吴 炜，倪美琴，江莹莹，汪 峰，吴文婧，陈 浩
（1.扬州大学 电气与能源动力工程学院，江苏 扬州 225009；
2.江苏华源建筑设计研究院股份有限公司，江苏 常州 213000；
3.江苏省建筑科学研究院，江苏 南京 210000）
粮食安全是一个长期困扰人类的难题，一直以来受到广泛关注[1]。目前，我国水稻产区因缺少必要的烘干设备，每年稻谷收获后的损失量高达1000万t，折合人民币约200亿元[2]。因此，如何降低粮食收获后的损失和实现粮食高效、安全、经济的干燥，对我国的粮食安全具有重大意义，同时也是一项异常艰巨的任务。
空气源热泵技术因其能源利用率高、环保等优点，逐渐被应用于干燥领域[3]，[4]，且应用前景广阔。对此，国内外许多学者进行了大量的实验和理论研究。Thing[5]分别用太阳能干燥、太阳能间歇热泵干燥、热风干燥和空气源热泵干燥等不同干燥方式对玫瑰茄进行了干燥，结果表明，空气源热泵的干燥速率最高，干燥后的玫瑰茄无显著颜色损失。Kloeker[6]提出了以CO2为制冷工质的热泵干燥系统，并与制冷工质为R134a的热泵干燥系统进行比较，得出其系统性能系数COP和单位耗能除湿量SMER均优于R134a热泵干燥系统。Liu[7]在闭式空气源热泵干燥系统上采用蒸发器热风旁通装置，对胡萝卜片进行了干燥实验，结果表明，采用该热风旁通装置可使含水率达到20%的干燥时间缩短15%，能耗降低30%。刘涛[8]研究了空气源热泵技术在菊花烘干中的性能，发现空气源热泵干燥系统在菊花烘干中，不仅干燥时间短，而且干制品品质较好。
目前的空气源热泵干燥技术主要着眼于除湿干燥，即热泵循环的蒸发温度较低、冷凝温度较高，这对热泵性能不利。同时，粮食烘干后会产生大量含有灰尘、杂质的热湿空气，若直接排到大气环境中，会造成环境污染和能量浪费[9]。因此，做好排风除尘及余热回收利用是提高热泵粮食烘干系统能源利用率的关键。本文将针对开式和半开式空气源热泵粮食干燥系统进行实验研究，探究排风热回收应用于热泵稻谷烘干系统的可行性以及对干燥运行特性影响，为空气源热泵稻谷干燥系统的优化设计提供参考。
根据蒸发器和冷凝器进风来源，空气源热泵干燥系统可分为闭式、开式和半开式3种形式[10]，其原理分别如图1所示。空气温度即冷凝器的进风温度经闭式系统经蒸发器后低于环境温度，这将导致系统送风温度达到设定值所需的制热量增大，耗功增加。此外，闭式系统经烘干塔后的再循环空气中灰尘较多，会造成蒸发器和冷凝器翅片堵塞，从而降低系统效率，这两方面原因限制了该系统的实际应用。而开式系统形式较为简单，在实际工程中应用较多。但是，干燥介质受室外空气参数的影响较大，系统的干燥性能和能耗易受环境空气的影响。此外，烘干塔排风温度高于环境温度，直接排放既污染环境又会使余热没有得到有效利用，不利于节能减排。
图1 空气源热泵干燥系统原理Fig.1 Schematic diagram of air source heat pump drying system
本文提出的半开式系统首先将烘干塔排出的热湿空气经过布袋式除尘器除尘，然后排入灰房。图2为灰房平面布置图。热泵稻谷干燥系统的相关部件均放置在灰房里，蒸发器与冷凝器的进风均为环境空气和除尘后排风的混合风。蒸发器吸收混合风的热量，并将其排出室外；
冷凝器加热混合风后送至烘干塔中。混合风既可当做热泵的低温热源，增加蒸发器吸热量，又可提高冷凝器的进风温度，以满足在相同送风温度的前提下，减少空气加热所需的制热量。基于此，本文选择半开式系统用于南京某稻谷烘干系统，并与仪征某开式系统进行实验对比，以探索排风热回收方式应用于热泵稻谷烘干的可行性。两者的烘干塔和热泵机组型号均相同。烘干塔型号5HXG-30C、外型尺寸4815mm×4525mm×11625mm、循 环 风 量20000 m3/h、功率16.22kW、容量30000kg。热泵机组型号HZHG140、制热量140kW、数量10台。且仪征与南京地理位置相邻，气候条件相似。
图2 灰房平面布置图Fig.2 Layout of ash room
该半开式系统可通过调节灰房窗户开启度控制新回风的比例，从而控制系统的进风温湿度。在本实验测试中，半开式系统为窗户全开模式。稻谷烘干均从2019年10月15日13：00开始至10月16日13：00结束，测试当天南京气温为15～24℃、相对湿度为51.0%～90.2%，仪征气温为16～23℃、相对湿度为54.3%～91.5%，稻谷的初始含水率均为32.5%。粮食烘干对温度的控制较为严格，并且不同种类的粮食最佳烘干温度也不同。烘干温度过高，粮食容易爆腰；
温度过低，粮食所需的干燥时间更长，且不经济。因此，南京和仪征两个烘干中心根据稻谷烘干的需求，将热泵机组的送风温度均设定为65℃。实验过程中需测量空气的温湿度、烘干塔内稻谷含水率、热泵耗功和风量等参数，根据实验测试数据分别从进、出风温湿度、系统耗功、COP、SMER和含水率等方面进行对比分析，研究两种形式干燥系统的运行特性。
2.1 进风温湿度
两种热泵干燥系统进风温湿度随干燥时间变化如图3所示。
图3 两种热泵干燥系统进风温湿度随干燥时间变化Fig.3 Variation of inlet air temperature and humidity with drying time of two heat pump systems
由图3可知，半开式系统的进风温度为22～27℃，相对湿度为75.8%～95.3%，进风温度较为稳定，但相对湿度较大，尤其是在夜晚，这是对排风进行热回收所导致的，且该实验时间段处于秋季，夜晚环境空气相对湿度较大。开式系统的进风温湿度随环境温湿度而变，进风温度为16.5～22.8℃，相对湿度为51.0%～90.5%。显然，半开式系统蒸发器的进风温湿度均高于开式系统。并且环境温度越低，开式与半开式系统的进风温湿度差异越大。因此，与开式系统相比，半开式系统的蒸发器因进风温湿度高使吸热量大，且冷凝器的进风温度也高于开式系统，这有利于送风温度达到设定温度。当环境温度降低时，开式系统蒸发器侧的进风温度也随之降低，影响蒸发器的吸热量，导致送风温度不能达到设定温度要求，从而影响干燥产品质量。半开式系统利用排风热回收方式将排风除尘后与环境空气混合，增加蒸发器的吸热量，可确保送风温度达到设定温度要求，从而保证干燥产品质量。但是，半开式系统进风状态点的相对湿度大于开式系统，这对稻谷干燥速率会产生一定影响。
2.2 送风温湿度
送风温度和湿度是影响稻谷烘干效果的两个主要因素，两种热泵干燥系统的进风均是经过冷凝器等湿加热后再送入烘干塔，则送风含湿量与进风含湿量相等。两种热泵干燥系统的送风含湿量随干燥时间的变化过程如图4所示。
由图4可知，开式与半开式热泵干燥系统的送风含湿量随干燥时间的变化均较为平缓，半开式系统送风含湿量较大，平均为16.8g/kg；
开式系统送风含湿量较小，平均为9.8g/kg。这是因为半开式系统回收了高温高湿的排风，使得冷凝器的进风温度、相对湿度均增大，这对稻谷干燥速率和最终含水率均会产生一定影响。在本实验中，半开式系统的灰房窗户均开启，即排风与新风之比较小。若灰房窗户均关闭，则会使半开式系统的进风含湿量过大，导致稻谷最终含水率不能满足要求。
图5为两个干燥系统的送风温度随干燥时间的变化。由图5可知，半开式系统的送风温度大部分时间都在64～65.5℃，且相对平稳。开式系统的送风温度为62～65℃，显然开式系统的送风温度波动较大。尤其是在21：00-3：00室外气温较低时，送风温度为62～64℃，未达到送风温度要求，较低的送风温度将对干燥品质产生不利影响。
图5 两种热泵干燥系统送风温度随干燥时间变化Fig.5 Variation of supply air temperature with drying time of two heat pump systems
2.3 热泵系统制热量
热泵干燥系统制热量随进风温度的变化如图6所示。
图6 热泵干燥系统制热量随进风温度的变化Fig.6 Variation of heating capacity of heat pump drying system with inlet air temperature
由图6可知，开式与半开式系统的制热量均随进风温度的降低而增加，这是因为要使送风温度达到设定值，进风温度的降低会使所需的制热量增加。开式系统的平均制热量为125.82kW，半开式系统的平均制热量为117.59kW，可以看出，开式系统的平均制热量大于半开式系统，这是因为开式系统冷凝器侧的进风温度为环境温度，比半开式系统冷凝器侧的进风温度低。结合图5和图6（a），在21：00-3：00，开 式 系 统 冷 凝 器 侧 的 进风温度降低、制热量增加，但仍未达到加热空气所需的供热量要求，因此开式系统在该时段的送风温度未达到设定送风温度65℃，对稻谷干燥产生不利影响。由图5和图6（b）可知，在夜晚，即使随着冷凝器侧进风温度的降低，半开式系统制热量不及开式系统大，但半开式系统的送风温度依然能达到设定送风温度要求。由此可见，半开式系统对排风除尘后进行热回收，在确保送风温度的同时又可满足供热量要求。
2.4 热泵系统耗功率和制热性能系数COP
开式与半开式系统的耗功率随干燥时间的变化如图7所示。
图7 两种热泵干燥系统耗功率随干燥时间变化Fig.7 Variation of power consumption of two heat pump systems with drying time
由图7可知，开式系统的平均耗功率为45.92 kW，半开式系统的平均耗功率为41.07kW，开式系统的耗功率大于半开式系统，且开式系统的耗功率波动较大，半开式系统的耗功率变化较为平缓。这是因为开式系统蒸发器和冷凝器的进风温度受室外环境温度影响，且随昼夜变化较大。蒸发器的进风温度下降会导致其吸热量减少，冷凝器侧的进风温度下降会导致传热温差增大、所需的制热量增加。因此，开式热泵干燥系统的系统耗功率波动较大，且耗功增加。
两种热泵干燥系统的COP随干燥时间的变化曲线如图8所示。半开式系统平均COP为2.86，开式系统平均COP为2.74，半开式系统COP整体高于开式系统。这是因为半开式系统蒸发器的进风温度较高、相对湿度较大，所以蒸发器的蒸发温度较高、吸热量较大，且半开式系统的耗功较小。因此，半开式热泵干燥系统COP较高，有利于节能。
图8 两种热泵干燥系统COP随干燥时间变化Fig.8 Variation of COP of two heat pump systems with drying time
2.5 单位能耗除湿量SMER
单位能耗除湿量是稻谷蒸发的水分与热泵系统消耗的能量之比，把热泵系统与烘干塔联系成整体综合考虑，是一个更加直观、全面的热泵干燥系统性能评价指标。开式与半开式系统的单位能耗除湿量随干燥时间的变化如图9所示。
图9 两种热泵干燥系统SMER随干燥时间变化Fig.9 Variation of SMER with drying time of two heat pump systems
由图9可知，开式系统和半开式系统的单位能耗除湿量均随着干燥时间的增加而呈现下降趋势，且在干燥后期二者差异甚小，说明随着干燥时间的增加，稻谷水分被不断去除，消耗相同能量所能去除的稻谷水分逐渐减少。开式系统的平均单位能耗除湿量均为2.639kg/（kW·h），半开式系统的平均单位能耗除湿量为2.759kg/（kW·h），表明半开式热泵系统较为节能。
2.6 稻谷含水率
开式和半开式系统的稻谷含水率随干燥时间的变化如图10所示。
图10 两种热泵干燥系统稻谷含水率随干燥时间变化Fig.10 Variation of rice moisture content with drying time of two heat pump drying systems
结果表明，两种热泵干燥系统含水率下降趋势差距较小。开式系统在夜晚因蒸发器侧进风温度较低使蒸发器吸热量不足，从而导致送风温度达不到设定值而影响干燥速率。半开式系统送风含湿量较大，干燥介质与稻谷之间的传质推动力较小，尤其在干燥后期会对干燥速率影响较大。在烘干24h后，半开式系统的稻谷含水率为14.4%，开式系统的稻谷含水率为13.5%，二者均满足稻谷烘干后含水率为13.5%～14.5%的要求。特别是因夏热冬冷地区10月份的环境温度较高、夜间相对湿度较大，在相同干燥时间内，采用开式系统烘干后的稻谷含水率小于半开式系统。但是随着环境温度的降低，开式系统蒸发器侧因进风温度较低导致吸热量不足，使系统送风温度下降，从而影响稻谷干燥速率。
通过对比分析开式和半开式热泵稻谷干燥系统的运行特性可知，半开式空气源热泵粮食干燥系统的整体性能要优于开式系统。具体包括以下结论。
①开式系统结构相对简单，但是送风温度受环境温度的影响很大，送风温度较低时将对干燥品质产生不利影响，而且开式系统的排风是直接排放，既浪费能量又污染环境；
半开式系统由于将排风除尘后进行热回收，提高了进风温湿度，使得蒸发器的吸热量、系统的COP得到相应的提高，同时也解决了环境污染问题。
②与开式系统相比，半开式系统在满足送风温度要求的同时，单位能耗除湿量较大，既确保了稻谷烘干品质又起到了节能作用。而环境温度低时，开式系统蒸发器侧进风温度低导致蒸发器吸热量不足，使系统送风温度过低，会降低稻谷干燥速率，影响干燥效果。因此，半开式空气源热泵粮食干燥系统的运行性能要优于开式系统。
③在夏热冬冷地区的秋季，可以通过调整窗开启度，使半开式系统的进风温湿度控制在合理范围内（进风温度在22～26℃），否则会因回风比过大，导致进风温度过高、含湿量较大，不利于干燥效果。当环境温度降低时（深秋或北方），应调小窗户开度，避免因进风温度过低导致蒸发器吸热量不足，使送风温度过低而影响干燥效果。
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