空氣源熱泵烘干機組研究現狀及發展趨勢

蔡志敏，李 凡，李春來

（1.河源職業技術學院，廣東 河源 517000；2.廣東紐恩泰新能源科技有限公司，廣東 廣州 511300）

《中國制造2025》提出綠色制造、制定了綠色企業標準體系。中國綠色發展的重點工作之一是推動資源的節約。當前，政府對散煤燃燒產生的環境污染愈加重視，對改善大氣質量的要求越來越嚴，空氣源熱泵作為一種利用空氣能將熱量從低位熱源空氣流向高位熱源的新節能裝置，目前已被廣泛應用于采暖、生活熱水及工農業烘干等多個領域。

物料的干燥烘干過程在整個耗能過程中占了很大一部分比例，據不完全統計，烘干所消耗的能量占全國總能耗的10%左右，而熱量的有效利用率不足總熱量的一半。我國是全世界水果、蔬菜等農產品產量最高的國家之一，大多農產品非常重要的一個處理環節就是烘干處理。相比于一些發達國家，我國農產品干燥技術落后，2015 年之前，大部分烘干機械使用的熱源以煤為主，經粗略估算，干燥過程一年消耗0.15～0.3 億噸標煤，煤炭燃燒后排放含硫氮氣體過高，干燥過程中的能耗高，烘干品質卻不高；烘干室內的熱濕環境不容易被控制，溫濕度均勻性較差，而且不斷補入的新空氣中含有大量的氧氣，從而使得烘干產品發生氧化及酶促反應，導致被烘干的物料的色澤、香氣及營養物質等被破壞和流失，從而使烘干產品的品質不能得到保證。相比于傳統的熱風干燥，熱泵烘干技術具有能源消耗少（1 kW 最高可以產生5 kW 以上的熱量）、不污染環境、烘干品質高、適用范圍廣、安全可靠等優點，熱泵烘干技術近年來發展非常迅速，尤其在農產品加工、藥材、茶葉等烘干領域已經被廣泛應用。

在全世界能源越來越緊張，石油、天然氣等燃料價格不斷創歷史新高的形勢下，物料烘干的熱能利用率如何提高，在確保物料烘干質量的前提下，如何降低烘干成本，已成為物料烘干行業研究的重要課題和方向，因此熱泵干燥技術的研究對減少能源消耗和環境保護具有重大意義。

1 空氣源熱泵烘干機組工作原理

空氣源熱泵是以周圍的空氣作為低溫熱源，通過制冷劑吸收空氣中的熱量，把熱量搬運到被加熱物體中的一種節能加熱設備，常見的空氣源熱泵工作形式是將裝置產生的熱量用來加熱空氣或水，如空氣源熱泵供暖設備、空氣源熱泵熱水器、空氣源熱泵烘干機以及空氣源熱泵中央空調等?？諝饽軣岜米鳛橐环N高效的能量轉換裝置，在人們的日常生產生活中廣泛被應用。空氣源熱泵系統主要由蒸發器、壓縮機、冷凝器、膨脹閥、風機以及循環的制冷劑、電控系統等組成，如圖1 所示。

圖1 空氣源熱泵原理圖

空氣源熱泵烘干機組具有除濕效率高、節能、體積小、不污染環境、烘干品質高、運行可靠等優點，適合于果蔬、種子、食品、藥材等低溫干燥領域?，F有的閉式烘干機組采用如下回路：來自于烘房的濕熱空氣首先經過回熱器，回熱器吸收濕熱空氣中的熱量，降低濕熱空氣的溫度，降溫后的濕熱空氣進入蒸發器降溫除濕，經過蒸發器降溫除濕后的低溫干空氣再經過回熱器升溫，升溫后的干空氣進入到冷凝器進一步加熱升溫，空氣的相對濕度進一步降低，形成相對濕度很低的干熱空氣，這些高溫干熱空氣再進入烘房帶走被烘干物品中的水分，形成濕熱空氣，再進入回熱器循環。具體過程如圖2 所示。

圖2 常規空氣源熱泵烘干機組原理圖

空氣源熱泵系統的工作原理是制冷劑在熱泵系統各設備間不斷進行氣液轉換，實現低溫熱源中的熱量轉移至被加熱介質中的過程。首先在（1→2）過程中低溫冷媒在蒸發器中通過液態轉氣態，吸收外界低溫熱能，然后進入壓縮機，經過壓縮機壓縮后變成高溫高壓氣態冷媒，在（2→3）過程中再經過冷凝器與低溫介質進行熱量交換，制冷劑由氣態逐漸轉變為液態，然后在（3→4）過程中經過膨脹閥變成低溫低壓液態冷媒，最后再由（4→1）的過程進入蒸發器開始下一個循環，從而實現熱泵的連續制熱，具體如圖3 所示。

圖3 熱泵烘干過程工質狀態變化

2 產業、產品及市場對烘干技術的需求

改革開放以來，我國經濟快速發展的同時，政府也在不斷加強節能減排的力度，改造高污染的熱源，發展低碳經濟，在這樣的相關政策和背景下，近幾年，我國空氣源熱泵行業得到了迅速的發展。根據BSRIA 的數據顯示，空氣源熱泵在2013 年銷量為100.4 萬臺，而2015 年已增長至到139.5 萬臺，在北方“煤改電”項目大力推行下，空氣源熱泵2016 年比2015 年銷量增長了約45.8%，增加了大約64 萬臺，總體銷量已達到203 萬臺。2017 年中國空氣源熱泵同比增長約43.7%，銷量達到292 萬臺。2018 年同比增長約34.5%，總銷量更是達到了393 萬臺，具體如圖4 所示。這5 年數據表明，空氣源熱泵市場都以超過20%的增幅繼續發展。

圖4 空氣源熱泵歷年銷量統計表

目前我國食品、茶葉、藥材、污泥等行業烘干率平均水平比較低，熱泵烘干具有巨大的市場發展潛力，2010年，熱泵烘干機全國銷售量大約1 500 臺，2017 年，銷量已突破2.8 萬臺，7 年間烘干機銷量增長了將近18 倍。2015 年，烘干機銷售額約為2.3 億元，2017 年，銷售額已增至6.3 億元，2017 年內銷同比增加70.3%，烘干機占整個熱泵產業的比例逐年增加。目前我國農產品烘干機存量基礎非常低，隨著我國經濟的快速發展，預期熱泵烘干國內市場剛性需求和驅動力非常強勁。隨著經濟的發展，人們的環保和節能意識日益加強，其優異的節能效果使熱泵烘干技術顯示出廣闊的應用前景。

空氣源熱泵是替代燃煤、燃油等采暖、烘干設備的最佳途徑之一，隨著各行業對產品能耗、自動化、安全性等需求的提高，空氣源熱泵市場需求量還在不斷的增加。空氣源熱泵既是傳統行業，同時在新技術的引領下，也是朝陽行業，全球市場前景十分廣闊。

3 相關技術國內外發展現狀與趨勢

3.1 國外研究現狀

20 世紀70 年代，全球爆發能源危機，對能源的開發、有效利用尤為重要，在此背景下，在歐美等發達國家，空氣源熱泵技術也得到快速的發展，在土木建筑、供暖制冷和工業生產等領域熱泵技術被廣泛應用，熱泵烘干技術也逐漸開始在各行業領域中得到應用與發展。日本、俄羅斯、西歐、美國等國外的一些發達國家，也較早地對熱泵烘干技術進行了理論和實踐研究，研究的方向總結歸納主要有以下幾方面。

（1）對空氣源熱泵制冷劑工質及烘干介質本身特性的研究，熱泵干燥系統中最為常見的制冷工質是R134a 等。

（2）對熱泵烘干系統結構設計，控制系統及策略的研究。熱泵烘干系統的結構設計以及各個設備之間的匹配程度，對整個烘干系統的性能影響很大。

（3）對熱泵干燥系統性能及品質等方面的研究。

總之，歐美等發達國家對空氣源熱泵烘干技術的研究起步較早，主要對烘干過程中的制冷劑工質、干燥介質、熱泵系統改進等方面進行了相關研究，在生產制造經驗及關鍵工藝技術上有一定的優勢。

3.2 國內研究現狀

跟歐美等發達國家相比較，我國熱泵干燥技術的發展相對比較晚，20 世紀80 年代初，我國才逐步開始進行熱泵烘干技術相關的研究，近些年來，經過國內眾多學者的不斷努力，我國熱泵烘干技術也已得到了較快的發展。研究方向主要有：（1）空氣源熱泵烘干除濕效率方面的研究；（2）空氣源熱泵系統控制方面的研究；（3）烘干介質特性的研究。

國內研究人員針對熱泵烘干技術開展了相關的技術研究，在提高空氣源熱泵效率、開發輔助熱源及提高物料干燥品質等方面取得了較大的成效，也逐步證明了熱泵技術應用于烘干行業具有獨特的優勢，但在具體的熱泵系統設計以及電氣控制技術等方面的研究尚待提高，如何設計合理的干燥系統及控制系統來實現高效、節能、高質的干燥目的是今后研究的重點。

4 空氣源熱泵發展趨勢研究

目前的閉式干燥機組采用的回熱器體積大，除濕效果差，導致機組能耗高。熱管式空氣源熱泵閉式烘干機組采用熱管技術取代傳統的回熱器，提高除濕效率，簡化結構，降低機組成本和機組運行費用。

4.1 解決換熱器效率低、體積大的問題

傳統熱泵干燥系統加入換熱器可以降低濕空氣相對濕度和含濕量并提高干燥效率，目前常規機組采用氣-氣換熱器用于熱泵干燥系統，氣-氣換熱器的體積較大，在閉式結構中會占據大量空間，循環結構設置不方便，也會影響閉式結構內濕空氣流通性。

比如采用重力式熱管作為熱泵冷凝器和蒸發器之間的傳熱裝置，重力式熱管是一種十分高效的傳熱元件，在較小溫差內就能正常工作，而且體積很小，在實際應用中可以根據需要選用單根或多根熱管，應用靈活。相比氣-氣換熱器熱泵干燥機組，結合重力式熱管研制的空氣源閉式熱泵烘干機組具有效率更高、體積更小的優勢。回熱器對比如圖5 所示。

圖5 回熱器對比圖

4.2 解決除濕中后期除濕能耗高的問題

在干燥的中后期，物料中的含水率顯著降低，需要花費較長的時間，消耗較多的能量去除這些水分。并且由于物料含水率降低，回風的含濕量降低，使得干燥室送回風空氣狀態變化很小，從而出現濕空氣只降溫卻不除濕的現象，導致蒸發器降溫除濕效率降低，除濕能耗升高。針對以上問題主要通過三個方面技術解決。

（1）模擬研究。對閉式熱泵干燥系統室內溫度場及氣流組織進行分析模擬與研究，通過CFD 軟件對烘干室溫度場及氣流組織進行仿真模擬，分析不同送風方式的干燥室溫度及速度場分布情況，從而使系統設計更加合理。

（2）控制過程優化。根據不同烘干產品（中藥材、種子、水果、水產品等）的烘干工藝要求，對熱泵烘干機組的電控部分進行合理的設計優化，使其控制過程更加合理。

（3）實驗對比研究。對閉式熱泵干燥系統，進行烘干實驗研究，研究在實際除濕過程中回風的旁通率、循環系統的風速、系統送回風的溫濕度等參數變化對于除濕性能的影響，確?；仫L在蒸發器內溫度降至露點溫度以下。針對問題進行優化，從而達到提高除濕效率的目的。

5 結束語

空氣源熱泵是替代燃煤、燃油等采暖、烘干設備的最佳途徑之一，隨著各行業對產品能耗、自動化、安全性等需求的提高，空氣源熱泵市場需求量還在不斷增加?？諝庠礋岜眉仁莻鹘y行業，同時在新技術的引領下，也是朝陽行業，全球市場前景十分廣闊。

目前空氣源熱泵需要解決的關鍵是換熱器效率低、體積大以及除濕中后期能耗高的問題。