方向。胡蘿卜是世界主產蔬菜之一[3]，現有蔬菜干燥加工方式較為多樣，如熱風干燥技術[4]、微波真空干燥技術[5]、紅外干燥技術[6]、真空冷凍干燥技術[7]、變溫壓差膨化干燥技術[8]、高壓電場干燥技術[9]、噴霧干燥技術[10]；現有胡蘿卜干燥技術主要有真空冷凍干燥技術，熱風干燥技術、微波真空干燥技術和紅外干燥技術也有少量應用，但由于鮮胡蘿卜含水率較高、干燥加工過程易發生褐變[4]，對于如何降低加工成本、提高加工效率仍需進一步完善。

中國熱泵技術的發展始于20世紀50年代，目前已廣泛應用于糧食、果蔬、茶葉的干燥加工中，因其可吸收環境熱量用于加熱而成本較低，并且環保節能[11-12]，應用領域日益廣泛，但也因干燥效率較低而受限[13-15]。在生產上，利用溫室干燥農產品的方式也十分常見。隨著中國農業的發展，設施溫室逐漸普及，農戶經常利用設施溫室的休作期晾干農產品，成本更低、更節能環保，但加工周期較長。溫室可為熱泵提供較高溫度的工作環境，提高熱泵工作效率，近兩年，干燥溫室與熱泵結合的干燥技術逐漸興起，如喬玲敏等[16]設計了一種溫室型多壓縮機熱泵烘干裝置及分段干燥方法，李美成等[17]設計了一種用于溫室大棚的光伏光熱一體化循環系統，朱燁等[18-19]的研究結果表明陽光棚與熱泵聯合系統比獨立熱泵更節能、高效，但干燥溫室與熱泵聯合系統的工作參數及其對干燥物品質影響的研究仍需進一步完善。

本文擬對干燥溫室主結構參數進行分析，對組合式熱泵機性能進行測定，對胡蘿卜干燥后的品質進行分析，以期為大宗胡蘿卜干燥加工后應用于食品加工領域提供新的研究思路。

1 干燥溫室主要結構參數

1.1 干燥溫室性能要求

為了能夠接收更多日光，使干燥溫室充分采光集熱，干燥溫室宜采取坐北朝南。干燥溫室為拱形鋼桁架結構，室內無支柱，北墻高度為4.5 m，凈跨度8 m，長度30 m。要求干燥溫室具有胡蘿卜干燥保溫、避雨的環境，白天干燥溫室采光面的光透過率高，熱輻射效果好，為熱泵機提供較高溫度的工作環境，滿足新鮮胡蘿卜丁干燥的需要；夜晚干燥溫室具有阻止紅外長波輻射透出功能，保持干燥溫室內溫度高于室外；雨天防止雨水淋濕物料[20]。

1.2 干燥溫室的朝向設計

干燥室的朝向影響透光率和熱環境[21]。該干燥溫室建在福建省泉州市，位于北回歸線以北，中午太陽光線均從其天頂南面入射。在實際生產中，干燥溫室需進行適當的偏角設計，以使干燥溫室采光角和太陽高度角的峰值相錯開，延長最佳采光時間，干燥溫室設計朝向宜為南偏西6°[21]。

干燥溫室覆蓋材料為上海勁諾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，可在溫度-40～120 ℃條件下長期使用，使用壽命6 a左右。

1.3 干燥室的屋面設計

1.3.1 干燥溫室的屋面結構

屋面傾角影響干燥溫室的采光性能[22-23]。為了最大限度地使日光透過PC板屋面進入干燥溫室，并降低干燥溫室造價，干燥溫室的屋面采用單坡面采光。

1.3.2 干燥溫室的屋面傾角計算

干燥溫室的屋面傾角與當地的太陽高度有關。當地太陽高度角[24]計算公式如下：

式中sh為太陽高度角，(°)；φ為地理緯度，(°)；干燥溫室建于福建省泉州市，地理緯度為24.54°；sδ為太陽赤緯角，(°)。

胡蘿卜加工季節主要在春分前后，太陽赤緯角δs=0°，則春分日中午的太陽高度角為65.46°。

干燥溫室屋面傾角指干燥溫室與水平面之間夾角[21]。

式中γ為日光入射角，(°)；取γ=0°~ 10°，在該范圍內的日光透射率較高；則屋面傾角為15°~25°。

根據計算結果，干燥溫室屋面傾角取均值為20°。

1.4 干燥溫室通風系統設計

根據溫室通風技術要求[21]，在干燥溫室的南北兩面各設置4扇開窗，每扇窗戶長2.3 m，高1.4 m，組成自然通風系統；萎凋房東面的3.2 m高度位置并列安裝上海應達風機股份有限公司的ST35-11-3.15型雙向低噪聲軸流風機1臺，轉速為2 900 r/min，風量為4 545 m3/h，組成進氣通風系統強制通風，并散發水蒸汽。

2 組合式熱泵干燥機

2.1 組合式熱泵干燥機

組合式熱泵干燥機系統原理如圖1所示。工作原理：組合式熱泵干燥機運行過程中，高溫干燥的空氣進入烘干區干燥倉并在烘干區內部等焓吸收胡蘿卜水分，干空氣變為濕空氣。從烘干區干燥倉回風室排出的濕空氣經除塵器除雜凈化后進入三級蒸發區，經各級蒸發器逐級降溫除濕后變為低溫干燥的空氣，與此同時，各級蒸發器冷凝的水分被排出。隨后，低溫干燥的空氣與烘干區冷卻倉排出的空氣混合后一并進入三級冷凝區，經各級冷凝器逐級加熱后變為高溫干燥的空氣，并被送入烘干區，進入下一個循環。系統主要由熱泵機組、熱管回熱器、烘干區、風道管路、除塵器、風機、電控柜組成。其中，熱泵機組共有3臺，每臺機組都由壓縮機、蒸發器、冷凝器、油分離器等部件組成；三級蒸發區安裝于室外，包括蒸發器1、蒸發器2、蒸發器3；三級冷凝區和烘干區安裝于室內，三級冷凝區包括冷凝器1、冷凝器2、冷凝器3。如圖2所示，烘干區蓋板為透光PC板，其包括預熱倉、干燥倉、冷卻倉3部分，容量大小為3 t；風道管路由回風管道、送風管道及旁通風管道組成；除塵器由圓形過濾網轉盤、吸塵頭、吸塵管、吸塵風機及除塵布袋組成[25]；風機包括離心式熱風機（1 臺）和離心式冷卻風機（1臺），系統總風量為22 860 m3/h；壓縮機型號為XS-50、功率為50 kW，蒸發器、冷凝器和烘干區均為自制。

2.2 熱泵主要性能指標

2.2.1 熱泵的制熱系數

制熱系數（Coefficient Of Performance，COP）是評價熱泵性能的參數。[25-26]

式中CQ為熱泵的制熱量，kW；W為熱泵的消耗功率，kW；cP為熱泵冷凝器制熱功率，W；ma為空氣流進冷凝器的質量流量，kg/h；c pa為空氣定壓比熱容，kJ/(kg·℃)；Tlo為冷凝器出口的空氣溫度，℃；Tli為冷凝器進口的空氣溫度，℃；dt為干燥過程中的某時刻。

2.2.2 熱泵的除濕能耗比

除濕能耗比（Specific Moisture Extraction Rate，SMER）是反映熱泵干燥裝置綜合性能的主要指標[26-27]。

式中Mde為從物料中除去的水分質量，kg；W tot為總功率，kW；τ為干燥時間，h。

3 材料與方法

3.1 試驗材料與儀器

供試材料為晉江市東石梅塘農業綜合場提供的胡蘿卜，品種為坂田七寸，含水率85.3%～92.7%。

試驗時間為2019年3月25日—4月25日，試驗地點：福建農林大學設施蔬菜種業實驗室。

測定儀器：HOBO溫濕度自動記錄儀（美國Onset公司），太陽全輻射記錄儀MP200（美國Apogee Instrument公司），UV-1800紫外分光光度儀（島津企業管理有限公司），3K15高速旋轉離心機（德國Sartorius公司），Color Flex Ez 45/0 型分光測色儀（上海韻鼎國際貿易有限公司），JYL-B060九陽料理機（九陽股份有限公司），DHG-9123A恒溫鼓風干燥箱（廣東省南海市德豐電熱設備廠），CNWB-3ZKP微波真空干燥箱（上海精宏實驗設備有限公司），STC中短波紅外干燥設備（德國Memert公司），FD-1A-50低溫真空干燥機（江蘇天翎儀器有限公司）。

3.2 試驗方法

3.2.1 干燥溫室內外太陽輻射和溫度的測定

試驗時間中隨機選取15 d，測定干燥溫室內部和外部水平地表面所接收的太陽輻射能，以及干燥溫室內東部、中部、西部及溫室外面的溫度，每小時采集1次，每天相同時間點所測數據統計其平均值。

3.2.2 組合式熱泵機性能指標的測定

參考李偉釗等[11]的研究方法，將胡蘿卜用切丁機切成5 mm×5 mm×5 mm的胡蘿卜丁，投入組合式熱泵機入料口；預熱倉內部空氣溫度提升至60 ℃，烘干區內置傳送裝置將胡蘿卜丁輸運至干燥倉，胡蘿卜丁干燥至含水率為13%時進入冷卻倉。烘干區內置前、后感應器，胡蘿卜丁運輸過程中，傳送裝置和前、后感應器聯動，當前、后感應器都無感應時，傳送裝置開始啟動輸運胡蘿卜丁；當前、后感應器全部感應時，傳送裝置停止輸運，從而保證烘干區始終滿倉。除塵器每隔30 min對除塵網上的雜質清除一次，以保證回風流動的暢通。

每隔0.5 h在出料口取3個樣品，每個樣品質量為500 g，將樣品混合均勻后測量平均含水率，根據出料含水率大小實時調節排料速度，保持出料含水率達13%。壓縮機的吸、排氣口布置有溫度傳感器和壓力傳感器，三級蒸發區、三級冷凝區的迎風側及出風側布置有溫濕度傳感器，烘干區的進風口、出風口以及其干燥倉和冷卻倉的回風室布置有溫濕度傳感器，數據采集儀每秒采集1次數據，耗電量每小時記錄1次，單項數據取一個加工周期（25 h）內的平均值。

另外設置處于室外的相同的獨立熱泵機組，按照上述試驗規范進行操作，以公式（3）、（4）計算獨立熱泵機組、干燥溫室與熱泵聯合系統在一日內的不同時間段的總COP。

3.2.3 獨立熱泵機組與聯合系統COP測定

為驗證干燥溫室與熱泵聯合系統運行的穩定性與高效性，設置其與獨立熱泵機組的對照試驗，即在裝載量為2 000 kg、干燥溫度為60℃、風速為2 m/s條件下，分別測定每日早晨（8:00—9:00）、中午（12:00—13:00）、下午（18:00—19:00）的COP。

3.2.4 干燥溫室與熱泵聯合系統對胡蘿卜干燥效果測定

1）干燥溫室與熱泵聯合系統參數對胡蘿卜丁品質的影響

參考聶波[4]的研究，干燥溫度、裝載量和風速均對胡蘿卜干燥效果有影響；根據本系統設計方案，裝載量設置為2 000 kg時，不易產生焦糊現象，也不易阻礙胡蘿卜丁水分散失。因此，試驗采用裂區設計，主區因素為干燥溫度，設50、60和70 ℃3個溫度水平，裂區因素為干燥風速，設1、2和3 m/s3個風速水平。每處理重復3次，直至胡蘿卜丁含水率在13%以下，停止干燥。

2）胡蘿卜品質指標測定

①胡蘿卜丁色澤：取10 g干胡蘿卜丁，使用分光測色儀，參考陳瑞娟[28]等的研究方法，基于L*a*b*表色系測定綠/紅值a*（負值為綠色，正值為紅色），重復測定3次取平均值（胡蘿卜的主導顏色是紅色，a*值越大越好）。

②復水比：采用劉美娟等[29]的方法，測定復水比。取10 g干胡蘿卜丁放入45 ℃恒溫蒸餾水中，靜置35 min后，取出置于篩網上瀝干20 min，并用吸水紙輕拭表面水分，稱取復水后質量。復水性采用復水比（%）作為評價指標，用公式（6）計算為

式中m1為復水后的質量，g；m2為復水前的質量，g。

為測定干胡蘿卜丁維生素C含量、總糖含量和胡蘿卜素含量，利用JYL-B060九陽料理機粉碎不同處理條件下的干胡蘿卜丁各500 g，每次粉碎時間15 s，每次間隔2 min，共粉碎2次。

③維生素C含量：根據GB6195—1986《水果、蔬菜維生素C含量測定法》中2,6-二氯靛酚法測定[30]。

④總糖含量：參考陳瑞娟等[28]的方法測量總糖含量。精確稱量胡蘿卜粉0.5 g于燒杯中，加入100 mL蒸餾水和2 mL 6 mol/L的HCL溶液，在96 ℃的水浴鍋中水浴2 h，冷卻后加入2 mL 6 mol/L的NaOH溶液進行抽濾后用蒸餾水定容至200 mL，得到待測樣品。吸取2.0 mL待測樣品，然后加入1.0 mL質量分數6%的苯酚及5.0 mL

略論財務會計理論與實際相結合創新——高校財會教材適應發展更新 ………………………………… 覃正納 劉迎春（1/72）

98%的濃硫酸，搖勻冷卻室溫放置30 min后于490 nm波長測光密度。每次測定取雙樣對照。以標準曲線計算待測樣品的總糖質量分數，以公式（7）計算。

式中Y為總糖的質量分數，%；n為溶液的稀釋倍數；m3為標準曲線所得葡萄糖質量，mg；m4為樣品的質量，mg；V1為提取液總體積，mL；V2為測定時所取樣液的體積，

mL。

⑤胡蘿卜素含量：參考陳瑞娟等[29]的方法測量胡蘿卜素含量。精確稱量胡蘿卜粉3.0 g于燒杯中，按1∶10加入體積比為2∶1的無水乙醇和氯仿提取液，充分混合30 min，在10 000 r/min條件下離心10 min，沉淀后再提取2次，將上清液合并，并定容。分別測定波長為440 nm處的吸光度。以每克胡蘿卜（鮮質量）在400 nm處的吸光度值表示胡蘿卜素含量，干胡蘿卜粉中胡蘿卜素含量以公式（8）計算得到[28]

式中A為吸光度值，V為上清液總體積，mL，m為胡蘿卜的質量，g。

3.2.5 不同干燥方式的成本計算

為對比其他常見的干燥方式的生產成本，取相同鮮胡蘿卜丁分別用熱風干燥技術、微波真空干燥技術、紅外干燥技術和真空冷凍干燥技術加工，均干燥至含水率為13%，以生產每千克干胡蘿卜丁所耗電能（電價均為0.79元/(kW·h)）計算最終成本。

4 結果與分析

4.1 干燥溫室內外太陽輻射強度與溫度

干燥溫室內熱量受太陽輻射和熱泵機工況的影響。干燥溫室的覆蓋材料具有較好的透光效果，如圖3a所示，室內太陽總輻射強度在231～733 W/m2范圍變化，隨時間呈現“低—高—低”變化趨勢，與太陽入射角變化“高—低—高”有關[21]；室內太陽總輻射強度平均值為526 W/m2，室外平均值為625 W/m2。如圖3b所示，白天（8:00—18:00）干燥溫室內溫度在38.5～24.3 ℃范圍變化，平均溫度30.4 ℃，比室外溫度平均高6.4 ℃；夜間干燥溫室內溫度在21.3～25.2 ℃范圍變化，平均溫度30.4 ℃，比室外溫度平均高4 ℃，干燥溫室具有較好的保溫效果，并且具有防雨、擋風作用，為熱泵機提供了較高的工作溫度。

4.2 組合式熱泵機性能指標

4.2.1 濕空氣溫度變化情況

如圖4所示，濕空氣經過第一級、第二級、第三級蒸發器時的溫降分別為7.7、9.8 ℃，總溫降17.5 ℃，溫度由33.1 ℃降為15.6 ℃；濕空氣經過第三級、第二級、第一級冷凝器時的溫升為21.5、21.6 ℃，總溫升43.1 ℃，溫度由16.2 ℃升為59.3 ℃。

4.2.2 各級熱泵機性能情況

試驗過程中，如表1所示，第一級至第三級機組的蒸發溫度分別為20.3、13.6和5.2 ℃，冷凝溫度分別為60.6，51.1和38.4 ℃，從第一級到第三級熱泵機組，各級熱泵機組的蒸發溫度和冷凝溫度差值逐漸減小。第一級至第四級機組的蒸發壓力分別0.46、0.38和0.51 MPa，冷凝壓力分布為1.91、1.67和1.42 MPa，從第一級到第三級熱泵機組，壓比（排氣壓力與吸氣壓力之比）逐漸減小。第一級機組功率最大，第三級機組功率最小，第一級至第三級熱泵機組的功率分別為12.3、10.8、10.4 kW。第一級至第三級熱泵機組的除水速率分別為72.7、61.2、49.7 kg/h，熱泵系統每小時的除水量為183.6 kg。第一級至第三級熱泵機組的COP逐漸增大，第一級至第三級熱泵機組的COP分別為3.1、3.3和4.2。

表1 各級熱泵機組運行工況和性能特性Table 1 Operating conditions and performance characteristics of heat pump units at all levels

4.2.3 獨立熱泵機組和干燥溫室與熱泵聯合系統的COP

如表2所示，8:00—9:00室外溫度為20.2 ℃，室內溫度為24.3 ℃，獨立熱泵機組COP為2.7，干燥溫室與熱泵聯合系統COP為3.4；12:00—13:00室外溫度為27.6 ℃，室內溫度為34.1 ℃，獨立熱泵機組COP為3.2，干燥溫室與熱泵聯合系統COP為3.7；18:00—19:00室外溫度為21.8 ℃，室內溫度為27.1℃，獨立熱泵機組COP為2.8，干燥溫室與熱泵聯合系統COP為3.6。

表2 獨立熱泵機組和干燥溫室與熱泵聯合系統的制熱系數（COP）Table 2 COP of independent heat pump unit and combined system with drying greenhouse

干燥溫室為熱泵機組提供了較好的工作環境，聯合系統總體COP高于獨立熱泵機組，即制熱性能更優。在較低溫度時，聯合系統COP高于單獨熱泵機組26%～29%，當工作環境一日內溫差較大（日變化大于7 ℃）時，干燥溫室使得熱泵能夠穩定、高效地運行，對于提高胡蘿卜干燥效率和胡蘿卜丁品質具有重要作用。

4.3 干燥溫室與熱泵聯合系統對胡蘿卜干燥效果的影響

如表3所示，干燥溫室與熱泵聯合系統運行參數設定為溫度60 ℃、風速2 m/s時，干胡蘿卜丁品質較好。其色澤（a*值）均值為31.27、復水比均值為5.42、維生素C均值為1.51 mg/g、總糖均值為12.36%、胡蘿卜素均值為0.68 mg/g，與聶波[4]的研究結果相一致，可以較好地供應于食品領域，滿足食品所添加的胡蘿卜營養品質的要求。

表3 干燥溫室與熱泵聯合系統對胡蘿卜干燥效果Table 3 The effect of the combined system of drying greenhouse and heat pump system on carrot drying

干燥溫室與熱泵聯合系統工藝對胡蘿卜干燥效果有影響。在一定范圍內，提高干燥溫度和風速，利于胡蘿卜色澤和糖分的保留，但溫度和風速過高易導致胡蘿卜丁出現褐變，與聶波[4]的研究結果稍有不同，這可能是因為選擇的胡蘿卜品種不同。胡蘿卜含水率較高，在一定范圍內，提高干燥溫度和風速均導致胡蘿卜丁復水比較高，這可能是因為干燥速率較快，水分快速散失，能夠減少物料組織的坍塌和皺縮，具有較好的多孔結構[4]；但溫度過高易導致胡蘿卜丁出現焦糊，風速過高可能導致胡蘿卜丁表面失水過快，細胞皺縮嚴重，降低復水比。維生素C和胡蘿卜素對溫度和氧氣較敏感，在一定范圍內，提高干燥溫度和風速加快了干燥速度，使整體干燥加工時間縮短，有利于二者保留；但過高的溫度和風速易使二者流失。

4.4 干燥溫室與熱泵聯合系統經濟性分析

溫室結合熱泵機組成的干燥系統具有較好的經濟效益，這與朱燁等[18-19]的研究結果一致。本研究中，對干燥溫室與熱泵聯合系統經濟性指標的測定結果表明，每小時的鮮胡蘿卜丁處理量為80 kg，每小時排出的干胡蘿卜丁為18.8 kg；系統每小時的除濕量為61.2 kg，每小時消 耗 電 量53.5 kW·h，除 濕 能 耗 比SMER為1.14 kg/(kW·h)，即每消耗1kW·h電量可以從胡蘿卜丁中除去1.14 kg水分。

經試驗測定，熱風干燥技術生產每千克干胡蘿卜丁成本為22.4元，微波真空干燥技術生產每千克干胡蘿卜丁成本為18.4元，紅外干燥技術生產每千克干胡蘿卜丁成本為16.3元，真空冷凍干燥技術生產每千克干胡蘿卜丁成本為20.4元。而干燥溫室與熱泵聯合系統生產每千克干胡蘿卜丁成本為2.25元，經濟效益較好。

5 結 論

干燥溫室較好地利用了太陽能，為組合式熱泵機提供了較好的工作環境，有利于熱泵機穩定、高效地運行；熱泵機采用了多級串聯的方式，實現了梯次吸熱、放熱，干燥過程中胡蘿卜丁分段散失水分，有利于濕熱空氣的排放；對比獨立熱泵機組，干燥溫室與熱泵聯合系統總COP提高26%～29%。

干燥溫室與熱泵聯合系統的參數設定對胡蘿卜丁的品質均有影響，在系統設定較優干燥溫度60℃、風速2 m/s、裝載量2 000 kg的條件下，干胡蘿卜丁品質指標最好，色澤（a*值）均值為31.27、復水比均值為5.42、維生素C均值為1.51 mg/g、總糖均值為12.36%、胡蘿卜素均值為0.68 mg/g，可滿足大宗胡蘿卜應用于食品領域的品質需求。

干燥溫室與熱泵聯合系統每小時鮮胡蘿卜丁處理量為80 kg，每小時排出干胡蘿卜丁18.8 kg，每小時消耗電量53.5 kW·h，生產每千克干胡蘿卜丁成本為2.25元；對比傳統干燥技術，經濟效益較好。