热泵在中药材干燥领域应用现状及问题对策

翟慧星，顾青桃，安保林，苑铁剑，彭铭志，张振涛

（1.北京建筑大学 北京市建筑能源高效综合利用工程技术研究中心，北京 100044；2.中国计量科学研究院，北京 100029；3.中国科学院 理化技术研究所，北京 100190；4.青岛科技大学，山东青岛 266061）

0 引言

绝大多数的中药初加工、饮片加工都需要经过干燥过程，烘干后的药材便于保存，还可以突出或改变药性以及削弱毒性，对中药材的质量至关重要。传统的干燥方式主要包括阴干、晒干，受天气影响大。绝大多数饮片加工采用热风干燥，为了避免燃煤污染问题，近些年已将燃煤改为燃烧生物质、天然气或使用电加热，但运行能耗大、能量品位浪费的问题仍然突出。在保证中药材品质的前提下，提高中药的生产效率、降低生产能耗，是中药材干燥领域的重要发展方向。

热泵干燥技术参数控制精准，可实现低温烘干，能够有效保证药材干燥质量，同时还具有节能、自动化程度高等优势［1］。然而其设备成本较高，若用于干燥低附加值的产品，则经济性较差，难以市场化。中药材与其他干燥物料（如农副产品）不同，关系到治疗效果，对品质要求极高，且中药材本身具有较高的附加值，能产生较高的经济价值从而缓解热泵成本高的问题。采用热泵技术进行中药材的高品质干燥具有很好的应用前景。

本文首先对热泵干燥的原理和不同流程进行介绍；然后对热泵干燥中药材的研究、市场和标准发布实施现状进行综述；最后分析热泵干燥中药材的独特优势以及其中存在的问题，并对热泵在中药材干燥领域的发展给出建议。

1 热泵干燥技术

1.1 热泵技术原理

热泵循环由四大部件组成：蒸发器、节流阀、冷凝器和压缩机。如图1所示，热泵工质经过压缩成为高温高压的气体，在冷凝器中对外释放大量潜热和部分显热，成为高温高压液体，经节流阀降温降压后，成为低温低压的液体，在蒸发器侧吸收外部热量蒸发，变为低温低压的气体，回到压缩机进行再次循环。蒸发器与冷凝器中的工质温差越小，则系统制热系数越高。通常1 份压缩机所耗电能可转换成3～4 份冷凝器释放的热量，因而具有较为显著的节能特性。

图1 热泵工作原理Fig.1 Working principle of heat pump

1.2 热泵干燥系统

1.2.1 开路循环系统

开路循环系统是最为简单的典型热泵烘干系统，由热泵系统、干燥室和供气系统组成，如图2所示。其中热泵系统为烘干系统提供热量，管道和风机组成供气系统，进气吸收热泵冷凝器释放的热量，高温干燥气体在干燥室中吸收物料的水分，变为高湿度气体，经热泵蒸发器放热后直接排放至环境中。由于热泵蒸发器回收干燥废热，节能效果明显。

图2 开路循环热泵干燥系统原理图Fig.2 Schematic diagram of open cycle heat pump drying system

1.2.2 闭路循环系统

闭路循环与开路循环系统流程基本相同，只是降温析出冷凝水后的低湿度气体不再排放入环境，而是进入冷凝器中吸热，变为高温干燥气体再次进入干燥室，如图3所示。在环境温度较低的场合，该系统更加节能。全闭路循环可采用氮气、二氧化碳等气体充当干燥气体，从而避免高温空气与物料发生氧化、变色等问题。此外，还可根据参数调节需要，在蒸发器前侧或后侧，进行部分空气回收。

图3 闭路循环热泵干燥原理图Fig.3 Schematic diagram of closed cycle heat pump drying system

2 热泵用于中药材干燥现状

2.1 研究现状

中药材的干燥需要根据物料本身一些特性来订制工艺参数，温度、风速、湿度和时间是影响干燥效果的关键因素，其中温度影响最大［2-3］。热泵用于中药材干燥的研究如表1。可以看出，中药材的最佳热泵烘干温度都较低，绝大多数在40～70 ℃；相比其他干燥方式，热泵干燥在色泽保持、有效成分保留、干燥时间和运行成本方面都具有一定的优势。

表1 热泵干燥中药材研究汇总Tab.1 Research summary of heat pump drying of Chinese medicine

2.2 应用现状

我国生产热泵干燥设备的厂家有很多，以中小品牌居多，尚未形成系统化规模。目前已经有一些热泵装置应用于中药材干燥的成功案例。如广东瑞星新能源科技有限公司，采用空气源热泵进行六味地黄丸中药湿丸的烘干［15］；广东芬尼克兹节能设备有限公司采用自动控制热泵系统，针对虫草花、枸杞、红枣、罗汉果、天麻、小青柑等中药材各自的特点，制定了相应的烘干方案，并已成功市场化应用；佛山广智节能科技有限公司开发的热泵中药材烘干机，已经成功应用于陕西葛根和宁夏红枸杞的烘干［16］。但总体而言，热泵干燥在中药材领域的应用尚处于起步阶段，商业化案例较少。

2.3 相关标准发布现状

随着热泵技术在烘干领域的应用和发展，近两年颁布了多个行业标准和协会标准。如：国家能源局发布能源行业标准《空气源热泵干燥机组通用技术规范》（NB/T 10156—2019）和《空气源热泵果蔬烘干机》（NB/T 10158—2019），于2019年10月1日起实施。中国农业机械学会批准公布团体标准《热泵型批式循环谷物干燥机》（T/NJ 1111—2019），于2020年3月25日起实施。国家能源局发布能源行业标准《空气源热泵粮食烘干机》（NB/T 10418—2020），于2021年2月1日起实施。江苏省农业机械工业协会发布《谷物热泵（空气源）热风机》（T/JSAMIA 007-2019），于2020年1月1日起实施。2021年5月11日，中国标准化协会发布在国家重点研发计划（2018YFD0700200）支持下制定的《农特产品绿色节能干燥技术和装备-空气源热泵密集烤房烟叶烘烤技术规程》（T/CAS 487-2021）、《农特产品绿色节能干燥技术和装备-空气源热泵密集烤房》（T/CAS 488-2021）、《农特产品绿色节能干燥技术和装备-小型香菇热泵干燥机》（T/CAS 489-2021）和《农特产品绿色节能干燥技术和装备-香菇热风干燥数值模拟技术指南》（T/CAS 490-2021）等 4 项协会标准。热泵烘干行业和协会标准的发布实施，为行业的发展提供了必要的依据，进一步促使行业走上规范化道路。

针对热泵烘干中药材，首个国家标准《金银花空气源热泵干燥通用技术要求》（GB/T 39363-2020）由国家市场监督管理总局和中国国家标准化管理委员会正式发布，于2021年6月1日起实施。该国家标准的颁布对热泵烘干在中药材领域的应用和发展起到了积极的促进作用。

3 热泵用于中药材干燥的优势

3.1 干燥条件控制精准、调节范围广

相比于其他食品和物料的干燥，用于治病救人的中药材，对于干燥品质的要求更高，除了外观，更重要的是保持药材所含药性成分。不同中药材因外形、性状和成分不同，对干燥条件的要求不同；此外，同一种药材需在干燥过程的不同阶段，调整相应的条件，从而高效地将中药材烘干至最佳状态。热泵装置在一个较宽的范围内（温度的调节范围在20～100 ℃，相对湿度调节范围在15%～80%［17］），可对干燥介质的温度、湿度和气流速度进行准确的独立控制，满足不同中药材和干燥过程参数调节的需求。

3.2 干燥温度低，条件温和

中药材通常含有一定的热敏性成分，如芳香挥发成分、有机酸、生物碱和鞣质等，当温度高于一定值，会引起热敏性成分的挥发、变性和变色［18］。热泵蒸发器侧可以对进入干燥室的气体除湿，使气体含湿量达到较低水平，因此即使气体在较低的温度条件下，仍可具有较低的相对湿度和较强的吸湿能力，所以热泵干燥可以实现较低温度的干燥，近似自然干燥，物料表面的水分蒸发速率接近水分由材料内部向表面迁移的速率，从而使得药材的药性得以最大程度地保存，并且具有良好的外观色泽［19］。较低的烘干温度使得热泵拥有更高的制热系数，其高效工作的制热温度在40～70 ℃，与中药材干燥工艺温度吻合，因此烘干中药材能够更好地发挥热泵的能效。

3.3 可实现制冷与制热的迅速切换

制冷循环与热泵循环原理相同，若从冷凝器侧获得目标热量，则为热泵；若从蒸发器侧获得目标冷量，则为制冷机。仅需做简单的改造，热泵烘干设备可以实现制冷与制热条件的切换。有研究发现，经低温处理后的党参，其化学成分随干燥温度升高不会明显下降［20］。对于其他药材，相关研究尚不充分，相信制冷制热烘干条件的切换，对于一些中草药药性和色泽的保持是可行的技术路线。因此，热泵烘干技术在这样特殊的工况下，具有独特的工作优势。

3.4 封闭系统，可避免氧化

普通热风烘干采用空气作为烘干气体。空气中含有氧气，在高温下更易使药物中的化学成分发生氧化。热泵干燥闭式循环系统，采用氮气等气体为干燥介质，可有效避免或减少干燥过程氧化反应造成的药性减弱和品相不佳等问题。

3.5 节能减排，低碳环保

干燥是能耗很大的过程单元，需要干燥的中药材总量和种类又非常多。我国传统的干燥作业以燃煤为主要供能方式，能耗高、污染大、用工多。而热泵技术可以回收干燥废热，与燃煤比较能耗可以降低40%～70%，碳排放强度降低40%～70%，PM2.5 和PM10 等颗粒污染物可以降低90%以上，节能减排效果显著。

4 热泵用于中药材干燥存在的问题和对策

4.1 研究不够充分，难以突显热泵的技术优势

目前针对热泵干燥中药材品种的研究有限，且多为单一品种在特定条件下的结果。不同研究中选取的评价指标不同，且指标成分的比较不具有定量性，干燥过程堆叠方式不同，干燥过程的传热传质机理不够明确［21］，所获得的研究成果难以推广，适用范围较窄。只有依靠科研人员开展更加深入和充分的研究，为中药材干燥流程建立更为定量和普适性的成果，才能为高品质的干燥提供科学依据，充分发挥热泵干燥的技术优势。

4.2 机组成本高

单一热泵机组干燥规模小，设备维护要求较高，投资大。热泵烘干技术虽然在烤烟、木材和粮食烘干等领域均有应用，但尚未形成一定规模，因此定制机组的设计和加工成本仍然较高。相对于燃煤热风干燥方式，一些地区煤价低、电价高，热泵使用过程中节能但不省钱。针对热泵干燥成本高这一问题，有以下几点建议：

（1）提高热泵的利用效率。为使开发的热泵机组具有更广的应用范围，应开发参数调节范围较广，并具有灵活参数调节功能的设备，形成规范化、标准化设备，减少设计成本。不同时段收获的作物交叉利用热泵干燥，提高热泵的利用效率，并缩短回收期。

（2）应用于附加值较高的品种，如贵重的中药材，充分发挥热泵烘干品质高的优势，提高产品附加值，有利于缩短设备回收期，实现经济效益和节能效益的双赢。

（3）开发太阳能补热热泵系统，进一步降低热泵干燥的使用成本［22］，同时提高设备整体的节能水平，获得更多的政策补贴。

4.3 市场信任度较低

烘干是专业性极强的领域，工艺要求很高，市场需求复杂。我国热泵干燥尚处于起步阶段，市场不够规范。由于入门门槛低，在政策补贴利益的驱动下，市场上很多热泵烘干厂家实为“半路出家”，自身规模有限，又对烘干领域了解不深，缺乏核心技术和创新能力，进入市场后，无法提供质量过硬的设备，透支了客户的信任，为整个市场发展带来负面影响［23］。

受国家政策鼓励，一些技术和实力更强的品牌纷纷布局并加大投入热泵烘干这一新兴市场。随着产品质量的提升和国家及行业标准对市场的规范，相信信任度会逐渐回升，市场也将朝着更加健康的方向发展。

5 结语

中药材的质量对中医发展至关重要。大多数中药材采收后需要经过干燥流程处理。相比于传统干燥方式，热泵干燥除节能降碳和无污染的优点外，应用于中药材领域还具有一些特殊优势：烘干参数控制精准，可实现较低温度的烘干，从而保证中药材的品相和有效成分含量；可实现制冷与制热的迅速切换，封闭系统干燥避免氧化，适用于特殊中药材的干燥。然而，由于热泵干燥中药材研究不够充分，难以突显热泵的技术优势。热泵机组成本高、市场信任度暂时较低和热泵技术本身的一些问题，使得现阶段热泵干燥在中药材领域的应用较少。相信在对高品质中药材需求的压力下，随着中药材热泵干燥的深入研究和国家及行业标准对市场的规范，并辅以提高热泵机组利用率、提质增值、能源互补和政策鼓励等具体策略的实施，热泵技术在中药材干燥领域必将充分发挥出节能提质的优势，迎来大跨步的发展。