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摘要：綜述了國內(nèi)外太陽能熱泵干燥技術(shù)的研究進(jìn)展，并對太陽能熱泵干燥技術(shù)的最新應(yīng)用進(jìn)行了總結(jié)，分析了太陽能熱泵干燥技術(shù)存在的問題，提出其未來的研究方向是太陽能輔助多級空氣源、化學(xué)和地源熱泵干燥系統(tǒng)，控制系統(tǒng)和經(jīng)濟(jì)性的研究。太陽能熱泵干燥是一種新型干燥技術(shù)，它綜合了太陽能干燥和熱泵干燥的優(yōu)點(diǎn)，解決了太陽能干燥受時間、氣候等因素制約的問題，具有潛在的發(fā)展前景。

關(guān)鍵詞：太陽能；熱泵；干燥；應(yīng)用

0引言

干燥技術(shù)廣泛應(yīng)用于木材、食品、煙葉、陶瓷、生物醫(yī)藥、化工等諸多領(lǐng)域。傳統(tǒng)的干燥方式是燃煤熱風(fēng)、燃油干燥，隨著工業(yè)化的進(jìn)程加快，煤、石油等化石燃料大量消耗，加劇了環(huán)境的破壞，急需尋求清潔高效的干燥方式來取代傳統(tǒng)的燃煤、燃油熱風(fēng)干燥［1-3］。熱泵干燥是一種新型的干燥技術(shù)，采用逆卡諾循環(huán)的工作原理，以消耗一部分的高品位能量（電能、機(jī)械能）為代價，實(shí)現(xiàn)把低溫?zé)嵩粗械臒崃哭D(zhuǎn)移到高溫?zé)嵩粗小岜酶稍锉绕渌稍锓绞礁訙睾停M(jìn)入干燥室的空氣的溫度和濕度都可以控制，熱泵干燥系統(tǒng)的能效比（COP）可達(dá)3.0左右，能源利用率高，熱泵干燥還具有適用范圍廣、運(yùn)行費(fèi)用低、環(huán)保無污染等優(yōu)點(diǎn)。太陽能是一種可再生的清潔能源，隨著化石燃料的短缺，太陽能受到越來越多的重視，太陽能利用技術(shù)也逐步發(fā)展起來，太陽能干燥就是其中之一。但是太陽能干燥易受氣候條件、地理位置及時間因素的影響，限制了推廣，為了滿足節(jié)能環(huán)保和連續(xù)作業(yè)的要求，可以把太陽能和熱泵組合成太陽能熱泵聯(lián)合干燥新技術(shù)。本文對該技術(shù)的研究進(jìn)展進(jìn)行了綜述。

1太陽能熱泵干燥國內(nèi)外研究進(jìn)展

1.1熱泵系統(tǒng)中的制冷劑研究

Nasruddin等［4］研究了低GWP制冷劑R1234ze（E）在太陽能輔助熱泵系統(tǒng)高溫工況下系統(tǒng)能量、效益和環(huán)境的最優(yōu)化。結(jié)果表明：蒸發(fā)溫度為319K壓縮機(jī)吸氣溫度372K和冷凝溫度379K系統(tǒng)達(dá)到最佳工況，太陽能輔助熱泵系統(tǒng)的COP為5.04。Lee等［5］研究了使用低GWP制冷劑（R-1233zd（E））的太陽能熱泵系統(tǒng)的性能，該太陽能熱泵系統(tǒng)帶有一種新型的太陽能集熱器，研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)無論在任何天氣條件下，這種新型的太陽能集熱器的集熱效率可達(dá)40%，與R-134a相比較，雖然R-1233zd（E）的熱容量沒有R-134a高，但是R-1233zd（E）的能量耗費(fèi)率更低，系統(tǒng)在使用R-1233zd（E）能效比（COP）更高。王洪利等［6］對采用R1234yf為制冷劑的太陽能-空氣能復(fù)合熱泵系統(tǒng)進(jìn)行了性能分析，且與選用R134a為制冷劑的熱泵系統(tǒng)進(jìn)行了對比，研究結(jié)果表明太陽能熱泵系統(tǒng)的性能較高、耗功少、制熱性能高，選用R134a作為制冷劑的熱泵系統(tǒng)的COP比采用R1234yf高約2%~3.4%，而R1234yf作為R134a的替代物，溫室效應(yīng)值極低，環(huán)保性能更加顯著。

1.2太陽能熱泵系統(tǒng)研究

Sonsaree等［7］提出了一種將工業(yè)廢熱回收與太陽能熱水系統(tǒng)相結(jié)合的蒸汽壓縮熱泵作為加熱增壓器的有機(jī)朗肯循環(huán)（ORC）發(fā)電的新概念。通過建立數(shù)學(xué)模型仿真對系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性和對環(huán)境的影響進(jìn)行了評估。結(jié)果表明當(dāng)太陽能集熱器的數(shù)量為700臺時，該系統(tǒng)的平均電力成本（LEC）和回收期分別為0.098美元/（kW•h）和22.5年，可以生產(chǎn)47.0（MW•h）/年的電力，系統(tǒng)每年可減少二氧化碳排放量約25.8噸。蔣綠林等［8］設(shè)計一種凝結(jié)式熱回收熱泵和太陽能熱泵聯(lián)合干燥裝置，其中凝結(jié)式熱泵系統(tǒng)回收干燥廢氣中的大量熱量（特別是潛熱），對干燥介質(zhì)（新風(fēng)）進(jìn)行一級加熱，太陽能熱泵系統(tǒng)對干燥介質(zhì)進(jìn)行二級加熱（如圖2所示）。試驗(yàn)結(jié)果表明：在平均輻照強(qiáng)度為625W/m2。環(huán)境溫度為22.3℃時，熱風(fēng)溫度可達(dá)40~70℃，熱泵干燥系統(tǒng)平均能效比高達(dá)3.89，干燥能耗除濕量平均達(dá)1.65kg/（kW•h），均遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)干燥系統(tǒng)。Qiu等［9］設(shè)計了一種新型熱回收和熱儲能太陽能輔助熱泵干燥系統(tǒng)。試驗(yàn)結(jié)果表明：SAHPD的干燥系統(tǒng)的性能系數(shù)介于3.21至3.49之間，此外，在熱回收方面可節(jié)省40.53％的能源消耗，經(jīng)過計算用該系統(tǒng)干燥蘿卜，胡椒和蘑菇的投資回收期分別是6年，4年，2年。胡靜等［10］設(shè)計了一種相變儲能光伏太陽能熱泵干燥系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)干燥廢氣余熱（顯熱和潛熱）回收、新風(fēng)兩級加熱以及太陽能和熱泵系統(tǒng)多余能量的儲存。試驗(yàn)結(jié)果表明：太陽能光伏發(fā)電量可滿足系統(tǒng)的供電要求。系統(tǒng)的COP為3.25，干燥溫度可達(dá)60℃以上，適用于多種物料干燥。

1.3太陽能集熱器研究

Chen等［11］設(shè)計了一種熱管太陽能光伏集熱器，試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，熱泵系統(tǒng)的COP隨著太陽能強(qiáng)度，環(huán)境溫度和光伏背板吸收率的增加而增加，冷凝器入口水溫，光伏封裝因子和熱管間距的增加會降低熱COP，采用熱管輔助光伏熱力蒸發(fā)器的集熱效率要比傳統(tǒng)的光伏集熱器高3%~5%。周偉等［12］設(shè)計了一種微通道集熱／蒸發(fā)器，采用樹形分支模型，由2塊鋁板冷軋吹脹而成，并將微通道集熱／蒸發(fā)器應(yīng)用到太陽能熱泵系統(tǒng)中，試驗(yàn)結(jié)果表明：系統(tǒng)全年平均COP為4.8，集熱效率為1.3。HadiSamimi-Akhijahani等［13］設(shè)計了一種可以對太陽進(jìn)行跟蹤的太陽能集熱器，試驗(yàn)結(jié)果表明：太陽追蹤系統(tǒng)將干燥時間從36.6％縮短至16.6％，顯著增加了9.1%~64.6％范圍內(nèi)的有效水分?jǐn)U散率。

2太陽能熱泵干燥系統(tǒng)的形式

太陽能熱泵干燥系統(tǒng)是由太陽能集熱系統(tǒng)、熱泵系統(tǒng)、干燥系統(tǒng)組成，主要部件包括太陽能集熱器、循環(huán)風(fēng)機(jī)、冷凝器、節(jié)流閥、蒸發(fā)器、壓縮機(jī)、干燥室等，通常為了提高系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性或者運(yùn)行效率會增加集熱水箱、箱變蓄熱箱等裝置。（1）太陽能熱泵干燥系統(tǒng)根據(jù)熱泵系統(tǒng)的蒸發(fā)器與太陽能集熱器的組合形式分為：直膨式和非直膨式。在非直膨系統(tǒng)中，根據(jù)太陽能系統(tǒng)和熱泵系統(tǒng)工作運(yùn)行方式，又分為串聯(lián)式、并聯(lián)式和混聯(lián)式。直膨式太陽能熱泵干燥系統(tǒng)就是將太陽能的集熱器和熱泵系統(tǒng)的蒸發(fā)器組成太陽能集熱蒸發(fā)器，在熱泵蒸發(fā)器的表面噴涂光譜選擇性圖層，制冷劑直接在集熱蒸發(fā)器中吸收太陽輻射能膨脹升溫。直膨式太陽能熱泵干燥系統(tǒng)以太陽能輻射能為主要低溫?zé)嵩矗宰匀粚α鞯目諝饽茏鳛檩o助的低溫?zé)嵩矗瑸楦稍锵到y(tǒng)提供熱量。Mohanraj等［14］研究了以R22為制冷劑的直膨式太陽熱泵干燥系統(tǒng)的性能。試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)：該系統(tǒng)COP在2.31~2.77之間變化，在40h內(nèi)物料水分含量（濕基）從約52％降低至約9％，系統(tǒng)SMER為0.79kg/（kW•h），與空氣源熱泵干燥系統(tǒng)相比效果更優(yōu)。非直膨串聯(lián)式太陽能熱泵系統(tǒng)是由太陽能集熱系統(tǒng)和一個水源熱泵系統(tǒng)組合而成。水在太陽能集熱器中吸收太陽輻射能后溫度升高，被泵入到集熱水箱中儲存，作為熱泵系統(tǒng)的低溫?zé)嵩础岜孟到y(tǒng)的制冷劑工質(zhì)在集熱水箱中吸收熱量，經(jīng)壓縮機(jī)壓縮后進(jìn)入到冷凝器中，與室外的空氣進(jìn)行換熱，然后由風(fēng)機(jī)送入到干燥室中對物料進(jìn)行干燥。李宏燕等［15］研究了太陽能與熱泵干燥的串聯(lián)形式，在太陽能不同的供熱溫度下對壓縮機(jī)的工作性能進(jìn)行了研究。結(jié)果表明提高熱泵的蒸發(fā)溫度，可改善壓縮機(jī)的工作環(huán)境，從而提高熱泵供熱的COP。

非直膨并聯(lián)式太陽能熱泵干燥系統(tǒng)中太陽能系統(tǒng)和熱泵系統(tǒng)相對獨(dú)立工作，其中太陽能作為主要熱源，熱泵作為輔助熱源。在太陽能充足時，由太陽能集熱器提供熱量對空氣進(jìn)行加熱，進(jìn)入到干燥室中對物料進(jìn)行干燥。當(dāng)遇到陰雨天氣太陽能輻射較弱或者沒有太陽能時，太陽能集熱器收集的熱量無法滿足干燥的需要，啟動熱泵系統(tǒng)物料進(jìn)行干燥L(fēng)i等［16］研究了并聯(lián)式太陽能熱泵干燥系統(tǒng)的性能，試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)：系統(tǒng)的最大COP可達(dá)6.25，SMER為3.0kg/（kW•h），與傳統(tǒng)的干燥系統(tǒng)相比干燥產(chǎn)品質(zhì)量顯著提高，壓縮機(jī)功耗降低。非直膨混聯(lián)式太陽能熱泵干燥系統(tǒng)有三種工作模式：第一種在太陽輻射能充足的時候直接由太陽能集熱器為系統(tǒng)提供熱量；第二種在陰雨天太陽能輻射較弱的時候，太陽能集熱器收集的熱量不能滿足物料干燥的要求，可以采用串聯(lián)的運(yùn)行方式，由太陽能輔助熱泵為干燥系統(tǒng)提供熱量；第三種在沒有太陽能輻射的時候，啟動空氣源熱泵，由熱泵系統(tǒng)對空氣進(jìn)行加熱干燥物料。吳鵬輝等［17］設(shè)計了一套混聯(lián)式太陽能熱泵干燥系統(tǒng)，試驗(yàn)結(jié)果得出冷凝器溫度在47.6℃，冷凝溫度和蒸發(fā)溫度差在12℃左右時，較為合理，該系統(tǒng)的SMER值要高于熱風(fēng)干燥，節(jié)能效果良好，干燥后的產(chǎn)品品質(zhì)較佳。

（2）按干燥室空氣循環(huán)方式可分為開路式干燥系統(tǒng)、閉路循環(huán)干燥系統(tǒng)和半開式干燥系統(tǒng)。開路式干燥系統(tǒng)就是干燥室內(nèi)對物料進(jìn)行干燥后廢氣不經(jīng)過處理直接排放到大氣中。閉路式干燥系統(tǒng)是干燥介質(zhì)對在干燥室內(nèi)對物料進(jìn)行干燥之后，由熱回收裝置對干燥后的介質(zhì)進(jìn)行處理，吸收其中的顯熱和潛熱，降低干燥介質(zhì)的濕度，然后進(jìn)入到加熱裝置中，升溫后重新進(jìn)入到干燥室循環(huán)利用。半開式干燥系統(tǒng)是介于以上兩者之間包括新風(fēng)補(bǔ)充和廢氣回收的系統(tǒng)。

3太陽能熱泵干燥的最新應(yīng)用

3.1菌菇干燥

郝亞萍等［18］設(shè)計了帶有殼管式相變蓄熱器的太陽能熱泵聯(lián)合干燥系統(tǒng)，對香菇干燥進(jìn)行了研究。研究表明，在變溫干燥條件下，香菇在較長時間內(nèi)都能保持較大的干燥速率，更適合于菌菇類的干燥。

3.2中藥材干燥

常瑞虎等［19］設(shè)計了固體儲熱材料蓄熱型干燥室，搭建了太陽能熱泵聯(lián)合干燥試驗(yàn)臺，研究了當(dāng)歸的干燥特性以及系統(tǒng)的性能。研究結(jié)果表明，新設(shè)計的干燥室可以很好地滿足當(dāng)歸的干燥要求，流經(jīng)物料層表面的熱空氣的速度和均勻性都得到了極大地改善。.3水產(chǎn)品干燥吳鵬輝等［20］利用太陽能熱泵聯(lián)合干燥的方法對初始含水率在75%以上的野生白魚進(jìn)行干燥，通過試驗(yàn)得到野生白魚的最佳干燥工況。研究表明野生白魚干燥的最佳工藝為：干燥溫度為41.02℃，風(fēng)速為2m/s，太陽能系統(tǒng)的循環(huán)風(fēng)機(jī)功率為0.85kW，此時干燥能耗最小值為43.89kW•h。

3.4煙草干燥

李昂等［21］設(shè)計了一種太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)與雙熱源供熱系統(tǒng)組合烤房，對煙葉進(jìn)行烘烤，探究這種新型烤房和普通烤房耗能和烤后煙葉外觀質(zhì)量、化學(xué)成分的差別。結(jié)果表明，太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)與雙熱源供熱系統(tǒng)組合烤房在生產(chǎn)應(yīng)用中總耗能明顯降低，烤后煙葉的外觀品質(zhì)提升，化學(xué)成分變得更協(xié)調(diào)，具有較好的推廣價值。

3.5糧食干燥

謝婷婷等［22］以早秈稻谷為原料，采用太陽能輔助熱泵聯(lián)合干燥早秈稻谷，并探討其干燥規(guī)律。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，該系統(tǒng)可以顯著縮短干燥時間、降低早秈稻谷的水分含量，并且不受自然條件等影響，具有良好的干燥效果。

3.6玫瑰花干燥

袁和濤等［23］設(shè)計一種太陽能與空氣源熱泵組合干燥的裝置，并采用試驗(yàn)和對比分析的方法，通過對玫瑰花蕾進(jìn)行干燥對裝置進(jìn)行測試。干燥裝置性能優(yōu)越，供熱系數(shù)高達(dá)7.9，比單獨(dú)使用太陽能更穩(wěn)定，比熱泵干燥更節(jié)能。設(shè)備干燥的玫瑰花蕾色澤純正，花香清新，不含硫，市場價值更大。

4太陽能熱泵干燥現(xiàn)存問題與展望

4.1現(xiàn)存問題

太陽能熱泵干燥技術(shù)在各個方面的研究都比較深入了，但在實(shí)際運(yùn)行中仍然存在一些問題：

（1）太陽能熱泵干燥系統(tǒng)的初投資高，且系統(tǒng)需要定時維護(hù)，以保證系統(tǒng)高效運(yùn)行。與傳統(tǒng)的燃煤干燥相比，投資回報期較長。

（2）太陽能資源與地理環(huán)境有著很大的關(guān)系，北方地區(qū)太陽能資源豐富，而南方地區(qū)多陰雨天氣，太陽能資源十分短缺，使得太陽能干燥技術(shù)在我國的東、南部利用率不高。

（3）熱泵系統(tǒng)結(jié)霜問題。一些地方晝夜溫差非常大，環(huán)境溫度有可能達(dá)到0℃以下，從干燥室出來的高濕空氣以及大氣中的水蒸氣會在熱泵蒸發(fā)器的表面凝結(jié)成霜，使得制冷劑與環(huán)境的換熱效率大大降低，系統(tǒng)性能下降。

4.2展望

在當(dāng)今節(jié)能減排為主題的大環(huán)境下，太陽能熱泵干燥技術(shù)具有很大的發(fā)展?jié)摿Αμ柲軣岜酶稍锛夹g(shù)不斷地改進(jìn)，擴(kuò)大應(yīng)用范圍，提高干燥效率，增強(qiáng)運(yùn)行穩(wěn)定性，這將成為未來的發(fā)展趨勢。

（1）對太陽能輔助多級空氣源熱泵的研究。開發(fā)太陽能輔助多級空氣源熱泵干燥系統(tǒng)，通過對能量的梯級利用，實(shí)現(xiàn)太陽能和空氣源熱泵效率雙高。同時，從干燥室內(nèi)出來的干燥介質(zhì)的能量也可以進(jìn)行多級回收，降低干燥成本，減小環(huán)境污染。

（2）控制系統(tǒng)的研究。開發(fā)更加完善的控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)在不同氣象條件下，太陽能熱泵干燥系統(tǒng)不同工作模式自動、無縫隙的切換，以及干燥介質(zhì)濕度、溫度、流速在線監(jiān)測和智能控制。（3）太陽能集熱器的研究。目前，對于提高太陽能集熱器的集熱性能已經(jīng)進(jìn)行了很多研究，但是對于不同類型的太陽能集熱器在不同氣候條件下與熱泵合理匹配的方面研究較少，包括空氣式集熱器、液體式集熱器。

（4）太陽能輔泵干燥系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性的研究。太陽能熱泵系統(tǒng)的成本高，且在系統(tǒng)中有較多的運(yùn)動部件需要定時維護(hù)，這些因素都會限制太陽能熱泵干燥系統(tǒng)的推廣。因此可以對太陽能泵干燥系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行研究，得到不同類型太陽能熱泵干燥系統(tǒng)的投資回報期，可為選擇適合不同氣候和經(jīng)濟(jì)條件的最佳太陽能熱泵系統(tǒng)提供使用指南。

（5）太陽能聯(lián)合其他源熱泵系統(tǒng)的研究。應(yīng)該加大對太陽能聯(lián)合水源、土壤源、化學(xué)源熱泵系統(tǒng)的研究，可根據(jù)實(shí)際地理環(huán)境和氣候條件選擇合適的干燥系統(tǒng)，進(jìn)一步的提高能源利用率。

5結(jié)語

太陽能熱泵干燥技術(shù)有著其他干燥技術(shù)不可比擬的優(yōu)勢——對太陽能進(jìn)行了利用，同時具有干燥效率高、節(jié)能環(huán)保的優(yōu)點(diǎn)。目前，對于太陽能熱泵干燥技術(shù)的研究已比較成熟，但是對于太陽能輔助多級空氣源、化學(xué)和地源熱泵干燥系統(tǒng)、精密的控制系統(tǒng)、不同類型太陽能集熱器在不同氣候條件下與熱泵系統(tǒng)合理匹配的研究以及太陽能熱泵干燥系統(tǒng)投資與回報的問題研究還比較少。隨著研究的深入和技術(shù)的不斷成熟，太陽能熱泵干燥技術(shù)會創(chuàng)造更大的節(jié)能環(huán)保效益，對于緩解能源危機(jī)和減少環(huán)境污染具有重要意義。

作者:李亞倫 李保國 朱傳輝 單位:上海理工大學(xué)能源與動力學(xué)院