双碳目标下农产品热泵干燥技术应用现状与发展趋势

摘要 碳达峰、碳中和是我国重大战略目标之一，基于双碳目标，国家倡导大力发展节能减排技术。热泵干燥技术具有节能减排效果显著、耗能少、能效比高、干燥品质好等特点，是农产品干燥行业中最具前景的技术之一，对我国完成双碳目标也有推动意义。介绍热泵干燥工艺及技术的应用现状，针对热泵干燥技术在农产品领域的应用优缺点，指出热泵干燥技术在不同应用领域的核心问题，展望热泵干燥工艺及其技术的发展趋势。

关键词 双碳目标；节能减排；热泵干燥；工艺

中图分类号 S226.6  文献标识码 A  文章编号 0517-6611（2023）23-0012-05

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2023.23.004

Application Status and Development Trend of Heat Pump Drying Technology for Agricultural Products under the Dual Carbon Target

ZHANG Yan-lai， CHEN Pei-ji， CHEN Ju et al

（Guangdong Light Industry Vocational and Technical College， Guangzhou， Guangdong 510300）

Abstract Carbon peaking and carbon neutrality are one of China’s major strategic goals. Based on the dual carbon goals， the country advocates vigorously developing energy saving and emission reduction technologies. The heat pump drying technology has significant energy-saving and emission reduction effects， low energy consumption， high energy efficiency ratio， and good drying quality. It is one of the most promising technologies in the agricultural product drying industry and has driving significance for China to achieve the dual carbon target. The article introduces the current application status of heat pump drying technology and its advantages and disadvantages in the field of agricultural products， points out the core issues of heat pump drying technology in different application fields， and elucidates the development trend of heat pump drying technology and its technology.

Key words Dual carbon target;Energy saving and emission reduction;Heat pump drying;Workmanship

基金项目 广东轻工职业技术学院“挑战杯”大学生课外学术科技作品项目（A17）。

作者简介 张艳来（1970—），男，黑龙江绥棱人，教授，博士，从事工程热物理、农产品节能干燥技术、制冷空调、新能源汽车热管理研究。

*通信作者，讲师，硕士，从事制冷空调、热泵技术等研究。

收稿日期 2022-11-04；修回日期 2022-11-27

受人类活动的影响，“全球变暖”情况愈发严重，造成洪水、热浪、干旱、森林火灾等灾害性气候的频率加速，海平面以3.1 mm/a的速度加速上升。在2020年9月22日，第75届联合国大会一般性辩论会上，中国提出将提高国家自主贡献力度，采取更有力的政策和措施，力争在2030年前实现碳达峰、2060年前实现碳中和等中长期战略目标［1］。中国已成为世界第一工业制造大国，实现“双碳”目标，最重要的是做到节能减排。目前，国内耗能最大、碳排放最多的是工业领域，工业领域的能耗量占全国能耗量的70%左右，主要产品的单位平均耗能比发达国家主要产品的水平高30%左右，工业余热利用率低于世界平均水平，工业耗能中至少有50%能耗是以余热的方式被浪费［2］。工业余热多，可回收再利用的空间、节能潜力非常大，热泵技术是将工业余热的高效回收再利用最为有效方式之一。

干燥流程广泛应用于国民经济的各个领域。干燥工艺主要是以供热的形式脱除物料中的水分的过程，物料干燥过程能耗大、热能利用率较低，在许多发达国家中，国家总耗能量中的7%～15%是各个行业的干燥过程消耗造成的，而在整个产品的耗能中，干燥过程就占总能耗的30%～70%［3］。传统的干燥工艺主要应用于造纸干燥和农副产品加工干燥，为了保证农副产品的储存品质，干燥工艺已成为农产品加工必不可少的单元操作［4］，而农产品加工的干燥能耗仅次于造纸干燥的能耗［5］。因此，在保证农副产品的干燥品质不降低的情况下，降低物料干燥过程能耗，是节能减排、提高效益的重要方式之一。

热泵干燥是伴随着热泵技术发展而出现的一种新型干燥技术。热泵利用少量的、高品位的能量（电能或者机械能），吸收低温、低品位媒质中热量，通过热泵的冷凝器来释放出高温、高品质热能，实现低品质热量的再次利用，从而将能源的利用率显著提高，降低了对高品位能源消耗。因此，热泵干燥技术与传统的干燥技术相比，具有节能减排、能效比高等优点，此外，还具有受天气影响小和控制精度高等特点［6］。随着国家“煤改电”和“煤改气”政策的推广和落实，加快热泵干燥技术的发展与研究，可以推动我国完成“双碳”目标的进度。

1 热泵干燥系统的基本工作原理及其分类

1.1 热泵干燥系统的基本工作原理

热泵干燥系统主要由热泵系统与干燥系统2个部分组成。热泵工作系统主要由压缩机→冷凝器→节流装置→蒸发器→压缩机构成的循环系统来实现。干燥系统主要是由物料干燥仓（室）、循环风机、热泵的进风口以及热泵的出风口等组成的一个空气流动循环系统。热泵干燥系统（图1）的工作主要是依据逆卡诺循环基本原理，通过压缩机（这里指压缩式热泵机组）将气态低温制冷剂经压缩变成高温、高压气态制冷剂，然后进入冷凝器，在冷凝器内高温高压气态制冷剂被液化冷凝，同时释放出高温的热量，此热量通过循环风机为干燥系统（干燥室）提供高温热能，液态的制冷剂从冷凝器进入节流阀，通过节流阀的节流作用并降压，高压液态制冷剂变成低温低压液体状态，再进入蒸发器，在蒸发器内低温低压液态制冷剂吸收干燥系统排出的废气中的低温热量而变成低温低压气态制冷剂，同时废气中大部分的水蒸气通过热泵的进风口被冷凝出来，然后直接以液态水的状态被排出，经过蒸发器的低温低压气态制冷剂，最后又进入压缩机，这样制冷剂在热泵系统内实现闭路循环；同时，干燥介质（多指空气）也完成了在干燥系统的一个干燥工作循环。

1.2 热泵干燥系统的分类

热泵干燥是利用热泵系统吸收低位热能加上少量高质能源给干燥系统提供高温热能，并对干燥室内待干物料进行除湿干燥的工艺过程。根据其分类标准的差异，可分为以下几类：

（1）按照干燥介质在系统内的循环方式不同，分为开式循环热泵干燥系统、闭式循环热泵干燥系统和半开式循环热泵干燥系统。

开式循环热泵干燥系统是指循环干燥介质（一般指空气）通过吸收冷凝器热量、换热升温后，高温干燥介质进入干燥系统对湿物料进行加热除湿，然后将加热除湿后的乏气排入环境中，这一过程受环境因素影响较大，并且有一定的污染性，故在干燥领域较少推广使用。

顾泽波［7］通过建立开式热泵干燥系统的热力学模型，并建立该系统的经济性评价模型来评估平均的单位成本，然后基于西安气候条件进行实际系统模拟计算，提出系统运行的新模式，并得出系统最优运行条件，指出了对系统进行优化的方法。结果得出此开式热泵干燥系统处理污水支出的费用比谢继红等［8］的闭式热泵干燥系统低30.3%，证明开式循环热泵干燥系统对于污水低温浓缩过程，具有节能潜力和较好的经济性。

闭式循环热泵干燥系统的基本工作原理与开式循环热泵干燥系统大致是相同的，主要不同在于闭式循环热泵干燥系统的干燥介质只在热泵系统与干燥系统中循环，不直接排入环境中。因此，从这方面来讲，闭式循环热泵干燥系统更具有节能环保的特性。

巴頔［9］通过闭式循环热泵进行烟草烘烤干燥试验，有回热器的闭式热泵干燥系统的单位耗能除湿量（SMER）明显上升，该闭式热泵干燥系统除湿量比达到了1.42，系统能源效率达到了87.1%，满足了烟草烘烤除湿量的要求，也有着较高的节能效率，与开式循环热泵干燥系统相比较更具有节能环保的优势。

半封闭式循环热泵干燥系统利用闭式循环热泵干燥系统和开式循环热泵干燥系统二者的优点，形成的另一种新的热泵干燥系统，其主要特点就是干燥介质被蒸发器吸热降温后，一部分乏气将会被排出，留下来的乏气将与新进入的新鲜空气进行混合，然后进入冷凝器，被加热形成高温低湿的热空气后，送进干燥室对物料进行干燥过程，进而完成热空气的循环过程。

李伟等［10］通过对直排式热泵干衣机和半封闭式热泵干衣机的热力性能对比分析，结论得出，直排式热泵干衣机与半封闭热泵干衣机的除湿能耗比相同的情况下，半封闭热泵干衣机有着更快干燥速率，且湿空气的排放也比直排式热泵干衣机少，对环境更加友好。

（2）热泵按利用环境资源的方式不同，分为空气源热泵、土壤源热泵、太阳能热泵以及水源热泵。

空气作为热泵主要的低位热源之一，空气源热泵被广泛使用在各领域。目前，主要应用于热泵空调系统、热泵干燥系统、热泵冷热水机组系统中。其主要产品有家用热泵空调器、商用单元式热泵空调机组、风冷热泵冷热水机组和热泵干燥装置等。空气源热泵在南方应用广泛，但在北方应用就有很大的限制，因为北方较冷，冬季温度低时，空气热容量小，换热器容易出现结霜现象，导致制热量降低。杜垲等［11］对比空气闭式热泵干燥系统与加装空气回热闭式热泵干燥系统发现，在某些工况下，后者的单位耗能除湿比（SPC）比前者的低20%。

太阳能热泵可以分为直膨式和非直膨式，都是集热器与热泵的组合，并且可以联合水、空气源的一种新型热泵机，太阳光在地球上属于取之不尽用之不竭的无污染能源，应用前景非常好，但缺点是目前只能在太阳光充足的地区推广使用。张璧光等［12］认为太阳能热泵干燥适用于木材预干燥，将太阳能热泵干燥系统联合其他热泵干燥系统使用，节能率可达70%左右。

土壤源热泵主要通过埋地管，地管吸收大地热能，然后经过热泵机组制热给人或设备使用。土壤源热泵应用前景也很大，但需要占用一定的土地资源。吴浩［13］通过设计开式地源热泵干燥装置与空气闭式热泵干燥装置进行对比分析，并对其进行热力性运行计算，结果表明，开式地源热泵干燥装置在除冬季以外的其他月份、地热资源丰富地区，能耗率比空气闭式热泵干燥装置的低，节能效果较好。

水源热泵利用水的比热容大这一特点，通过吸收水源里的热能，再经过热泵加热升温，供给人们使用，目前也是应用比较多的一种热泵装置。杨卓［14］通过污水源热泵系统对星海湾污水源进行热力分析得出污水源热泵性能系数COP和一次能源利用系数E，制热系数COPH和制冷系数COPR分别为4.68和3.96，电动热泵的一次能源利用系数为1.28，大于传统的锅炉设备，数据反映污水源热泵节能环保、污水源的能源利用潜力很大。

（3）按照热泵的工作原理不同，分为压缩式热泵机组和吸收式热泵机组。