3.1　太陽能供熱系統的循環方式

太陽能供熱系統可以有開式、閉式、半開式以及與熱泵聯合幾種運行方式。如圖3-1（a）所示為開式循環，新鮮空氣經離心風機吸入太陽能集熱器內被加熱升溫后送至物料干燥室，隨著物料內水分被加熱蒸發，干燥室內的空氣相對濕度增大，濕度高的濕空氣經由另一路風管排入大氣。開式循環一般適于物料干燥初期，水分蒸發量大，干燥室空氣濕度相當大的情況。如圖3-1（b）所示為半開式循環，物料干燥中期水分蒸發量逐漸減少，為減少排氣散熱損失，采用開式與閉式相結合的半開式循環，根據干燥室濕度的大小由進、排氣閥控制進、排氣量的大小。如圖3-1（c）所示為閉式循環，物料干燥后期水分蒸發量很少，干燥室不必排氣，將供熱系統與外界相通的風閥全部關閉，干燥室與太陽能集熱器之間由風管連成一個閉合系統。如圖3-1（d）所示為太陽能系統與熱泵的聯合循環，即將干燥室排出的濕空氣送至熱泵蒸發器，由蒸發器冷凝，脫水去濕回收其中的余熱，再將熱風送回干燥室，這種聯合循環的形式使干燥系統的熱效率最高，但設備投資要大一些。

以上幾種循環的熱平衡方程如下。

（1）開式與半開式循環

熱平衡方程：

Q₁+Q₀=Q₂+Q₃+Q₄+Q₅

式中，Q₀為新鮮空氣帶入系統的熱能；Q₁為空氣在集熱器中獲得的太陽能；Q₂為集熱器與管路的散熱損失；Q₃為干燥室散熱損失；Q₄為干燥室有效熱；Q₅為干燥室排氣熱損失。

熱效率：

供熱系數：

由于開式循環風機電能轉換的熱能實測很小，因此計算熱效率時忽略不計。另外，半開式循環與開式循環的熱平衡方程相同，僅式中的Q₀與Q₅明顯比開式循環小。

（2）閉式循環

熱平衡方程：

Q₁+W₁=Q₂₊Q₃+Q₄

熱效率：

式中，ξ為散熱損失系數。其供熱系數與開式循環的相同。

（3）太陽能系統與熱泵聯合循環

熱平衡方程：

Q₁+Q₀+W₁+W₂=Q₂+Q₃+Q₄+Q₆+Q₇

熱效率：

供熱系數：

式中，Q₆為熱泵回收的排氣余熱；Q₇為熱泵排出的廢熱；W₁為太陽能風機能耗；W₂為熱泵能耗。

北京林業大學曾對采光面積為32m²的太陽能干燥裝置進行了閉式、開式和聯合循環三種循環的熱效率測試，測試期間太陽能輻射強度約在620W/m²，試驗測得閉式循環的空氣質量流量為1820kg/h，定壓比熱容取c_p=1kJ/（kg·K），環境溫度t₀=19℃，空氣相對濕度φ=50%，W₁=0.75kW，集熱器進出口溫度分別為32℃和58℃，干燥室進出口的溫度分別為52℃和42℃。開式循環及太陽能與熱泵聯合循環的空氣質量流率為1890kg/h，定壓比熱容取c_p=1kJ/（kg·K），環境溫度t=22℃，空氣相對濕度φ=50%。開式循環及太陽能與熱泵聯合循環時，集熱器進出口溫度分別為23℃和42℃，干燥室進出口的溫度分別為36℃和28℃。太陽能與熱泵聯合循環時，熱泵排除的冷風溫度為13℃，熱泵工作的能耗W₂=4.15kW。于是以上幾種循環的熱效率η和供熱系數COP如下。

開式循環：

η=42.1%　COP=5.6

閉式循環：

η=38.0%　COP=6.4

聯合循環：

η=73.8%　COP=3.3

由以上所列的數據可以看出以下幾點。

①太陽能與熱泵聯合循環的熱效率最高，開式循環次之，而閉式循環的效率最低。究其原因，可能是閉式循環的管路太長，使散熱損失太大，占輸入能量的1/3以上。

②開式循環測試時，干燥室排風溫度不高，這可能是開式循環比閉式循環效率高的主要原因之一。

③比較幾種循環的供熱系數，閉式循環最高，開式循環次之，而太陽能與熱泵循環最低，這是由于太陽能是廉價能源，在開式循環和閉式循環（包括半開式循環）中僅循環風機耗電，故從降低干燥成本的角度看，應盡量用閉式和開式（或半開式），估計半開式循環的熱效率和供熱系數應在開式循環和閉式循環之間。

總之，從提高熱能利用率的角度看，太陽能與熱泵聯合循環的熱效率最高，但供熱系數較開式和閉式循環低，故運行成本相對較高。閉式循環和開式循環的供熱系數都較高，運行成本相對較低，因此當太陽能充足時，應盡量采用閉式循環、開式循環或半開式循環，可以降低干燥成本。