空气源热泵在木材常规干燥中的应用

- 57 -CHINA FOREST PRODUCTS INDUSTRY林　产　工　业PRODUCTION & APPLICATION生产与应用空气源热泵在木材常规干燥中的应用∗姚玉萍摘要：　为降低木材干燥生产的环境污染和能耗，推进木材干燥行业转型升级，2016年，木材节约发展中心把木材常规

蒸汽干燥室改造为木材热泵干燥系统，采用低温热泵和干燥热泵耦合的应用方案，经多树种重复性木材干燥生产性试验，改造后干燥成本可有效降低15%~25%，干燥周期与木材常规蒸汽干燥相当或略有降低，干燥质量较好，充分体现了木材热泵干燥系统在木材干燥生产中的优越性，为木材干燥行业升级和发展起到了良好的示范作用。关键词：　空气源热泵； 木材常规干燥； 应用； 干燥成本

中图分类号：S781.71 文献标识码: A 文章编号：1001-5299 （2018） 08-0057-04DOI:10.19531/j.issn1001-5299.201808013

Application of Air Source Heat Pump in Wood Conventional DryingYAO Yu-ping（Wood Value Promotion and Sustainable Development Center, Beijing 100834, China）

Abstract: In order to reduce the energy consumption and environmental pollution and to promote the transformation and upgrading of the wood drying industry, the Wood Value Promotion and Sustainable Development Center took the lead in transforming the wood conventional steam drying kiln into a wood heat pump drying system in 2016. It used an application scheme coupled with a low-temperature heat pump and a drying heat pump. After repeated wood drying production experiments with multiple tree species, the drying cost can be effectively reduced by 15%～25% after transformation, and the drying time is equivalent to or slightly reduced with conventional steam wood drying, and the drying quality is better. It can fully reflect the superiority of the wood heat pump drying system in the wood drying production and play a good demonstration role.Key words: Air source heat pump; Wood conventional drying; Application; Drying cost

近年来，随着国家大力倡导工业节能、减排、降耗，强力推进环保措施，木材加工行业受到巨大冲击，作为木材加工的基础工序，木材干燥生产因能耗大、能源利用率低、污染环境等问题面临严重挑战。数据表明，木材干燥占木制品生产总能耗的40％~70％；因设备落后或者工艺不当，一次能源利用率仅为30％左右；以蒸汽、烟气等作热源，主要燃烧煤炭和木材加工剩余物，大部分无脱硫和除尘设备，在燃烧过程中产生CO２、SO２

和其他有害物质，造成环境污染[1-2]。国家节能和环保

政策形成倒逼机制，促使和引导木材干燥生产企业必

须进行转型升级，一些木材加工企业在新建或改造的木材常规干燥设备中采用空气源热泵进行供热，探索在保证木材干燥质量和生产效率的前提下，采取有效的干燥方式，以降低能耗、提高能源利用率、减少环境污染[3]。

空气源热泵是在电能驱动下，低温空气经过热泵系统的冷凝器吸收热量变为高温低湿空气，把低品位热能转换为高品位热能的热力转换设备[4]。空气源热

泵应用于木材干燥具有干燥成本低、无污染、自动化程度高、干燥质量好等显著优点，是2015年以后逐渐成长起来的一种行之有效的节能、环保干燥技术。法国在1970—1977年间安装近千台热泵木材干燥装置, 到1980年大约有3 000家木材干燥厂采用热泵干燥技术。日本从20世纪60年代开始研究热泵干燥技术,到1987

 *项目名称：中国木材节约代用发展战略研究与木材保护工程（2950800000006）姚玉萍，经济师，木材节约发展中心，E-mail：mjzx@cwp.org.cn收稿日期：2018-05-31

空气源热泵在木材常规干燥中的应用——姚玉萍CHINA FOREST PRODUCTS INDUSTRY林　产　工　业PRODUCTION & APPLICATION生产与应用- 58 -林产工业2018年第45卷第8期年已有各种热泵干燥装置3 000套左右, 现有12%的干燥装置采用热泵干燥技术。加拿大的安大略省45%的木材采用热泵干燥技术，节能达60%[5]。2016年木材节

约发展中心承担国家项目,并已经取得了阶段性成果，研究得出了10种常用珍贵硬阔叶材的热泵干燥基准和干燥能耗分析。

1　空气源热泵的工作原理空气源热泵干燥系统由蒸发器、压缩机、冷凝器、膨胀阀、循环风机和干燥室等组成，是根据逆卡诺循环原理，消耗少量的电能驱动热泵，通过流动工质在蒸发器、压缩机、冷凝器和膨胀阀等部件中的气液两相的热力循环过程从而实现物料干燥。具体讲，低温空气经过热泵系统的冷凝器吸收热量变为高温低湿空气，进入干燥室内加热被干燥物料使其脱除水分，吸收水分后的空气再经热泵系统的蒸发器降温除湿，同时热泵系统回收脱湿水蒸汽的汽化潜热，低温低湿空气经热泵系统冷凝器加热，降低空气的相对湿度，空气如此循环实现物料的连续干燥[6]。

现阶段我国木材加工企业所采用的木材热泵干燥系统多是常规干燥技术与除湿干燥技术相结合的一种联合干燥室，它与常规干燥室最大的区别在于其供热系统采用的不是蒸汽锅炉而是空气源热泵，利用压缩机将工质经过膨胀阀膨胀后在蒸发器内蒸发为气态，并大量吸收空气中的热能，气态的工质被压缩机压缩成为高温、高压的气体，然后进入冷凝器放热，把干燥室内的干燥介质加热，如此不断循环加热，可以把干燥介质加热至 40~80 ℃。木材热泵干燥系统的排湿与常规干燥一样直接排到大气中或空气源热泵工作间，而不是空气源热泵直接排除干燥室内干燥介质的湿度，使干燥过程更温和、更易控制，减少干燥缺陷产生，部分木材热泵干燥室内配备了喷淋装置和辅助加热器等[3]。

2　空气源热泵的技术特点空气源热泵的性能主要由制热系数COP衡量，制热系数越高，系统性能越好。空气源热泵干燥的温度调节范围宽，可在-20~100 ℃范围内进行调节，湿度能够在15%~80% 范围内进行调节，因此适用于各种物料的干燥加工。空气源热泵干燥作为一种新型的干燥方式，与木材常规干燥相比具有诸多优势，主要体现在：1）节能效果好，可降低干燥成本。空气源热泵干燥系统的热能利用率非常高，其制热系数高达4以上，

因此空气源热泵干燥系统能够有效节约能源损耗，同时可以吸收周围环境如空气、水、土壤中的能量，增焓升温后用于木材干燥，还可以回收干燥过程中排放的湿热干燥废气的能量，再用于干燥作业，与燃煤干燥相比，节能效果显著[7]。2）干燥质量好。空气源热泵干燥

木材时，其气流相对较为均匀，并且温差变化不大，且能根据不同干燥阶段对风量、温度和湿度进行调节，木材干燥时一般不会发生较重的变形、开裂、表面硬化、颜色变暗等干燥缺陷。3）环保效果好。以电能为能源，无污染物排放，不直接污染环境，同时不使用锅炉，无安全及消防隐患。4）降低人工成本。不使用锅炉，自动化程度高，易于操作管理。但是空气源热泵自身的设备特性和运行时受外界环境温度的影响较大，也存在诸多问题，具体如下：1）空气源热泵的运行受外界环境温度的影响较大。空气源热泵的工作温度范围一般在-10~35 ℃，当空气源热泵处于低温工况时，设备就会结霜，能效和性能较差[6]，

干燥室内温度无法提升且耗电量较大，干燥设备无法正常运转，国内北方地区冬季使用效果较差。2）维修保养问题。由于制冷工质的泄漏对热泵系统的工作性能影响很大, 为了保持热泵干燥装置处于最佳工作状态, 因此必须定期对压缩机、过滤器、冷凝器、蒸发器等进行保养维护。一旦发现制冷工质泄漏, 就应及时补充。对热泵干燥系统制冷工质泄漏的检查是一项要求高、技术性强的工作, 对维修人员的技术水平有一定要求。3）干燥规模相对较小。同蒸汽锅炉干燥相比，热泵的干燥规模小，木材常规蒸汽干燥的干燥室最大可达 300 m3以上，而热泵干燥的干燥室一般最大为100 m3。4）设

备投资较大。空气源热泵干燥系统投资约为传统干燥设备的 2 倍以上。5）微生物污染问题。大部分微生物细胞在60~80 ℃的干燥条件下都会被破坏，只有少部分耐热性细菌、酵母、霉菌除外，如热泵干燥设计得不合理，木材将会产生蓝变、霉变等缺陷。

3　空气源热泵在常规干燥中的应用情况分析木材节约发展中心拥有11台木材常规蒸汽干燥室，其中100 m3干燥室3台，80 m3干燥室6台，50m3和

40 m3干燥室各1台。改造前采用一台4 t燃煤蒸汽锅

炉供应蒸汽，2016年把其中3台100 m3干燥室改造为

采用空气源热泵供热，图1为改造后的木材热泵干燥室示意图[4]。

木材干燥对热量的需求量较大，当环境温度较低