引言紫花苜蓿作为主要饲料作物，多采用自然晾晒方式烘干，这种干燥方式受天气条件影响大，干燥时间长，对干燥物最终料含水率的控制不足，影响成品质量和价格[1]。人工热风干燥方式主要燃烧木柴、化石能源或消耗电能，虽然可以提高干燥速率和干燥品质，但消耗能源较多，且对环境污染大。国内外学者对食品和药物进行了大量的干燥实验研究，如稻谷[2]、香菜[3]、藏红花[4]、香蕉片[5]和天麻片[6]等。结果表明，大部分干燥产品的干燥温度在40~60 ℃较为适合，使热泵成为低温热风干燥的集中选择。热泵的使用可以减少碳排放，节约一次能源消耗，提高整体效率。但热泵效率受到冷凝温度和蒸发温度温差的影响较大。冷凝器需求温度较高时，考虑使用可再生能源与热泵相结合的形式，通过提高蒸发端和冷凝端入口温度，提高系统的整体效率。太阳能辅助热泵可以降低电网电力消耗，成为经济和能源上可行的解决方案[7]。太阳能热泵系统的主要优点包括经济性好、可再生能源比例高和输出能源形式广泛等[8]。TIRAWANICHAKUL等[9]对木薯片进行了热泵干燥和太阳能辅助热泵干燥研究，发现热泵干燥温度为40 ℃时，干燥时间为13 h，单位能耗除湿量为0.38 kg/kWh。QIU[10]等研究太阳能辅助热泵与蓄热一体化干燥系统的性能，发现太阳能辅助热泵干燥系统的节能效果高达40.5%。文中以呼和浩特地区苜蓿干燥为例，利用Trnsys软件，搭建带有空气-空气热回收器的串联太阳能水冷集热器辅助水源热泵干燥系统。以系统出口温度为优化目标，对比分析储热水箱体积、水冷集热器水流量和是否带有空气-空气热交换器对系统的影响。以此为基础，提出合理的运行策略。1系统工作原理带有空气-空气热交换器的串联水冷集热器辅助水源热泵干燥系统原理如图1所示。系统主要由水冷集热器、储热水箱和水源热泵组成。水箱左侧出水通过串联水冷PVT集热器换热后，被送回储热水箱。水箱右侧出水流至水源热泵蒸发端，与蒸发器内制冷剂换热，被送回储热水箱。热量通过压缩机从蒸发端被送到冷凝端，再与室外冷空气进行换热，将热风送至干燥箱中。从文献中可以得到各组件的不确定度如表1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2024.02.009.F001图1带有空气-空气热交换器的串联水冷集热器辅助水源热泵干燥系统原理10.3969/j.issn.1004-7948.2024.02.009.T001表1实验获得的不确定度项目不确定度项目不确定度温度/℃±0.5太阳能辐射/(W/m2)±16.35风速/(m/s)±0.42集热器热效率/%±1.59相对湿度/%±2.5集热器㶲效率/%±0.08文中采用Trnsys软件进行模拟，模型中的气象参数选择呼和浩特典型气象年参数。根据带有空气-空气热交换器的串联水冷集热器辅助水源热泵干燥系统的设计方案，建立系统的仿真模型如图2所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2024.02.009.F002图2带有空气-空气热交换器的串联水冷集热器辅助水源热泵干燥系统连接图2系统能效分析2.1水源热泵的数学模型水源热泵的性能系数COP[11-12]为：COP=QcompPcomp+Pfan+Ppump (1)式中：Qcomp——水源热泵制热量，kJ/s；Qcomp——水源热泵输入功率，kW；Pfan——风机输入功率，kW；Ppump——水泵输入功率，kW。热泵蒸发器的㶲损失ExLev[13]为：ExLev=m1cpTs-Teo-TalnTsTeo-mr[hero-hert-Ta(sero-sert)] (2)式中：m1——空气流量，kg/s；cp——空气比热容，J/(kg·K)；Ts——蒸发器表面温度，K；Teo——制冷剂温度，K；Ta——环境温度，K；mr——热泵内制冷剂的质量流量，kg/s；sero、sert———分别为蒸发器制冷剂侧出口、入口的比熵，J/(kg·K)；hero、hert———分别为蒸发器制冷剂出口、入口的比熔，J/kg。压缩机㶲损失ExLcom为：ExLcom=W-(Excomo-Excomi) (3)式中：W——输入的电能，J；Excomo、Excomi——分别为入口和出口的制冷剂比㶲，J。冷凝器㶲损失ExLcon为：ExLcon=m1cpTs-Teo-TalnTsTeo-mr[hero-hert-Ta(sero-sert)] (4)膨胀阀㶲损失Exf为：Exf=Exfi-Exfo=mrTa(srfi-srfo) (5)式中：srfi、srfo——分别为膨胀阀制冷剂侧入口、出口的比熵，J/(kg·K)。2.2太阳能水冷集热器的数学模型∑Ein=∑Eloss+∑Eex (6)式中：Ein——输入能量，kJ/h；Eex——输出能量，kJ/h；Eloss——总能量损失，kJ/h。∑Ema,in+Esun=∑Eloss+∑Ema,ex (7)Esun=Geff=τgαcellG (8)式中：Ema,in、Ema,ex——分别为环境输入、输出的能量，kJ/h；Esun——太阳能辐照量，kJ/h；τg——玻璃盖板透射率；αcell——集热器吸收率；G——总太阳能辐射率，kJ/h。通过水冷集热器的冷却空气吸收的热量为有效传热量Eth。Eth=Ema,ex-Ema,in=mcp,cfΔTcf (9)ΔTcf=(ΔTcf,ex-ΔTcf,in) (10)太阳能水冷集热器热效率ηth为：ηth=Ema,ex-Ema,inEsun (11)式中：cp,cf——冷却水比热容，J/(kg·K)；ΔTcf,ex、ΔTcf,in——分别为冷却水进口、出口温度，K。2.3空气-空气热交换器的数学模型Qexhaust=mexhaust(hexhaust,in-hexhaust,out) (12)Qfresh=mfresh(hfresh,out-hfresh,in) (13)式中：Qexhaust、Qfresh——热湿空气和干空气的热量变化，kJ；mexhaust、mfresh——热湿空气和干空气的质量，kg；hin、hout——热湿空气和干空气进出口的焓值，kJ/kg。3模拟优化及结果分析3.1不带空气-空气热交换器的干燥系统模拟研究针对呼和浩特市6月29日天气数据，对串联太阳能水冷集热器辅助水源热泵干燥系统进行模拟。水冷集热器面积为2.5 m2，倾角为40°，水冷集热器水流量为0.4 kg/s，水源热泵蒸发端水流量为0.38 kg/s，水箱体积为3.0 m3，对50 kg苜蓿干燥进行模拟研究。水箱太阳能侧出口温度、集热器1和集热器4的出口温度以及水箱平均温度随时间的变化如图3所示。水源热泵蒸发器和冷凝器的入口和出口水温度随时间的变化如图4所示。由图3可知，水箱初始温度为20 ℃，9：00~10：00时，太阳能辐照量较低导致水箱平均温度略有下降，太阳能辐照量增加后，水箱温度稳定增加。水箱平均温度最低值出现在10：00时，为19.63 ℃，此时水箱太阳能侧出口温度为17.79 ℃，集热器1出口温度为18.58 ℃，集热器4出口温度为20.53 ℃。水箱平均温度最高值出现在15：00时，为20.96 ℃，此时水箱太阳能侧出口温度为19.49 ℃，集热器1出口温度为20.56 ℃，集热器4出口温度为23.30 ℃。串联太阳能水冷集热器系统最大可将水温提高2.34 ℃，可以有效为水源热泵提供热量。由图4可知，水源热泵蒸发器入口平均温度和出口平均温度分别为21.6 ℃和18.1 ℃，平均温差为3.5 ℃。冷凝器入口温度为6月29日室外干球温度，冷凝器出口温度受室外干球温度的影响。冷凝器出口温度和入口温度的最低值出现在9：00时，分别为41.28 ℃和21.25 ℃，最高值出现在16：00时，分别为52.75 ℃和31.80 ℃，平均温度提高了20.5 ℃。虽然水源热泵可以有效提高干燥温度，但室外干球温度过低导致9：00~12：00冷凝器出口温度较低，不满足50 kg苜蓿干燥的温度需求。10.3969/j.issn.1004-7948.2024.02.009.F003图3水箱太阳能侧出口温度、集热器1和集热器4的出口温度以及水箱平均温度随时间的变化10.3969/j.issn.1004-7948.2024.02.009.F004图4水源热泵蒸发器和冷凝器的入口和出口水温度随时间的变化3.2储热水箱容积的优化研究水箱体积越大，系统稳定性越强，水箱平均温度越低，但造价较高，且不利于水源热泵蒸发器获得足够的换热温度。通过模拟分析水箱体积（0.5 m3、1.0 m3、1.5 m3、2.0 m3和2.5 m3）对系统其他参数性能的影响。在干燥50 kg苜蓿条件下，不同水箱体积条件下水箱平均温度和冷凝器出口温度随时间的变化如图5和图6所示。由图5可知，随时间的增加，水箱平均温度先增大后减小，因为太阳能水冷集热器的温度主要由直射在集热器表面的太阳能辐射提供。随着水箱体积的增加，水箱平均温度略有降低。水箱体积越小，对干燥初投资和水源热泵的热利用更佳。水箱平均温度的最低值均出现在10：00，0.5 m3水箱温度略高于其他体积水箱，原因主要是9：00前存在少量太阳能辐照为集热器提供热量，小体积水箱升温更明显。水箱平均温度的最高值均出现在15：00时，水箱体积为0.5 m3和1.0 m3时的最高温度相差1.03 ℃，1.0 m3和1.5 m3水箱的最高温度相差0.5 ℃。由图6可知，水箱体积对系统出口温度影响较小，随着水箱体积的增加，系统出口温度略有降低，最大温差为0.6 ℃。因为水冷集热器热效率受温度影响较小，系统应该选择0.5 m3储热水箱进行模拟。10.3969/j.issn.1004-7948.2024.02.009.F005图5不同水箱体积条件下水箱平均温度随时间的变化10.3969/j.issn.1004-7948.2024.02.009.F006图6不同水箱体积条件下冷凝器出口温度随时间的变化3.3水冷集热器循环流量的优化研究水流量是决定太阳能水冷集热器系统出口温度的重要参数。不同流量条件下水箱平均温度和水源热泵冷凝器出口温度随时间的变化如图7和图8所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2024.02.009.F007图7不同流量条件下水箱平均温度随时间的变化10.3969/j.issn.1004-7948.2024.02.009.F008图8不同流量条件下冷凝器出口温度随时间的变化由图7可知，随着时间的增加，水箱平均温度先增大后减小。随着集热器水流量的增加，水箱平均温度略有增加。水流量越大，干燥运行费用越高，但对水源热泵的冷凝温度更有利。水箱最低温度均出现在10：00时，水流量分别为0.1 kg/s、0.2 kg/s、0.3 kg/s和0.4 kg/s时水箱平均温度为17.08 ℃、18.97 ℃、19.73 ℃和20.09 ℃。水箱最高温度均出现在15：00时，水流量分别为0.1 kg/s、0.2 kg/s、0.3 kg/s和0.4 kg/s时水箱平均温度为21.93 ℃、22.30 ℃、22.93 ℃和23.24 ℃。由图8可知，集热器的水流量变化对冷凝器出口温度的影响不大。冷凝器出口温度最高值均出现在16：00时，水流量分别为0.1 kg/s、0.2 kg/s、0.3 kg/s和0.4 kg/s时冷凝器出口温度为53.18 ℃、53.32 ℃、53.37 ℃和53.25 ℃。除了18：00时，水流量为0.3 kg/s时冷凝器的出口温度最高，应选择0.3 kg/s作为水冷集热器的最佳水流量。3.4带空气-空气热交换器干燥系统的优化研究相比于空气源热泵系统，串联水冷集热器辅助水源热泵系统的干燥箱出口热湿空气未得到有效利用。为了更好地利用这部分热湿空气温度，在干燥箱出口处增加空气热回收装置，利用空气-空气热交换器（显热交换热效率40%[14]）预热进入冷凝器的干空气。空气-空气热交换器中干空气和热湿空气的进出口温度随时间的变化如图9所示。带热交换器的太阳能辅助水源热泵系统中水源热泵出口温度和COP随时间的变化如图10所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2024.02.009.F009图9空气-空气热交换器中干空气和热湿空气的进出口温度随时间的变化10.3969/j.issn.1004-7948.2024.02.009.F010图10带热交换器的太阳能辅助水源热泵系统中水源热泵出口温度和COP随时间的变化由图9可知，干空气的入口和出口平均温度分别为28.4 ℃和36.7 ℃，热湿空气的入口和出口平均温度分别为50.2 ℃和41.5 ℃。干空气平均增加了8.3 ℃，可以有效降低冷凝器的换热温差，增加冷凝器出口温度。由图10可知，水源热泵出口最低温度出现在9：00，为50.0 ℃，最高温度出现在15：00，为62.59 ℃。相比于冷凝器入口温度9：00时为29.4 ℃，15：00时为40.1 ℃，平均提高了21.5 ℃。水源热泵平均COP为4.99，相比于不带热交换器略有增加。4结语Trnsys软件适合处理太阳能热泵系统的模拟研究，并对系统优化设计具有极大的帮助。对系统储热水箱的体积进行模拟优化，最佳体积为0.5 m3。对水冷集热器流量进行优化，最佳流量为0.3 kg/s。增加空气-空气热交换器可以提高苜蓿干燥产能20%，有利于呼和浩特地区的苜蓿干燥。由于实验条件限制，文中未对模拟结果进行实验验证。在未来的研究中会努力完善实验条件，验证模拟结果。