太阳能/热泵技术在木材干燥领域的应用

周琪，赵文欣

（1.国网江西省电力公司，南昌330077；2.国网南昌供电公司，南昌330003）

◆能效与负荷管理◆

太阳能/热泵技术在木材干燥领域的应用

周琪1，赵文欣2

（1.国网江西省电力公司，南昌330077；2.国网南昌供电公司，南昌330003）

在家具行业的木材干燥领域采用太阳能/热泵锅炉技术替代原有柴油及煤炭锅炉干燥既节能又环保,有太阳时利用太阳能干燥,无太阳时利用热泵干燥,不用时可以将太阳能热量及低谷电能转换成热能储存起来。系统以太阳能热能采集器供热为主、热泵供热为辅,太阳能运行费用成本为零,热泵运行费用成本为电能的1/4,柴油的1/6,煤炭的1/2,可全天24 h运行,全自动切换,大量节省常规能源,自动控制调温调湿,投资少、收益大,经济效益显著。

1 工作原理

太阳能技术的基本原理是将太阳辐射能收集起来,通过与物质的相互作用转换成热能加以利用。目前使用最多的太阳能收集装置,主要有平板型集热器、真空管集热器、陶瓷太阳能集热器和聚焦集热器(槽式、碟式和塔式）等4种。通常根据所能达到的温度和用途的不同,把太阳能光热利用分为低温利用(＜200℃）、中温利用(200～800℃）和高温利用(＞800℃）。目前低温利用主要有太阳能热水器、太阳能干燥器、太阳能蒸馏器、太阳能采暖(太阳房）、太阳能温室、太阳能空调制冷系统等;中温利用主要有太阳灶、太阳能热发电聚光集热装置等;高温利用主要有高温太阳能锅炉等。

热泵技术是近年来倍受关注的一项新型能源技术,热泵系统主要由4部分构成,分别是压缩机、散热盘管(俗称“冷凝器”）、膨胀阀、吸热盘管(俗称“蒸发器”）。和冰箱一样,热泵也是利用压缩机驱动管道内的制冷剂循环流动,不断地蒸发(吸热）、冷凝(放热）,通过制冷剂温差吸热和压缩机压缩制热后,把外界的低品位热量源源不断地聚集到热泵主机的冷凝器上,再经过风机或液体使需加温物体温度迅速上升。该技术适用于我国广大地区,在南方效果更加突出,在大中城市和人口密度较大的地区都可使用,适用于工农业生产及家庭、宾馆、浴室、企业和房地产等行业,节能效果明显,投资回收期短,使用寿命长。

2 太阳能/热泵锅炉的应用范围

太阳能/热泵锅炉可应用在如下行业。

农业：烟叶复烤产业、脱水菜产业、木材烘烤产业、温室大棚、特种养殖等;商业：宾馆、学校、医院、美容美发、沐足、桑拿、泳池等;工业：印染、电镀、纺织、陶瓷、制药、钢铁、石油等;国防：基站、部队、科考等;交通：高速路及桥梁融雪化冰、庭院及广场融雪化冰等;航空：机场及停机坪融雪化冰及房屋顶融雪化冰等;其它：工矿企业废、余热再利用系统等。

3 太阳能/热泵锅炉在江西的应用

地处中部的江西可利用的资源诸如煤炭、油、天然气等相对来说比较匮乏,实施电能替代具有极其重要的意义。目前太阳能/热泵锅炉在江西的示范工程、试点项目主要在江西省赣州市南康区的家具制造业,用于木材的烘烤,主要有江西富兴木业、江西南康志盛木材干燥中心等案例。

3.1 案例

(1）江西富兴木业案例

该干燥中心改造前为一台2 t燃柴蒸汽锅炉,利用木材的边角余料烧蒸汽后输送给每个干燥窑使用,共有装材量为80 m3的干燥窑9个,平均每月干燥木材700 m3左右,每月购买木材边角余料280 t左右,木材边角余料单价为350.00元/t。因此,每月燃料费用为98 000.00元。锅炉引风机功率7.5 kW,电价1.05元/kWh,每天接近消耗30t水,水价2.00元/t。人工2人,合计工资为5 000.00元,因此每月消耗在锅炉上的费用约11万元,每立方米燃料消耗平均为157.00元(未含循环风机能耗）。环境污染及消防隐患严重,由于干燥过程中人为因素太多,品质稳定性不高,窑损比较大。

安装太阳能/热泵锅炉干燥窑后,通过对同品种及厚度木材进行干燥测试,太阳能/热泵窑只消耗电能,根据电能表使用电量情况计算费用,木材干燥的燃料成本为92.00元/m3,比燃柴节约65.00元/m3,每月可节约45 500.00元。

在试点的干燥窑经过长时间运行,目前无论是干燥的品质还是干燥时间及干燥成本,效果均理想,与传统窑(燃柴锅炉）相比,综合成本节约30%以上,达到初期设计效果。

(2）江西南康志盛木材干燥中心案例

示范工程正在施工中,该中心现有传统干燥窑42个,采用一台4 t及一台10 t锅炉供热,燃料为木材的边角余料,能耗大、污染严重,经各方协商一致,在该中心新建8个太阳能/热泵干燥窑及改造2个传统窑,预计10月底可以交付使用。

3.2 主要技术特点

示范工程、试点项目中采用的是太阳能/热泵技术木材干燥设备,以太阳能热能采集器供热为主、热泵空气能热能采集器供热为辅,属于低温型干燥设备,烘干温度在20～80℃。木材的干燥程度不受自然条件、地区、季节和树种的限制,可根据要求获得任何程度的最终含水率,且具有较成熟的干燥理论以及工艺技术,可储存600组以上木材干燥基准,能保证任何树种的干燥质量。太阳能/热泵干燥设备的使用安全可靠,安装有远程维护系统,只要按设计要求建造和定期维修保养,一般均可使用12～15年以上,且干燥成本为现有传统电和蒸汽烤房的1/2。

系统由带混合室烤房、太阳能集热模组、空气能热泵模组、蓄能模组、增湿器、全热回收冷凝式除湿机组、复合式加热模组、人工智能带GPRS远程维护集中控制系统等组成。

太空能热泵技术木材专用干燥窑主要特点：

(1）可储存600组以上不同品种木材干燥数据和自动采集客户凭经验干燥设置的数据,自动分析与比对干燥后物料的效果,将数据通过GPRS无线远传至数据库,计算机将整理后的有效数据自动转发给其它干燥设备(系统）,使其适应任何木种的干燥,该系统通过自带的集中控制系统有效地将太阳能集热器、空气能热泵系统、自动化霜系统、超声波增湿系统、内循环除湿系统、太阳能蓄能系统、复合供热系统及综合数据采集系统集中管理,达到高效节能运行效果。

(2）现有传统烤房运行表明(传统烤房通过窗口把高温高湿的空气直接排放到空气中,而把室外冷空气送入烤房内,烤房内温度极不稳定）,干燥木材中的热量大约70%以上在排湿时损失掉。木材专业烤房为全热回收内循环冷凝式除湿,它可以通过蒸发器内制热工质的物态变化,把排湿汽中约75%左右的热量回收起来,再通过压缩机送入烤房冷凝器内循环利用,继续加热烤房。

根据微电脑设置的参数反复循环均匀地使干燥物料达到除湿要求,该系统摒弃了传统干燥湿热空气混合排放而浪费能源的缺点,实现只排出水分不排热量,达到节能减排之目的。同时避免了由于未按木材特性排走水分,导致物料表面及里面干燥程度不一,产生裂纹及弯曲的现象。

(3）太阳能/热泵技术木材专业干燥设备能将多余的太阳能热能自动储蓄起来,当阴雨天或晚上干燥室需要热量时,能提供足够的热能通过复合冷凝器管网持续供热,保证干燥需要,全自动运行,大大节约能源及人力资源,增强了系统的稳定性。

(4）设备安装循环超声波增湿系统,根据微电脑设置参数运行将自来水通过超声波产生纳米级水雾,然后抽入空气混合室的高温空气使其迅速混合到等温状态进入到干燥室,避免由于蒸汽高温或水雾低温导致的木材应力发生变化而开裂,能迅速使木材芯湿度与表面湿度达到一致,平衡含水率,同步干燥,使干燥物料品质达到最优。

(5）带独立高温空气混合室的太阳能/热泵木材干燥系统。该系统以太阳能热能为主、空气能热能为辅,根据干燥室所需温度,将从太阳能集热器及空气能冷凝器中收集到的高温热能在空气混合室中混合到高于干燥室温10℃以内后经循环风机送入干燥室,避免因高温差使木材干裂变形。换热器及循环风机装在混合室,在不影响正常工作和增加劳动强度的前提下,便于检修和维护。

3.3 锅炉原理、性能分析

(1）系统原理图如图1所示。

图1 系统原理图

(2）性能分析

燃气与热泵运行成本见表1所示。

表1 电能替代过程中燃气与热泵运行成本对比

设备通常1～2年可通过节能收回成本,使用寿命为12～15年。我国太阳能资源丰富,太阳能运行成本为零,且热泵系统也是目前节能环保的技术,因此,在节能方面有着无比优越的经济性能。由于太阳能采集器无运动部件,热泵关键部件也都通过市场几十年的检验为成熟技术,因此在稳定性及使用寿命方面均可达到理想状态,只要按要求使用及维护,比传统锅炉使用寿命长。

3.4 注意事项

实施过程中应注意的相关问题：①气候条件对整个系统的能效起决定性作用,因此在设计系统时,必须充分考虑当地气候环境方面的因素,一般保险起见按冬季工况设计比较理想,但投入方面会有部分增加;②系统运行时间影响着系统的稳定与使用寿命,因此在设计过程中需按每天用能时间的最长运行时间设计;③用能终端运行工况,根据用能终端的实际情况进行分布式供应与设计,以达到最佳节能状态。

4 结束语

根据太阳能/热泵锅炉在各个行业及领域的实际应用,与燃煤锅炉相比较,由于使用的是清洁能源电及提取的空气或土壤里面的低品位热量而达到零排放,环保效果显著。通过与原有传统锅炉比较,在木材干燥应用中可节能30%以上,在温室大棚方面可节能65%以上,在特种养殖应用中可节能30%以上,在其他应用中,综合节能也可达到20%以上。通过实地多年连续测试与观察,只要用户按要求使用与维护保养,可连续几年零故障运行。因此,无论是使用寿命、自动化控制、节能还是环保方面,与传统锅炉相比都有无可比拟的优势,值得推广应用。D

Application of solar energy and heat pump technology in wood drying

ZHOU Qi1,ZHAO Wen⁃xin2
(1 State Grid Jiangxi Electric Power Company,Nanchang 330077,China;2 State Grid Nanchang Power Supply Company,Nanchang 330003,China)）

提出在家具行业领域,采用太阳能/热泵技术替代传统能源。介绍太阳能及热泵技术的基本原理及应用范围。通过太阳能/热泵技术在江西家具行业的应用,分析该技术的主要特点及注意事项。太阳能/热泵综合能源技术应用在家具行业可实现节能环保,具有推广价值。

太阳能技术;热泵技术;综合能源利用;节能环保

The paper puts forward the use of integrated energy technologywith solarenergyandheatpumptoreplacetraditionalen⁃ergyin the field of furniture industry.This paper introduces the basic principle and application of solar energy and heat pump technology. Through the application of solar energy and heat pump technology in Jiangxi,this paper analyzes the main features of the technology and the matters needing attention.Solar+heat pump technology in the furniture industry has the advantages of energy saving and environ⁃mentalprotectionandhasthepromotionvalue.

solar technology;heat pump technology;compre⁃hensiveenergyutility;energysavingandenvironmentalprotection

1009-1831（2017）02-0025-03

10.3969/j.issn.1009-1831.2017.02.006

F407.61；TK018

B

2016-09-14