热泵纺织干燥技术链的协同推进：从系统设计和干燥过程建模到运行策略

《Energy》：Co-advancement of the heat-pump textile drying technology chain: From system design and drying-process modeling to operational strategies

　　• 热泵式纺织品烘干技术被作为一条协同共进的技术链进行综述。• 讨论了HPTD（热泵式纺织品烘干机）的改造与升级方案。• 总结了用于状态预测的多尺度纺织品烘干模型。• 考察了HPTD的在线控制与离线优化方法。• 突出强调了下一代HPTD的关键瓶颈与协同优化路径。**引言**高效可控的纺织品烘干是家用、工业生产以及先进材料制造领域中的关键后处理工序，同时也是高能耗环节。在居民领域，衣物烘干占终端能源需求（主要用途）的4-6% [1]。在纺织品加工、复合材料以及智能可穿戴设备制造中，烘干是影响最终产品质量与功能性能的核心工序 [2]。在更为严格的能效与碳排放约束下，改进烘干设备已成为关键目标 [3]。材料科学的进展也在重塑烘干需求。随着纺织品从天然纤维向高性能合成纤维以及含电子元件的智能纺织品演进 [4]、[5]，烘干过程必须提供更高的精度、更低的热应力以及更好的材料性能保持 [6]、[7]。为应对能耗与烘干质量的双重挑战，纺织品烘干技术沿着图1所示的轨迹演进。这一转变始于排气式（直排式）烘干机，该类设备将湿热空气排至室外，是能效最低的配置形式 [8]。冷凝式烘干机随后通过在内部冷凝部分湿气来改善热回收 [9]。近来，热泵式纺织品烘干机（HPTD）在实现更低温度烘干的同时，取得了显著提升的性能系数（COP）[10]。因此，热泵技术已成为提升能效并改善织物护理质量的领先烘干方案。然而，构建高性能HPTD仍是一项多学科挑战，涉及三个相互关联的研究层次。在热泵层面，研究聚焦于蒸气压缩热泵（VCHP）中环保制冷剂替代与热力学构型改造。这些主题界定了系统的安全边界、环境影响以及能效潜力 [11]、[12]。在烘干层面，核心任务在于阐明动态翻滚条件下多孔织物与湿空气之间瞬态、非线性的传热传湿过程。这一认识支撑了高精度预测模型的开发 [13]、[14]。在全机控制与优化层面，现有研究寻求基于热泵系统与烘干腔模型的智能识别与实时优化策略。这三个层次并非孤立存在，而是构成一条相互作用的技术链，决定了HPTD的整体性能与未来发展。尽管各层次已取得显著进展，但现有研究往往在彼此独立的技术领域中展开讨论，如热泵构型、烘干腔建模、制冷剂替代、参数优化或智能控制等。这种碎片化的处理方式使得难以识别某一领域的进展如何制约或推动另一领域的进步。以往综述中同样体现出这种按主题组织的倾向：El Fil 与 Garimella [15] 考察了衣物与纺织品烘干的节能技术；Graban 等 [16] 聚焦于家用热泵 tumble 烘干机；Rasti 与 Jeong [14] 综述了水分蒸发模型；而 Hosseinpour 与 Martynenko [17]、?akovi? 等 [18] 分别探讨了烘干中模糊逻辑与机器学习的应用。这些综述提供了宝贵的基础，但并未明确联结制冷剂与系统设计、纺织品状态预测以及全机运行。因此，本综述的主要贡献在于通过技术链框架来组织HPTD研究，如图2所示。该框架联结了热泵系统设计、烘干状态预测以及全机优化与控制。在这一框架中，系统设计界定硬件与热力学边界条件；烘干模型将织物的传热传湿过程转化为可预测的状态变量，而优化/控制策略则将这些模型与系统能力转化为运行决策。本综述并非将这些主题视为孤立的文献集群，而是强调它们在技术链上的功能性耦合。通过沿该链条总结代表性研究，本综述为研究者与实践者提供了综合性参考，并阐明下一代HPTD如何向更高能效、更智能化、更好的织物护理质量、更广的适用性以及面向部署的可持续性方向演进。这种跨层级的组织方式进一步揭示了制冷剂-系统协同设计、具备实时能力的建模以及面向纺织品的闭环验证需求，同时为家用、工业以及新兴功能性纺织品应用提供了差异化指导。本研究使用布尔运算符在 Scopus、Web of Science 和 Google Scholar 中进行了系统性文献检索。表1总结了检索策略与关键词组合。为捕捉最近十年的主要进展，主数据库检索覆盖2016年至2026年1月。纳入标准为：以热泵烘干纺织品为重点、至少涉及一个综述维度（系统改造、烘干建模或运行策略）且发表于同行评审英文期刊或会议的研究。排除一般性（非热泵）烘干研究、非英文文献、重复发表以及未经同行评审的报告。保留的研究被映射至所提出技术链的三个环节：热泵系统设计、烘干状态预测以及运行优化/控制。这种映射方式使得文献能够按功能性贡献而非发表时间或孤立技术主题进行综合。在去除重复条目并完成题名/摘要及全文筛选后，从最初识别的372篇文献中保留151篇用于最终分析。综述类文章仅用于交叉参照，原创性研究论文构成主要分析基础。为降低选择偏差，检索使用替代关键词组合进行了重复。此外，包括2016年之前发表的重要研究在内的经典与代表性出版物，在能够阐释纺织品烘干设备的历史演进、奠基性烘干模型或基准热泵构型时被纳入。尽管本综述对纺织品热泵烘干技术链进行了详尽概述，但仍可能遗漏新发表或获取难度较高的研究。**章节摘要****热泵改造用于纺织品烘干的综述**为从根本上提升纺织品烘干过程的能效与环保性能，热泵技术经历了持续演进 [11]、[21]。本章首先概述了不同热泵方案在纺织品烘干中的典型应用，包括蒸气压缩式、热电式以及吸收式热泵等。随后探讨了系统级的升级路径，如与可再生能源（如太阳能）的集成、余热回收等。**烘干腔内纺织品状态预测方法综述**烘干腔内的纺织品烘干属于强制对流烘干，其中热空气加热织物并驱动内部水分蒸发。与自然风干相比，翻滚烘干引起的变形更小，因为离心力破坏了毛细桥并缓解了局部纤维畸变；因此滚筒式腔体被广泛采用 [10]。滚筒内部纺织品的烘干过程涉及流动、传热传湿以及……的复杂多物理场耦合。**HPTD优化与控制策略综述**系统级改造为HPTD提供了高效的硬件平台，而对烘干腔内传热传湿的深入理解则构成了精确优化与控制的软件基础。在此基础上，关键挑战在于驱动系统高效、稳定、可靠地运行，同时智能地响应负载与运行状态的复杂变化，以实现卓越性能。据此，本章综述了……**未来研究展望**未来HPTD的发展应被视为一张集成路线图，而非一组独立的技术方向。如图16所总结，下一代HPTD需要沿一条技术链演进，该链联结了应用需求、场景特定的热泵系统设计、数字孪生就绪的烘干状态预测、AI辅助的闭环控制以及面向部署的验证。图中的量化数值代表在特定研究条件下报告的结果，并且……**结论**本研究系统综述了纺织品热泵烘干技术链内的进展与挑战。分析表明，高性能HPTD依赖于三个层次（热泵改造、烘干预测与全机运行策略）的集成。在热泵层面，制冷剂演进、热泵循环重构与部件创新提升了能效的下限。在烘干预测层面，建模正由……演变。**CRediT作者贡献声明****Jingai Shao：** 验证、监督。**Lianyu Shan：** 验证、数据整理。**Jiajun Zhao：** 数据整理、概念构思。**Shuangquan Shao：** 撰写——审阅与编辑、监督、方法学、经费获取、概念构思。**Zhuang Chen：** 撰写——初稿、可视化、软件、方法学、调查、形式化分析、概念构思。**Yanhua Guo：** 撰写——审阅与编辑、监督、概念构思。**利益冲突声明**我们声明，与其他个人或组织不存在可能不当影响我们工作的财务与个人关系；在任何可能被视为影响本手稿所呈现立场或对其审阅的产品、服务和/或公司中，不存在任何性质或类型的专业或个人利益。**致谢**本研究受国家自然科学基金（编号52576012）以及湖北省科技创新重大研发专项（编号2024BAB102和编号2025BAB003）资助。Zhuang Chen|Yanhua Guo|Jingai Shao|Lianyu Shan|Jiajun Zhao|Shuangquan Shao