热泵密集烤房节能应用分析

刘向伟，王世伟，李栓柱，陈 宁，孙云龙

(洛阳双瑞特种装备有限公司，河南 洛阳 471000)

随着烟草烘烤技术的发展，空气源热泵技术成为烤烟节能、烟叶品质提升的新途径。近些年，空气源热泵逐渐在密集型烤房上应用，以替换传统的燃煤烤房。烟叶使用热泵烘烤，是农产品烘干领域的焦点。通过热泵企业的研发，烟叶烘烤热泵技术逐渐成熟，与2009年国家烟草局公布的418号文件规定的密集型烤房，正在烟区逐步推广。

目前市场上应用的热泵烤房主要为开式循环，存在系统简单、没有余热除湿利用、热量大量排出、热能损失大、热能利用率低、不能远程操控等问题。传统烤房内各处温差较大，用传统烤房烘烤烟叶时，容易出现青筋烟和红焦烟等低等级烟叶，同时存在排湿不畅、升温困难等问题。传统烤房是利用外部冷空气直接进入烤房形成对流来实现排湿的，热能利用率低，热量大量从烟囱排出，热能损失大。整个烤烟过程工艺都是凭烟农经验和感觉进行温湿度控制，人为控制，降低了烟叶品位，烟叶质量参差不齐，除湿模式单一，烘干除湿，效率较低、效果较差，严重影响烟农的经济收入。综上，热泵烤房仍有较大改进潜力[1]。运行开式排湿时，由于排湿口设置于烤房上，无余热回收及二次热回收功能，导致热损失较大，能耗较高。

根据以上情况，开发出具有回收湿热节能降耗的方案，方案采用回热及相变能量循环技术，定向开发节能型烤烟系统。

1 材料与方法

1.1 密集烤房结构及工作原理

目前市场上应用的热泵烤房结构如图1所示。该烤房由加热室、装烟室、热泵机组组成，具体包括热泵主机、循环风机、冷凝器、电加热器、排湿口、新风口等。烤房热进风在烤房内部循环，回风首先在空气源热泵系统中的冷凝器中被加热至一定温度，再通过电加热器进行辅助加热，最终加热到设定送风温度，然后通过循环风机进入烤房[2]。

图1 空气源热泵原理Fig.1 Principle diagram of air source heat pump

图1中，常规空气源热泵烤房的热风来自空气源热泵系统，蒸发器、冷凝器、压缩机和节流机构4大部件组成了空气源热泵系统。在空气源热泵系统中，低温低压的液体制冷剂进入蒸发器吸收环境空气的热量，制冷剂蒸发变成中温低压蒸气，压缩机消耗电能对气态制冷剂做功，制冷剂蒸气压力和温度均升高，然后高温高压的制冷剂蒸气进入冷凝器凝结放热，制冷剂放热的过程对冷凝器另一侧的回风进行加热，使回风升高至一定温度，凝结成液体的制冷剂经过节流机构节流，重新变成低温低压液体，再进入蒸发器吸热。如此不断循环，实现从蒸发器侧吸热到冷凝器侧放热的热力循环过程[3]。

1.2 试验设计

在河南许昌、洛阳进行实物烘烤测试，对中部烟和上部烟各测试1次。每炕装烟约4 t进行试验，分别从烤烟能耗、自控使用、温控精度、烘烤工艺、大货烟叶烘烤效果等方面展开。在烤房内部不同位置设置干湿球温度传感器、称重传感器、摄像头等仪器设备，监控测试各项烘烤指标。实物烘烤后进行专业的烟叶质量、化学分析等，科学分析烘烤质量。

2 结果及分析

2.1 负载条件下热泵烤房的性能测试

经过多炕的烘烤测试，进行供热性能、稳温性能分析。在烤房装烟状态下，记录装入烤房的烟叶部位、装杆数，测试鲜烟量、干烟量、烤烟能耗、单位水分蒸发耗电量、干湿球控温精度。统计分析结果：平均失水能耗为0.30 kWh/kg，干烟能(最低)为1.3 kWh/kg，干球控温精度±0.6℃；湿球控温精度±0.5 ℃。烟叶烘烤现场试验如图2所示。

图2 烟叶烘烤现场试验Fig.2 Field test of tobacco leaf curing

2.2 烘烤烟叶化学成分、感官质量分析

烘烤烟叶外观质量见表1。

表1 烟叶外观质量Tab.1 Tobacco appearance quality

由表1中看出，许昌2组开闭结合与开式烤房对比试验，开闭结合烤房烤后烟叶颜色金黄，成熟度在“成熟”档次，叶片结构在“疏松”档次，身份在“稍薄”档次上限，油分在“有”档次中下限，色度在“中”档次中下限。开式烤房烤后烟叶杂色烟叶比例较大，成熟度在“尚熟”档次中限，叶片结构在“尚疏松”档次中限，身份在“稍薄”档次上限，油分在“稍有”档次中限，色度在“弱”档次中限。

与开式烤房相比，开闭结合烤房烤后烟叶颜色相对纯正，有较高的成熟度，叶片结构相对疏松，身份相当，油润感较好，总体外观质量较好。节能型热泵密集烤房烤后烟叶从外观质量上有所提升。综上，采用热泵的烟草密集烤房各项外观指标更协调。

烟叶主要化学成分含量见表2，烟叶主要化学成分协调性指标见表3。

表2 烟叶主要化学成分含量Tab.2 Content of main chemical components in tobacco leaves %

表3 烟叶主要化学成分协调性指标Tab.3 Coordination index of the main chemical components of tobacco leaves

由表2、表3中看出，洛阳产区开闭结合烤房，烟碱、总氮和蛋白质含量较低，还原糖含量较适宜，糖碱比值较高，氮碱比值和两糖比值基本适宜。许昌2组开闭结合与开式烤房对比试验平均，开闭结合烤房烤后烟叶的烟碱、总氮和蛋白质含量较开式烤房略低，总糖含量和还原糖、糖碱比值相对较高，氮碱比值和两糖比值基本相当，烟叶化学成分相对适宜。

从表2可以看出，第1炕，传统热泵密集烤房烤后烟叶总糖含量为20.1%，还原糖含量16.7%，而节能型热泵密集烤房烤后烟叶总糖含量为24.1%，还原糖含量为18%，分别比传统热泵密集烤房含量高4个百分点和1.3个百分点，通常认为烤后烟叶中两糖含量较高时品质较好。热泵密集烤房烤后烟叶糖碱比为9.08，传统热泵密集烤房烤后烟叶糖碱比为7.09。节能型热泵密集烤房烤后烟叶总氮含量最低为1.94，与传统热泵密集烤房相比较小，能够降低烟叶的刺激性。综上，热泵密集烤房各项化学指标相对协调，内在品质较高。

烟叶感官质量评价结果见表4。从表4可看出，采用热泵的烟草密集烤房与燃煤密集烤房烤后烟叶的劲头、浓度评吸一致。表4中，洛阳产区开闭结合烤房烤后烟叶香气质中偏上，香气量尚足，杂气有，刺激性有，余味尚舒适。许昌2组开闭结合与开式烤房对比试验平均，开闭结合烤房烤后烟叶香气质中偏上，香气量尚足，杂气有，刺激性有，余味尚舒适；开式烤房烤后烟叶香气质中偏上香气量尚足，杂气有，刺激性有，余味尚舒适。

表4 烟叶感官质量评价结果Tab.4 Sensory quality evaluation results of tobacco leaf

与开式烤房相比，许昌产区开闭结合烤房烤后烟叶的香气质略好，香气量相当，杂气较轻，刺激性较小，余味舒适性略好，总体感官质量较好。

节能型热泵密集烤房烤后烟叶的香气量充足，香气质好，余味大，杂气少，刺激性小。说明，热泵密集烤房更有利于烤后烟叶的香气物质的转化积累。

从以上数据可以看出，采用节能型空气源热泵技术的烤房在烤烟质量、化学品质、评吸等方面优于目前常规的开式烘烤模式，有利于提高烟叶品质[4]。

3 社会与经济效益分析

3.1 经济效益分析

3.1.1 运行成本估算

(1)节能型空气源热泵烤房。采用热泵烘烤，1人可监控20座以上烤烟房，烟叶烘烤周期为6～8 d(烘烤一炕干烟700 kg)。经综合核算，节能型空气源热泵密集烤房烘烤1 kg干烟叶总运行成本为0.77元。

(2)传统热泵密集烤房。烘烤出1 kg干烟叶的能耗费用为0.952元/kg。采用热泵烘烤，1人大约可监控20座以上烤烟房，烟叶烘烤周期为6～8 d(烘烤一炕干烟700 kg)。传统热泵密集烤房烘烤1 kg干烟叶总运行成本为1.052元。

(3)燃煤密集烤房。烘烤1 kg干烟叶的耗电量为0.53 kWh/kg，耗煤量为1.37 kg/kg，电价按0.52元/kWh计算(省电网电价标准中农业生产用电电价)，煤价按800元/t计算，烘烤出1 kg干烟叶的能耗费用为1.371元/kg。采用燃煤烘烤，1人大约可监控5座烤烟房，烟叶烘烤周期为6～8 d，烘烤1 kg干烟叶所需人工费为0.4元(烘烤一炕干烟700 kg)。综上，燃煤密集烤房烘烤1 kg干烟叶总运行成本为1.771元。

由上述分析可以得出，节能型热泵密集烤房的运行成本与传统热泵密集烤房、燃煤烤房相比，节约率为28%、57%；若以每炕700 kg干烟叶的产量计算，则分别可节约147.5元、708元，节能效果明显。

3.1.2 烟叶质量等级分析

依据烘烤后烟叶的油分、色度、长度、成熟度、叶片厚度、叶片结构、残伤程度、烟叶香气、化学成分等因素将烟叶划分为上等烟、中等烟、下等烟、低等烟4个等级。烟叶质量等级决定着烟叶生产的经济效益。由表4可以看出，相比传统热泵烤房，节能型热泵烤房烘烤后的烟叶品质普遍由于传统的热泵烤房[6-10]。

按最优数据，烤烟价区中的C3F与C4F价格约为29元/kg，若按抽样烟叶的品质在整炕中的占比15%计，整炕烟叶品质提升产生的收益为945元。

3.2 社会环保效益

传统燃煤烤房加热烟叶采用燃煤炉，燃烧后产生大量SO2、CO2、粉尘等污染物，造成严重的环境污染问题。采用热泵烤房，高温空气源热泵机组以空气为热源，只需消耗少量电能将空气中的热量转移到烤烟房内，避免了燃料运输、储存、燃烧过程中的安全问题和环境污染问题，绿色环保[11-15]。

(1)节煤量分析。依据各类能源折算标准煤系数，电力折算标准煤系数为0.404 kg/kWh，原煤折算标准煤系数为0.714 3 kg/kg。采用节能型热泵烤烟房，烘烤1 kg干烟叶的耗电量为1.30 kWh/kg，折合标准煤量为0.525 kg/kg；传统热泵烤房烘烤1 kg干烟叶的耗电量为1.83 kWh/kg，折合标准煤量为0.739 kg/kg；采用燃煤烤烟房烘烤1 kg干烟叶的耗电量为0.53 kWh/kg，耗煤量为1.37 kg/kg，折合标煤1.19 kg/kg。

(2)污染物减排分析。按单炕房7炕次/年、700 kg/炕干烟叶计算，密集型烤房群1 000炕计，与传统热泵烤房、燃煤烤房对比，年节约标煤量分别为1 048、3 258 t，少排放CO2约2 612、8 122.1 t，少排放SO2约23.06、71.6 t，减少粉尘排放10.48、32.58 t[16-20]。

由此可见，节能型热泵密集烤烟房与传统热泵烤房、燃煤烤烟房相比，根据折算的节约标准煤量，污染物减排效果明显。若在全国大面积推广，环保效益显著。

4 结论

综上所述，节能型空气源热泵烤房技术具备清洁、环保、节能、自动化等优势，不仅可实现管控便捷，更提高了烟叶质量，提升了烟叶等级。该项技术的推广，将提高烟农的科技素质和烟叶烘烤的科技含量，推动烟叶生产持续发展，促进社会的经济发展，持续增加农民收入。