3.1　太阳能供热系统的循环方式

太阳能供热系统可以有开式、闭式、半开式以及与热泵联合几种运行方式。如图3-1（a）所示为开式循环，新鲜空气经离心风机吸入太阳能集热器内被加热升温后送至物料干燥室，随着物料内水分被加热蒸发，干燥室内的空气相对湿度增大，湿度高的湿空气经由另一路风管排入大气。开式循环一般适于物料干燥初期，水分蒸发量大，干燥室空气湿度相当大的情况。如图3-1（b）所示为半开式循环，物料干燥中期水分蒸发量逐渐减少，为减少排气散热损失，采用开式与闭式相结合的半开式循环，根据干燥室湿度的大小由进、排气阀控制进、排气量的大小。如图3-1（c）所示为闭式循环，物料干燥后期水分蒸发量很少，干燥室不必排气，将供热系统与外界相通的风阀全部关闭，干燥室与太阳能集热器之间由风管连成一个闭合系统。如图3-1（d）所示为太阳能系统与热泵的联合循环，即将干燥室排出的湿空气送至热泵蒸发器，由蒸发器冷凝，脱水去湿回收其中的余热，再将热风送回干燥室，这种联合循环的形式使干燥系统的热效率最高，但设备投资要大一些。

以上几种循环的热平衡方程如下。

（1）开式与半开式循环

热平衡方程：

Q₁+Q₀=Q₂+Q₃+Q₄+Q₅

式中，Q₀为新鲜空气带入系统的热能；Q₁为空气在集热器中获得的太阳能；Q₂为集热器与管路的散热损失；Q₃为干燥室散热损失；Q₄为干燥室有效热；Q₅为干燥室排气热损失。

热效率：

供热系数：

由于开式循环风机电能转换的热能实测很小，因此计算热效率时忽略不计。另外，半开式循环与开式循环的热平衡方程相同，仅式中的Q₀与Q₅明显比开式循环小。

（2）闭式循环

热平衡方程：

Q₁+W₁=Q₂₊Q₃+Q₄

热效率：

式中，ξ为散热损失系数。其供热系数与开式循环的相同。

（3）太阳能系统与热泵联合循环

热平衡方程：

Q₁+Q₀+W₁+W₂=Q₂+Q₃+Q₄+Q₆+Q₇

热效率：

供热系数：

式中，Q₆为热泵回收的排气余热；Q₇为热泵排出的废热；W₁为太阳能风机能耗；W₂为热泵能耗。

北京林业大学曾对采光面积为32m²的太阳能干燥装置进行了闭式、开式和联合循环三种循环的热效率测试，测试期间太阳能辐射强度约在620W/m²，试验测得闭式循环的空气质量流量为1820kg/h，定压比热容取c_p=1kJ/（kg·K），环境温度t₀=19℃，空气相对湿度φ=50%，W₁=0.75kW，集热器进出口温度分别为32℃和58℃，干燥室进出口的温度分别为52℃和42℃。开式循环及太阳能与热泵联合循环的空气质量流率为1890kg/h，定压比热容取c_p=1kJ/（kg·K），环境温度t=22℃，空气相对湿度φ=50%。开式循环及太阳能与热泵联合循环时，集热器进出口温度分别为23℃和42℃，干燥室进出口的温度分别为36℃和28℃。太阳能与热泵联合循环时，热泵排除的冷风温度为13℃，热泵工作的能耗W₂=4.15kW。于是以上几种循环的热效率η和供热系数COP如下。

开式循环：

η=42.1%　COP=5.6

闭式循环：

η=38.0%　COP=6.4

联合循环：

η=73.8%　COP=3.3

由以上所列的数据可以看出以下几点。

①太阳能与热泵联合循环的热效率最高，开式循环次之，而闭式循环的效率最低。究其原因，可能是闭式循环的管路太长，使散热损失太大，占输入能量的1/3以上。

②开式循环测试时，干燥室排风温度不高，这可能是开式循环比闭式循环效率高的主要原因之一。

③比较几种循环的供热系数，闭式循环最高，开式循环次之，而太阳能与热泵循环最低，这是由于太阳能是廉价能源，在开式循环和闭式循环（包括半开式循环）中仅循环风机耗电，故从降低干燥成本的角度看，应尽量用闭式和开式（或半开式），估计半开式循环的热效率和供热系数应在开式循环和闭式循环之间。

总之，从提高热能利用率的角度看，太阳能与热泵联合循环的热效率最高，但供热系数较开式和闭式循环低，故运行成本相对较高。闭式循环和开式循环的供热系数都较高，运行成本相对较低，因此当太阳能充足时，应尽量采用闭式循环、开式循环或半开式循环，可以降低干燥成本。