熱泵在中藥材干燥領(lǐng)域應(yīng)用現(xiàn)狀及問題對策

翟慧星，顧青桃，安保林，苑鐵劍，彭銘志，張振濤

（1.北京建筑大學(xué) 北京市建筑能源高效綜合利用工程技術(shù)研究中心，北京 100044；2.中國計(jì)量科學(xué)研究院，北京 100029；3.中國科學(xué)院 理化技術(shù)研究所，北京 100190；4.青島科技大學(xué)，山東青島 266061）

0 引言

絕大多數(shù)的中藥初加工、飲片加工都需要經(jīng)過干燥過程，烘干后的藥材便于保存，還可以突出或改變藥性以及削弱毒性，對中藥材的質(zhì)量至關(guān)重要。傳統(tǒng)的干燥方式主要包括陰干、曬干，受天氣影響大。絕大多數(shù)飲片加工采用熱風(fēng)干燥，為了避免燃煤污染問題，近些年已將燃煤改為燃燒生物質(zhì)、天然氣或使用電加熱，但運(yùn)行能耗大、能量品位浪費(fèi)的問題仍然突出。在保證中藥材品質(zhì)的前提下，提高中藥的生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)能耗，是中藥材干燥領(lǐng)域的重要發(fā)展方向。

熱泵干燥技術(shù)參數(shù)控制精準(zhǔn)，可實(shí)現(xiàn)低溫烘干，能夠有效保證藥材干燥質(zhì)量，同時(shí)還具有節(jié)能、自動(dòng)化程度高等優(yōu)勢［1］。然而其設(shè)備成本較高，若用于干燥低附加值的產(chǎn)品，則經(jīng)濟(jì)性較差，難以市場化。中藥材與其他干燥物料（如農(nóng)副產(chǎn)品）不同，關(guān)系到治療效果，對品質(zhì)要求極高，且中藥材本身具有較高的附加值，能產(chǎn)生較高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值從而緩解熱泵成本高的問題。采用熱泵技術(shù)進(jìn)行中藥材的高品質(zhì)干燥具有很好的應(yīng)用前景。

本文首先對熱泵干燥的原理和不同流程進(jìn)行介紹；然后對熱泵干燥中藥材的研究、市場和標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布實(shí)施現(xiàn)狀進(jìn)行綜述；最后分析熱泵干燥中藥材的獨(dú)特優(yōu)勢以及其中存在的問題，并對熱泵在中藥材干燥領(lǐng)域的發(fā)展給出建議。

1 熱泵干燥技術(shù)

1.1 熱泵技術(shù)原理

熱泵循環(huán)由四大部件組成：蒸發(fā)器、節(jié)流閥、冷凝器和壓縮機(jī)。如圖1所示，熱泵工質(zhì)經(jīng)過壓縮成為高溫高壓的氣體，在冷凝器中對外釋放大量潛熱和部分顯熱，成為高溫高壓液體，經(jīng)節(jié)流閥降溫降壓后，成為低溫低壓的液體，在蒸發(fā)器側(cè)吸收外部熱量蒸發(fā)，變?yōu)榈蜏氐蛪旱臍怏w，回到壓縮機(jī)進(jìn)行再次循環(huán)。蒸發(fā)器與冷凝器中的工質(zhì)溫差越小，則系統(tǒng)制熱系數(shù)越高。通常1 份壓縮機(jī)所耗電能可轉(zhuǎn)換成3～4 份冷凝器釋放的熱量，因而具有較為顯著的節(jié)能特性。

圖1 熱泵工作原理Fig.1 Working principle of heat pump

1.2 熱泵干燥系統(tǒng)

1.2.1 開路循環(huán)系統(tǒng)

開路循環(huán)系統(tǒng)是最為簡單的典型熱泵烘干系統(tǒng)，由熱泵系統(tǒng)、干燥室和供氣系統(tǒng)組成，如圖2所示。其中熱泵系統(tǒng)為烘干系統(tǒng)提供熱量，管道和風(fēng)機(jī)組成供氣系統(tǒng)，進(jìn)氣吸收熱泵冷凝器釋放的熱量，高溫干燥氣體在干燥室中吸收物料的水分，變?yōu)楦邼穸葰怏w，經(jīng)熱泵蒸發(fā)器放熱后直接排放至環(huán)境中。由于熱泵蒸發(fā)器回收干燥廢熱，節(jié)能效果明顯。

圖2 開路循環(huán)熱泵干燥系統(tǒng)原理圖Fig.2 Schematic diagram of open cycle heat pump drying system

1.2.2 閉路循環(huán)系統(tǒng)

閉路循環(huán)與開路循環(huán)系統(tǒng)流程基本相同，只是降溫析出冷凝水后的低濕度氣體不再排放入環(huán)境，而是進(jìn)入冷凝器中吸熱，變?yōu)楦邷馗稍餁怏w再次進(jìn)入干燥室，如圖3所示。在環(huán)境溫度較低的場合，該系統(tǒng)更加節(jié)能。全閉路循環(huán)可采用氮?dú)?、二氧化碳等氣體充當(dāng)干燥氣體，從而避免高溫空氣與物料發(fā)生氧化、變色等問題。此外，還可根據(jù)參數(shù)調(diào)節(jié)需要，在蒸發(fā)器前側(cè)或后側(cè)，進(jìn)行部分空氣回收。

圖3 閉路循環(huán)熱泵干燥原理圖Fig.3 Schematic diagram of closed cycle heat pump drying system

2 熱泵用于中藥材干燥現(xiàn)狀

2.1 研究現(xiàn)狀

中藥材的干燥需要根據(jù)物料本身一些特性來訂制工藝參數(shù)，溫度、風(fēng)速、濕度和時(shí)間是影響干燥效果的關(guān)鍵因素，其中溫度影響最大［2-3］。熱泵用于中藥材干燥的研究如表1。可以看出，中藥材的最佳熱泵烘干溫度都較低，絕大多數(shù)在40～70 ℃；相比其他干燥方式，熱泵干燥在色澤保持、有效成分保留、干燥時(shí)間和運(yùn)行成本方面都具有一定的優(yōu)勢。

表1 熱泵干燥中藥材研究匯總Tab.1 Research summary of heat pump drying of Chinese medicine

2.2 應(yīng)用現(xiàn)狀

我國生產(chǎn)熱泵干燥設(shè)備的廠家有很多，以中小品牌居多，尚未形成系統(tǒng)化規(guī)模。目前已經(jīng)有一些熱泵裝置應(yīng)用于中藥材干燥的成功案例。如廣東瑞星新能源科技有限公司，采用空氣源熱泵進(jìn)行六味地黃丸中藥濕丸的烘干［15］；廣東芬尼克茲節(jié)能設(shè)備有限公司采用自動(dòng)控制熱泵系統(tǒng)，針對蟲草花、枸杞、紅棗、羅漢果、天麻、小青柑等中藥材各自的特點(diǎn)，制定了相應(yīng)的烘干方案，并已成功市場化應(yīng)用；佛山廣智節(jié)能科技有限公司開發(fā)的熱泵中藥材烘干機(jī)，已經(jīng)成功應(yīng)用于陜西葛根和寧夏紅枸杞的烘干［16］。但總體而言，熱泵干燥在中藥材領(lǐng)域的應(yīng)用尚處于起步階段，商業(yè)化案例較少。

2.3 相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布現(xiàn)狀

隨著熱泵技術(shù)在烘干領(lǐng)域的應(yīng)用和發(fā)展，近兩年頒布了多個(gè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)。如：國家能源局發(fā)布能源行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《空氣源熱泵干燥機(jī)組通用技術(shù)規(guī)范》（NB/T 10156—2019）和《空氣源熱泵果蔬烘干機(jī)》（NB/T 10158—2019），于2019年10月1日起實(shí)施。中國農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)會(huì)批準(zhǔn)公布團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)《熱泵型批式循環(huán)谷物干燥機(jī)》（T/NJ 1111—2019），于2020年3月25日起實(shí)施。國家能源局發(fā)布能源行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《空氣源熱泵糧食烘干機(jī)》（NB/T 10418—2020），于2021年2月1日起實(shí)施。江蘇省農(nóng)業(yè)機(jī)械工業(yè)協(xié)會(huì)發(fā)布《谷物熱泵（空氣源）熱風(fēng)機(jī)》（T/JSAMIA 007-2019），于2020年1月1日起實(shí)施。2021年5月11日，中國標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)發(fā)布在國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2018YFD0700200）支持下制定的《農(nóng)特產(chǎn)品綠色節(jié)能干燥技術(shù)和裝備-空氣源熱泵密集烤房煙葉烘烤技術(shù)規(guī)程》（T/CAS 487-2021）、《農(nóng)特產(chǎn)品綠色節(jié)能干燥技術(shù)和裝備-空氣源熱泵密集烤房》（T/CAS 488-2021）、《農(nóng)特產(chǎn)品綠色節(jié)能干燥技術(shù)和裝備-小型香菇熱泵干燥機(jī)》（T/CAS 489-2021）和《農(nóng)特產(chǎn)品綠色節(jié)能干燥技術(shù)和裝備-香菇熱風(fēng)干燥數(shù)值模擬技術(shù)指南》（T/CAS 490-2021）等 4 項(xiàng)協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)。熱泵烘干行業(yè)和協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)布實(shí)施，為行業(yè)的發(fā)展提供了必要的依據(jù)，進(jìn)一步促使行業(yè)走上規(guī)范化道路。

針對熱泵烘干中藥材，首個(gè)國家標(biāo)準(zhǔn)《金銀花空氣源熱泵干燥通用技術(shù)要求》（GB/T 39363-2020）由國家市場監(jiān)督管理總局和中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)正式發(fā)布，于2021年6月1日起實(shí)施。該國家標(biāo)準(zhǔn)的頒布對熱泵烘干在中藥材領(lǐng)域的應(yīng)用和發(fā)展起到了積極的促進(jìn)作用。

3 熱泵用于中藥材干燥的優(yōu)勢

3.1 干燥條件控制精準(zhǔn)、調(diào)節(jié)范圍廣

相比于其他食品和物料的干燥，用于治病救人的中藥材，對于干燥品質(zhì)的要求更高，除了外觀，更重要的是保持藥材所含藥性成分。不同中藥材因外形、性狀和成分不同，對干燥條件的要求不同；此外，同一種藥材需在干燥過程的不同階段，調(diào)整相應(yīng)的條件，從而高效地將中藥材烘干至最佳狀態(tài)。熱泵裝置在一個(gè)較寬的范圍內(nèi)（溫度的調(diào)節(jié)范圍在20～100 ℃，相對濕度調(diào)節(jié)范圍在15%～80%［17］），可對干燥介質(zhì)的溫度、濕度和氣流速度進(jìn)行準(zhǔn)確的獨(dú)立控制，滿足不同中藥材和干燥過程參數(shù)調(diào)節(jié)的需求。

3.2 干燥溫度低，條件溫和

中藥材通常含有一定的熱敏性成分，如芳香揮發(fā)成分、有機(jī)酸、生物堿和鞣質(zhì)等，當(dāng)溫度高于一定值，會(huì)引起熱敏性成分的揮發(fā)、變性和變色［18］。熱泵蒸發(fā)器側(cè)可以對進(jìn)入干燥室的氣體除濕，使氣體含濕量達(dá)到較低水平，因此即使氣體在較低的溫度條件下，仍可具有較低的相對濕度和較強(qiáng)的吸濕能力，所以熱泵干燥可以實(shí)現(xiàn)較低溫度的干燥，近似自然干燥，物料表面的水分蒸發(fā)速率接近水分由材料內(nèi)部向表面遷移的速率，從而使得藥材的藥性得以最大程度地保存，并且具有良好的外觀色澤［19］。較低的烘干溫度使得熱泵擁有更高的制熱系數(shù)，其高效工作的制熱溫度在40～70 ℃，與中藥材干燥工藝溫度吻合，因此烘干中藥材能夠更好地發(fā)揮熱泵的能效。

3.3 可實(shí)現(xiàn)制冷與制熱的迅速切換

制冷循環(huán)與熱泵循環(huán)原理相同，若從冷凝器側(cè)獲得目標(biāo)熱量，則為熱泵；若從蒸發(fā)器側(cè)獲得目標(biāo)冷量，則為制冷機(jī)。僅需做簡單的改造，熱泵烘干設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)制冷與制熱條件的切換。有研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)低溫處理后的黨參，其化學(xué)成分隨干燥溫度升高不會(huì)明顯下降［20］。對于其他藥材，相關(guān)研究尚不充分，相信制冷制熱烘干條件的切換，對于一些中草藥藥性和色澤的保持是可行的技術(shù)路線。因此，熱泵烘干技術(shù)在這樣特殊的工況下，具有獨(dú)特的工作優(yōu)勢。

3.4 封閉系統(tǒng)，可避免氧化

普通熱風(fēng)烘干采用空氣作為烘干氣體?？諝庵泻醒鯕?，在高溫下更易使藥物中的化學(xué)成分發(fā)生氧化。熱泵干燥閉式循環(huán)系統(tǒng)，采用氮?dú)獾葰怏w為干燥介質(zhì)，可有效避免或減少干燥過程氧化反應(yīng)造成的藥性減弱和品相不佳等問題。

3.5 節(jié)能減排，低碳環(huán)保

干燥是能耗很大的過程單元，需要干燥的中藥材總量和種類又非常多。我國傳統(tǒng)的干燥作業(yè)以燃煤為主要供能方式，能耗高、污染大、用工多。而熱泵技術(shù)可以回收干燥廢熱，與燃煤比較能耗可以降低40%～70%，碳排放強(qiáng)度降低40%～70%，PM2.5 和PM10 等顆粒污染物可以降低90%以上，節(jié)能減排效果顯著。

4 熱泵用于中藥材干燥存在的問題和對策

4.1 研究不夠充分，難以突顯熱泵的技術(shù)優(yōu)勢

目前針對熱泵干燥中藥材品種的研究有限，且多為單一品種在特定條件下的結(jié)果。不同研究中選取的評價(jià)指標(biāo)不同，且指標(biāo)成分的比較不具有定量性，干燥過程堆疊方式不同，干燥過程的傳熱傳質(zhì)機(jī)理不夠明確［21］，所獲得的研究成果難以推廣，適用范圍較窄。只有依靠科研人員開展更加深入和充分的研究，為中藥材干燥流程建立更為定量和普適性的成果，才能為高品質(zhì)的干燥提供科學(xué)依據(jù)，充分發(fā)揮熱泵干燥的技術(shù)優(yōu)勢。

4.2 機(jī)組成本高

單一熱泵機(jī)組干燥規(guī)模小，設(shè)備維護(hù)要求較高，投資大。熱泵烘干技術(shù)雖然在烤煙、木材和糧食烘干等領(lǐng)域均有應(yīng)用，但尚未形成一定規(guī)模，因此定制機(jī)組的設(shè)計(jì)和加工成本仍然較高。相對于燃煤熱風(fēng)干燥方式，一些地區(qū)煤價(jià)低、電價(jià)高，熱泵使用過程中節(jié)能但不省錢。針對熱泵干燥成本高這一問題，有以下幾點(diǎn)建議：

（1）提高熱泵的利用效率。為使開發(fā)的熱泵機(jī)組具有更廣的應(yīng)用范圍，應(yīng)開發(fā)參數(shù)調(diào)節(jié)范圍較廣，并具有靈活參數(shù)調(diào)節(jié)功能的設(shè)備，形成規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)備，減少設(shè)計(jì)成本。不同時(shí)段收獲的作物交叉利用熱泵干燥，提高熱泵的利用效率，并縮短回收期。

（2）應(yīng)用于附加值較高的品種，如貴重的中藥材，充分發(fā)揮熱泵烘干品質(zhì)高的優(yōu)勢，提高產(chǎn)品附加值，有利于縮短設(shè)備回收期，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益和節(jié)能效益的雙贏。

（3）開發(fā)太陽能補(bǔ)熱熱泵系統(tǒng)，進(jìn)一步降低熱泵干燥的使用成本［22］，同時(shí)提高設(shè)備整體的節(jié)能水平，獲得更多的政策補(bǔ)貼。

4.3 市場信任度較低

烘干是專業(yè)性極強(qiáng)的領(lǐng)域，工藝要求很高，市場需求復(fù)雜。我國熱泵干燥尚處于起步階段，市場不夠規(guī)范。由于入門門檻低，在政策補(bǔ)貼利益的驅(qū)動(dòng)下，市場上很多熱泵烘干廠家實(shí)為“半路出家”，自身規(guī)模有限，又對烘干領(lǐng)域了解不深，缺乏核心技術(shù)和創(chuàng)新能力，進(jìn)入市場后，無法提供質(zhì)量過硬的設(shè)備，透支了客戶的信任，為整個(gè)市場發(fā)展帶來負(fù)面影響［23］。

受國家政策鼓勵(lì)，一些技術(shù)和實(shí)力更強(qiáng)的品牌紛紛布局并加大投入熱泵烘干這一新興市場。隨著產(chǎn)品質(zhì)量的提升和國家及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對市場的規(guī)范，相信信任度會(huì)逐漸回升，市場也將朝著更加健康的方向發(fā)展。

5 結(jié)語

中藥材的質(zhì)量對中醫(yī)發(fā)展至關(guān)重要。大多數(shù)中藥材采收后需要經(jīng)過干燥流程處理。相比于傳統(tǒng)干燥方式，熱泵干燥除節(jié)能降碳和無污染的優(yōu)點(diǎn)外，應(yīng)用于中藥材領(lǐng)域還具有一些特殊優(yōu)勢：烘干參數(shù)控制精準(zhǔn)，可實(shí)現(xiàn)較低溫度的烘干，從而保證中藥材的品相和有效成分含量；可實(shí)現(xiàn)制冷與制熱的迅速切換，封閉系統(tǒng)干燥避免氧化，適用于特殊中藥材的干燥。然而，由于熱泵干燥中藥材研究不夠充分，難以突顯熱泵的技術(shù)優(yōu)勢。熱泵機(jī)組成本高、市場信任度暫時(shí)較低和熱泵技術(shù)本身的一些問題，使得現(xiàn)階段熱泵干燥在中藥材領(lǐng)域的應(yīng)用較少。相信在對高品質(zhì)中藥材需求的壓力下，隨著中藥材熱泵干燥的深入研究和國家及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對市場的規(guī)范，并輔以提高熱泵機(jī)組利用率、提質(zhì)增值、能源互補(bǔ)和政策鼓勵(lì)等具體策略的實(shí)施，熱泵技術(shù)在中藥材干燥領(lǐng)域必將充分發(fā)揮出節(jié)能提質(zhì)的優(yōu)勢，迎來大跨步的發(fā)展。