太阳能与双热源热泵组合干燥落叶松

张 力 胡传坤 高建民 张璧光

(北京林业大学，北京，100083)

责任编辑:戴芳天。

木材干燥作为木质品加工过程中的耗能大户，占加工过程能耗的40%～70%，而且干燥过程中热效率普遍偏低，通常仅在60%左右［1］。干燥过程中的污染问题也同样不容忽视，因此，发展节能环保的新型木材干燥技术显得尤为重要。

太阳能干燥是一种节能的干燥技术，太阳能作为一种清洁、可持续利用能源，在我国的能源结构中的地位日益重要。我国太阳能总量丰富，但主要应用于取暖、发电、农作物干燥方面［2］，用于木材干燥方面不足千分之一。传统太阳能干燥设备也因其稳定性差，前期投资高而很难推广［3］。

热泵干燥也是一种节能干燥技术，干燥过程中能够循环利用干燥窑中的空气，不向大气中排放废气，因此也是一种环保的干燥技术［4］。太阳能与热泵两种干燥方式相结合，能够提高干燥效益［5-6］，所以太阳能与热泵联合干燥的优化设计意义深远。

本实验以北京林业大学研制的太阳能双热源热泵干燥设备作为基础，对其进行性能测试，得到设备的性能参数。再使用设备对落叶松进行模拟干燥实验，探讨出更加合理高效的太阳能热泵干燥工艺，进一步提高太阳能的利用效率。为太阳能干燥设备的推广普及提供一定的理论借鉴依据。

1 联合干燥装置系统

1．1 组合干燥系统

太阳能及双热源热泵干燥系统主要由太阳能热风干燥子系统、空气源热泵干燥子系统、水源热泵干燥系统子系统组成。系统装置见图1。

图1 太阳能与双热源热泵组合装置

太阳能热风干燥子系统由太阳能集热器、散热风机、管路、水泵、储热水箱等组成。集热器与储热水箱相连，当集热器7中水温高于储热水箱5中水温7℃时，电池阀6、9打开，同时水泵打开，进行循环，完成储热。

空气源热泵干燥子系统由压缩机、蒸发器、冷凝器、膨胀阀等组成，其中蒸发器包括热泵蒸发器28和除湿蒸发器23，除湿蒸发器可以利用干燥室中的湿空气的冷凝过程，回收热量同时排出水分。

水源热泵干燥子系统由除湿热泵、储热水箱、管路、水泵等组成，储热水箱5中的热水流经板式换热器12，与热泵制冷工质换热，提高制冷工质温度，提升干燥系统的干燥温度和性能。

实际使用中，可以根据天气和干燥阶段不同，可分别使用不同的干燥模式达到节能和提高干燥速率的要求。太阳能与双热源热泵联合干燥系统的主要设备的参数如表1。

表1 组合干燥系统主要部件特征及参数

1．2 组合干燥系统的运行方式

联合干燥系统共有3种运行模式，太阳能干燥模式，水源热泵干燥模式和空气源热泵干燥模式。当天气晴好，水温高时，热水直接通过窑内散热铜管，进行加热。空气源模式下，热泵直接从空气中取热，对干燥窑加热。水源模式下，水箱中的热水通过换热器给热泵提供热量，热泵再对干燥窑进行加热。3种模式在干燥过程中可以相互转换，适应不同的干燥要求。

在模拟实验中，热泵干燥实验使用空气源热泵，组合干燥实验中，当天气条件达到干燥要求时使用太阳能干燥，阴天或阴雨天使用空气源热泵或水源热泵进行干燥。

2 干燥系统性能测试

2．1 太阳能集热器性能测试

太阳能集热器性能指标由集热器效率ηT和供热系数PT来表示，集热器效率表示集热器将太阳能转换为热能的效率，数值越大表明集热器将太阳能转化为热能的效率越高，供热系数表示集热器收集的热量和消耗电能之比，衡量系统供热能力，数值越大表明系统的供热能力越强。ηT和PT由以下公式计算:

式中:QT为太阳能集热器实际获得的热量(J);为照射到太能集热器上的热值(J);G为集热器中水的流量(kg/h);Δt为循环水的升温(℃);Cp为水的比热容(J·kg-1·K-1);I为太阳的辐射强度(W·m-2);A为集热器的集热面积(m2);W为循环水泵的能耗(J)。

试验在8月份进行，地点为北京林业大学木材干燥实验室，选取晴朗天气，记录1 d中各个时段的太阳能辐射强度、循环水的流速，储热水箱的进水温度和出水温度，水的比热容取值为4．2 J·g-1·℃-1。详情见表2。

表2 太阳能集热器的性能参数

由实验数据得出:1 d中不同时刻，随着太阳辐射强度的变化，集热效率和供热系数变化很大，由此可知，不同季节、月份、气候条件，对太阳能集热器的集热效率和供热系数均会产生较大影响，即太阳能集热器的稳定性差，对环境的依赖性强。相比于传统电加热设备，太阳能集热器供热效率高，能耗低，北京地区8月份天气情况下，可以保证平均供热系数达到8以上，即可以理解为循环水泵消耗1 kW电能，为系统提供8 kW的热能。8月份集热器平均效率达到40．2，接近国际同等集热器性能［5-6］。

2．2 热泵供热系数测试

热泵的性能主要由供热系数P衡量，供热系数越高，系统性能越好。P由以下公式计算:

式中:Ma为冷凝器的空气质量流量;Pe为热泵的干燥系统的电功率;T2、T1为冷凝器的出风口和进风口温度;Cpa为空气的定压比热。

在环境温度为33℃时进行性能试验，测试数据见表3。可知空气源热泵能提供最高55℃的热风，其平均P为2．48，水源热泵可以提供温度为67℃的热风，平均P为3．77。供热系数随着送风温度的升高而升高。根据有关资料介绍［7］，P＞2就优于锅炉供热，P＞3时，就节约一次能源。这说明两种热泵系统都有明显的节能效果，水源热泵供热系数优于空气源热泵，故条件允许时尽量用水源热泵［8］。

表3 干燥系统测试运行数据

3 2种干燥方法的比较

3．1 落叶松干燥试验

干燥试验分为2组进行，第一组只采用空气源热泵干燥，第二组采取组合干燥，干燥前中期采用太阳能热干燥和热泵干燥相结合，干燥后期采用水源热泵干燥。

实验材料为落叶松生材，初含水率为62%，终含水率为12%，基本密度为0．34 g/cm3，试材尺寸为0．6 m×0．1 m×0．02 m，每组15块。实验地点为北京林业大学木材干燥实验室，试验结果表4所示。

表4 空气源热泵和水源热泵干燥工艺

表4中窑温窑湿和相对湿度全部取平均值。联合干燥1、2 d用太阳能干燥，3、4 d使用热泵干燥，其余全部使用太阳能—热泵进行干燥。比较数据可以看出:单纯用热泵对木材进行干燥，可以满足木材干燥工艺的要求［9］，但是太阳能与热泵联合干燥，可以达到更高的窑温，大大缩短了干燥时间，提高了干燥效率。联合干燥可以克服单一太阳能干燥稳定性差的缺点。对于不同的天气情况合理选择干燥方式，干燥形式灵活。在节能的同时保证干燥工艺。储热水箱能够在短暂阴雨天气下保证同热泵的换热量，维持干燥系统的稳定性。

3．2 干燥能耗分析

目前我国主要是以常规蒸汽干燥为主，故干燥能耗的经济分析采取与常规蒸汽干燥进行对比。

由于两种干燥形式采取的能源形式不同，为了便于比较，全部再折算为干材的标准煤耗。

热泵干燥平均能耗为127 kW·h-1·m-3，联合干燥平均能耗为114 kW·h-1·m-3，将两组干燥方式的耗能折算成的标砖煤耗，分别为50．8、45．6 kg/m3，与常规蒸气干燥平均153 kg标准煤相比［1］，分别节能67．8%、70．32%。

虽然热泵干燥和联合干燥能耗方面优势明显，但是考虑到其使用电能这种优质能源，电价的高低对于太阳能热泵干燥设备的推广和应用具有很大影响，故电价低的地区可以最大化地发挥太阳能热泵干燥设备的能耗优势。

4 结论与建议

联合干燥的干燥方式灵活，有利于节能和提高干燥速率，热泵干燥和太阳能干燥配合，可以取长补短，条件允许时尽量用水源热泵。

无论水源热泵或空气源热泵都有明显的节能效果，水源热泵供热系数优于空气源热泵。空气源热泵平均供热系数P为2．8，水源热泵供热系数P为3．7。

热泵干燥和联合干燥平均能耗分别为木材50．8、45．6 kg/m3标准煤，与常规蒸汽干燥相比分别节能67．8%、70．32%，节能效果明显。

在太阳能资源丰富电价便宜的地区，太阳能热泵联合干燥系统能耗优势明显，更适用于推广应用。

［1］张璧光，周永东，李贤军．浅析热风干燥过程中的节能途径［J］．干燥技术与设备，2013，11(4):3-10．

［2］张璧光．太阳能—热泵联合干燥木材的实验研究［J］．太阳能学报，2007，28(8):870-873．

［3］王芳．太阳能藕合热泵干燥技术［J］．无线互联科技，2013，5(5):181．

［4］伊松林，张璧光．太阳能及热泵干燥技术［M］．北京:化学工业出版社，2011．

［5］Kuang Yuhui，Wang Ruzhu．Experimental research of heat supply coefficient of solar energy-heat pump［J］．Solar Energy，2002，23(4):408-413．

［6］罗龙会，彭金辉，张利波，等．空气源热泵辅助供热太阳能干燥系统性能研究［J］．太阳能学报，2012，33(6):963-967．

［7］张璧光．实用木材干燥技术［M］．北京:化学工业出版社，2005．

［8］张璧光．除湿干燥中临界除湿状态的分析［J］．北京林业大学学报，2007，29(6):181-184．

［9］徐彩霞，张璧光，伊松林，等．太阳能与热泵联合干燥木材特性的实验研究［J］．干燥技术与设备，2008，4(6):184-189．