基于物聯網的空氣源熱泵式谷物干燥機試驗研究

繆 磊， 趙 榮， 呂 虎， 黃毅成， 陳坤杰， 王 碩

（1.泰州市農業機械技術推廣站，江蘇 泰州 225300； 2.泰州醫藥高新區（高港區）農業農村局，江蘇 泰州 225300；3.泰興市農機化技術推廣服務中心，江蘇 泰州 225400； 4.南京農業大學，江蘇 南京 210031）

0 引言

我國是世界上最大的糧食生產國，2022 年全國糧食總產量6.8 億t，其中，谷物（稻谷、小麥、玉米）產量占全國糧食總產量的92.2%[1]。未經處理的谷物直接存儲易產生霉變或發芽造成經濟損失，干燥是糧食安全儲藏的重要條件，機械干燥是確保原糧品質的重要途徑。目前的糧食干燥機多數是以燃煤或燃油熱風爐供熱為主的塔式循環干燥機，這種烘干方式不僅能源利用率低，并且燃燒后的廢氣對環境污染較大，急需一種新型清潔能源式熱風干燥設備[2]。

空氣源熱泵是一種能夠從低溫熱源吸取能量，并使其在高溫熱源下作為有用熱能加以利用的熱能裝置。它能夠有效地利用環境資源，通過消耗少量電能而產生數倍熱能，并且無廢氣排出，具有天然的綠色、節能屬性。翟慧星等[3]將熱泵用于中藥材干燥，結果表明，熱泵干燥條件控制精準、干燥溫度低、避免氧化，對于中藥材干燥具有獨特優勢。董建軍等[4]給出15HP空氣源熱泵果蔬烘干機對德國米蔥進行烘干的最佳工藝參數，所得產品顏色鮮亮、品相較好，能耗較低，生產效率高。陳明等[5]發現通過熱泵干燥機對稻谷進行烘干可使稻谷的爆腰率增率降低。CHAPCHAIMOH K 等[6]將空氣和氮氣分別作為熱泵的干燥介質對生姜進行烘干，發現使用空氣作為干燥介質經濟性更高。

物聯網在農業領域內使用廣泛，朱斌[7]介紹了基于物聯網技術的農業大棚監測系統，通過對農田精準監控，可以提高農作物產量。朱建偉等[8]針對污泥熱泵干化設備設計了物聯網監控系統，有效地實現了污泥干化設備的集群管理和含水率的實時檢測。何明興等[9]利用物聯網監控系統對不同熱源的煙葉烤房烘烤效果進行探究，結果表明，熱泵烘烤設備成本較低，烘烤后的煙葉質量較好。

本研究利用基于物聯網的空氣源熱泵烘干機在不同工況下對稻谷進行烘干試驗，通過物聯網技術監測空氣源熱泵系統的具體運行情況，探究不同工況下該熱泵系統的工作性能，驗證以空氣源熱泵系統為熱源的糧食干燥機的可靠性和經濟性。

1 基于物聯網的空氣源熱泵烘干機

1.1 系統結構組成

基于物聯網的空氣源熱泵烘干機由物聯網監控系統、電氣控制系統、空氣源熱泵系統和烘干塔組成，具體構成如圖1 所示。控制柜基于可編程邏輯控制器PLC 對糧食烘干機和熱泵系統進行控制，采集并處理各類傳感器檢測到的數據；同時，把數據通過RS485串口通信發送至無線數據終端 （Data Terminal unit，DTU）模塊，再發送至云服務平臺進行存儲。這時，用戶便可通過移動終端的小程序或APP 訪問熱泵系統的相關數據[10]。

圖1 系統組成Fig.1 System composition

1.2 工作原理

空氣源熱泵烘干機通過熱泵熱風機組將干燥介質（空氣）處理到一定的送風溫度后送入烘干塔中，在烘干塔內干燥介質與稻谷進行熱質交換，將熱量傳遞給稻谷的同時使稻谷中的濕分蒸發轉移到干燥介質中[11]。

熱泵系統主要由冷凝器、蒸發器、壓縮機和節流閥等構成，制冷劑在其中循環流動，具體工作原理如圖2 所示[12]。基于逆卡諾循環原理：制冷劑經壓縮機壓縮為高溫高壓氣體，流入冷凝器被冷凝為液態制冷劑，再經過節流閥降壓成為低溫低壓的液態制冷劑流入蒸發器，最后經蒸發器蒸發吸熱再次成為低溫低壓的氣態制冷劑進入壓縮機，如此循環。在一個循環過程中，環境空氣進入冷凝器被加熱送入烘干塔中與稻谷進行熱質交換，被等焓加濕后成為低溫高濕空氣排入大氣中[13]。熱泵系統重復加熱環節，可以把干燥介質（空氣）加熱至40～85 °C，完成對稻谷的烘干。

圖2 空氣源熱泵烘干機工作原理Fig.2 Working principle of air source heat pump dryer

2 不同工況下稻谷干燥試驗

2.1 試驗準備

（1）試驗時間。2022 年11 月8—15 日。

（2）試驗地點。江蘇省泰州市海陵區田緣家庭農場。

（3）試驗材料。選用2022 年11 月8—15 日收獲的“南粳9108”水稻，初始含水率26.72%～32.07%。

2.2 試驗儀器與設備

家庭農場烘干中心配備2 臺不同型號的循環式谷物烘干機，均匹配同一型號的空氣源熱泵熱風機組，設備及試驗過程中使用的相關儀器主要參數詳如表1所示。

表1 試驗設備及儀器主要參數Tab.1 Main parameters of heat pump system

2.3 試驗方法

為了探究空氣源熱泵系統在實際應用中的性能，在不同的實際環境工況下，對不同初始含水率的稻谷進行烘干試驗，每1 臺烘干機進行4 組重復試驗。其中，將匹配5HXG-120 型烘干機的熱泵熱風機組簡稱為熱泵1，出風溫度設定為68 °C；匹配5HXG-160 型烘干機的熱泵熱風機組簡稱為熱泵2，出風溫度設定為63 °C。

在烘干作業周期內，通過移動端每隔1 h 分別查詢記錄環境溫濕度、稻谷含水率、熱泵能耗和熱泵出風溫度等數據。其中，熱泵通風量通過測量風速和出風口截面積間接計算所得，測量時，將出風口截面平均劃分為9 個區域，分別測量風速取平均值。通過測得的風速，計算熱泵系統制熱量、電能消耗、熱泵性能指數（Coefficient of Performance，COP）、除濕能耗比（Specific Moisture Extraction Rate，SMER）及烘干成本等[14]。

3 試驗數據處理與分析

3.1 試驗數據處理

（1）熱泵機組所需制熱量Qm。

式中ρ——空氣密度，取ρ=1.29 kg/m3

CP——空氣定壓比熱容，CP=1.005 kJ/（kg·K）

q——熱泵風量，kg/m3

Δt——熱泵進風口平均提升溫度， °C

（2）熱泵性能指數。

式中CCOP——熱泵性能指數COP 值

W——總耗功率，kW

（3）單位能耗除濕量。

式中SSMER——單位能耗除濕量SMER 值，kg/kW

Ma——總除濕量，kg

（4）熱泵烘干成本。

式中Qs——熱泵總用電量，kW·h

G1——進機濕糧質量，kg

3.2 試驗結果分析

3.2.1 環境溫度對熱泵系統出風溫度的影響

由表2 可知，環境溫度最低-3 °C，最高21 °C。熱泵Ⅰ的出風溫度最高達到68.18 °C，最低60.58 °C，與設定溫度相差7.42 °C。熱泵Ⅱ的出風溫度最高達到63.02 °C，最低僅50.4 °C，與設定溫度相差12.6 °C。

表2 干燥試驗結果Tab.2 Drying test results

進一步分析發現，空氣源熱泵系統在低溫工況下（<9 °C）運行時，熱泵出風溫度與設定溫度相差較大，隨著環境溫度逐漸增加，出風溫度呈現明顯上升趨勢。當環境溫度≥9 °C 時，出風溫度較穩定，在設定溫度上下極小范圍內波動。

3.2.2 環境溫度對熱泵系統制熱量的影響

熱泵制熱量是指為達到設定溫度，熱泵由外界吸熱后向烘干室內輸送的熱量。由表3 可知，熱泵Ⅰ最高制熱量達到627.45 MJ，此時環境溫度最低-3 °C；最低制熱量459.45 MJ，此時環境溫度最高21 °C。熱泵Ⅱ最高制熱量806.26 MJ，此時環境溫度3 °C；最低制熱量598.07 MJ，此時環境溫度最高。

表3 制熱量計算結果Tab.3 Heat production result

熱泵Ⅰ的制熱量總體呈現隨環境溫度升高而下降的趨勢；熱泵Ⅱ在環境溫度<3 °C 工況下制熱量略有下降，在環境溫度>3 °C 工況下發生突變，先升高再隨環境溫度的升高而逐漸下降。對比2 臺熱泵熱風機組的制熱量，發現在匹配稻谷處理量較大的烘干機情況下，為達到干燥溫度，平均制熱量也較高。

3.2.3 環境溫度對熱泵系統性能指數的影響

由表4 可知，熱泵Ⅰ總體電能消耗小于熱泵Ⅱ的電能消耗，但CCOP與熱泵2 的CCOP近似相等。其中，熱泵Ⅰ的CCOP最低2.81，最高3.71；熱泵Ⅱ的CCOP最低2.89，最高4.22。

表4 CCOP 計算結果Tab.4 Coefficient of performance of heat pump system

熱泵Ⅰ和熱泵Ⅱ的CCOP總體趨勢均隨環境溫度的上升而增加。其中，熱泵Ⅰ的CCOP在-3～3 °C 范圍內均<3，當環境溫度6 °C 時CCOP上升至3.03，后隨溫度增加而略有增加，在環境溫度最高時，由于能耗最低，達到了最高CCOP。熱泵Ⅱ整體呈現較好的性能，在環境溫度3 °C 時已達到3.49，后隨環境溫度升高、能耗減少，CCOP逐漸增加。

3.2.4 環境溫度對熱泵系統單位能耗除濕比的影響

熱泵系統SSMER表示稻谷蒸發水量與熱泵系統消耗能量的比值，由于稻谷干燥速率在烘干前期降速較快，蒸發水量較高；在烘干后期降速緩慢，蒸發水量較低，與一個烘干周期內某時刻的環境溫度無直接關聯，故本次計算4 次重復試驗的平均SSMER進行對比分析。由表5 可知，熱泵Ⅰ的SSMER最低1.14，最高2.34；熱泵Ⅱ的SSMER最低1.9，最高2.76。

表5 SSMER 計算結果Tab.5 SMER of heat pump system

分析熱泵系統在不同環境工況下分別匹配2 臺烘干機時的單位能耗除濕比可知，從整體來看，環境溫度低，除濕量也較低；當環境溫度有明顯上升時，SSMER也有較大幅度的增加；當環境溫度較高且變化較小時，單位能耗的除濕量也近似相同，但還是會有極少量提升。而在相同的平均環境溫度下，熱泵Ⅱ單位能耗下的除濕量更大。

3.2.5 環境溫度對空氣源熱泵系統干燥成本的影響

以當地農業用電價格0.5 元/（kW·h）計算每次試驗的烘干成本，對空氣源熱泵系統應用在稻谷干燥中的經濟性進行分析，仍從4 次重復試驗角度計算得到1 kg 干稻谷的經濟成本，具體數據如表6 所示。當平均環境溫度最低時，熱泵Ⅰ和熱泵Ⅱ的烘干成本都最高，分別為0.078 元/kg 和0.042 元/kg。當平均環境溫度14 °C 時，熱泵Ⅰ最低烘干成本0.036 元/kg；熱泵Ⅱ最低烘干成本僅0.028 元/kg。

表6 經濟成本計算結果Tab.6 Economic cost calculation result

在平均環境溫度14～16 °C 條件下，2 臺熱泵的干燥成本0.03～0.04 元/kg，但從整體來看，平均環境溫度降低時會增加烘干成本。

4 結束語

（1）由于環境溫度對熱泵系統壓縮機的工作狀態有明顯影響，直接造成出風溫度的變化，從而影響制熱量和系統消耗功率。當環境溫度<9 °C 時，空氣源熱泵系統的出風溫度、CCOP和SSMER均低于平均值；隨著環境溫度的增加，熱泵系統逐漸呈現良好性能。本研究熱泵系統的平均CCOP為3.1；平均SSMER為2.28，均高于NB/T 10156—2019《空氣源熱泵干燥機組通用技術規范》中的相應限值。

（2）當環境溫度<8 °C 時，烘干成本增加；當環境溫度逐漸增加時，烘干成本會降低，但變化范圍不大。本研究干稻谷的平均烘干成本0.04 元/kg，而燃煤烘干成本0.02～0.06 元/kg ，空氣源熱泵系統的烘干成本低于燃煤烘干成本，適合做糧食烘干機的熱源。