河南烟区空气源热泵密集烤房应用实践研究

李佳颖，张兆扬，禹 洋，常剑波，程相国，秦伟桦，张 博*，王娓娓*

（1.河南省烟草公司 三门峡市公司，河南 三门峡 472000；2.河南省三门峡市烟草公司 渑池县分公司，河南 渑池 472400；3.河南省烟草公司 南阳市公司，河南 南阳 473000）

烤烟调制与烤房设备密切相关。自2009年烟草行业出台《密集烤房技术规范》以来，烤烟调制设施基本上实现了从传统的自然通风烤房到热风强制循环、自动化程度高的密集烤房的演变［1］。在2018年以前，国内密集烤房主要利用煤炭直接燃烧供热。燃煤由于燃烧和升稳温不稳定，不仅影响烤后烟叶质量，而且供热的热能利用效率较低，环境污染严重［2-4］。随着现代烟草农业的快速发展，以煤炭为主要能源的烟叶调制方式在资源利用、环境保护等方面已无法适应烟叶高质量发展的需求，在烟叶烘烤领域改变传统的燃煤供热方式，实现绿色、环保、节能的现代化的烟草农业生产方式，成为今后密集烤房节能减排研究的重点和发展趋势［5］。

近年来，生物质、热泵、太阳能等清洁能源被逐步应用于烟叶烘烤领域，其中热泵烤房具有高效节能、舒适环保等特点，日益被烘烤从业人员推崇。热泵烤房主要由压缩机、冷凝器、节流装置和蒸发器等核心部件组成，利用热泵吸收空气中的热量，将其送入烤房加热室内，热空气通过烟层后返回烤房加热室进行循环［6］。河南烟区是黄淮平原的重要烟区之一，从2013年开始示范应用热泵密集烤房。2020年，河南烟区在许昌和三门峡设置了2处热泵烤房“赛马”试验平台，开展赛马比武和技术攻关，并于2020年底正式发布了空气源热泵密集烤房系列标准。在2020～2022年期间，河南烟区9个烟叶主产区改造了2.65万座燃煤烤房，新建了4000余座热泵烤房，并于2021年开展了热泵烤房跟踪评价工作，全面梳理、系统总结了热泵烤房在节能减排、减工降本、提升烘烤质量和增加烟农收入等方面的成效。以往热泵技术专家和烟叶烘烤学者对热泵烤房的研究多侧重于应用理论研究［6-7］、单方面烘烤性能测试［8-9］，以及某一产区热泵烤房的效率、效益对比分析［10-12］。笔者立足于河南烟区的实际情况，对比研究了热泵烤房在9个不同产区的能耗水平、用工成本、建设质量等，以期为实现烟叶绿色烘烤目标，并为热泵密集烤房在其他省份主产烟区的推广与应用提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试样本烤房从河南烟区3个片区、9个烟叶主产区的新建、改造热泵烤房和燃煤烤房中选取，共选取125处热泵烤房群、3092座热泵烤房和22处燃煤烤房群、360座燃煤烤房开展跟踪评价工作。

热泵烤房装烟室的规格均为8000 mm×2780 mm×3500 mm，热泵机组额定制热量＞40 kW，额定制热性能系数COP≥4.0，其他相关参数的设置按照《空气源热泵密集烤房》 （Q/HNYC 050─2020）。

燃煤样本烤房均为气流下降式烤房，主体结构为红砖混凝土，使用金属炉膛供热；装烟室规格为8000 mm×2700 mm×3500 mm，满足鲜烟装烟量4500 kg以上。

1.2 评价指标及方法

评价指标主要包括能耗水平、用工成本、建设质量。

1.2.1 能耗水平 以2021年度整个烘烤季节耗电量为评价指标，统计烤房炕均耗电量和当地实际电价水平。

1.2.2 用工成本 调查统计每名烘烤师可操作的热泵烤房和燃煤烤房的数量，以及当地用工成本，并折算为单座烤房炕均用工成本。

1.2.3 建设质量 对烤房群的整体建设情况进行评价，评价内容主要包括是否存在漏雨、漏气和热泵机组故障等质量问题。由烘烤师对烤房群的整体建设质量进行赋值打分，分为5个档次，各档次的评分标准为：10分≥好≥9分、9分＞较好≥7分、7分＞一般≥5分、5分＞较差≥3分、3分＞差≥0分。

1.3 试验设计

通过采集供试烤房群烘烤基础数据和调查统计等方式，分析河南烟区9个产区新建和改造热泵烤房的能耗水平、建设质量等情况，并对比分析新建热泵烤房（T1）、改造热泵烤房（T2）和燃煤烤房（CK）在能耗成本、用工成本等指标上的差异。其中豫西烟区包括三门峡、洛阳、济源；豫中烟区包括许昌、平顶山；豫南烟区包括南阳、驻马店、信阳。供试烤房群及烤房的分布区域如表1所示。

表1 供试烤房群及烤房的分布区域

处理T1为新建热泵烤房，设烤房群54处、烤房1280座；试验数据采集地点主要分布在三门峡、洛阳、许昌等6个产区。处理T2为改造热泵烤房，设烤房群71处、烤房1812座；试验数据采集区域在9个烟叶主产区均有设置。对照CK为燃煤烤房，设烤房群22处、烤房360座；试验数据采集地点分布在三门峡、洛阳、许昌等6个产区。

1.4 统计与分析

能耗成本、用工成本和建设质量等试验数据处理采用Excel 2013和SPSS Statistics 23.0等统计分析软件。应用Duncan氏新复极差法对试验数据进行方差分析。

2 结果与分析

2.1 能耗水平的对比分析

由表2可知：在2021年度整个烘烤季节，河南全省新建热泵烤房耗电量的平均值为1342.5 kW·h，其中最小值为1000.0 kW·h，最大值为1900.0 kW·h，分别在许昌和三门峡产区；平均耗电量低于全省平均值的产区共计2个，分别为南阳和许昌产区，其中南阳烟区的平均耗电量最小，为1092.9 kW·h；高于全省平均值的产区共计4个，分别为三门峡、平顶山、洛阳和驻马店产区，其中三门峡产区的耗电量最大，为1585.6 kW·h。方差分析结果显示：三门峡、洛阳、平顶山和驻马店产区的平均耗电量均与许昌、南阳产区间差异显著，在许昌和南阳产区间差异显著，这可能与产区的生态气候条件和烘烤期间外界环境温、湿度等因素有关。

表2 不同产区新建热泵烤房的能耗水平

由表3可以看出：全省改造热泵烤房耗电量的平均值为1766.3 kW·h，其中最小值和最大值均在洛阳产区，分别为1200.0和2600.0 kW·h；平均耗电量低于全省平均值的产区共计3个，分别为南阳、驻马店和许昌产区，其中南阳的平均耗电量最小，为1465.7 kW·h；高于全省平均值的产区共计5个，分别为三门峡、济源、洛阳、平顶山和信阳产区，其中三门峡的平均耗电量最大，为2085.5 kW·h。方差分析结果表明：三门峡的平均耗电量与济源间的差异不显著，但与洛阳等6个产区间的差异显著；济源与三门峡、洛阳、平顶山间的差异均不显著，但与许昌等4个产区间的差异显著；洛阳与济源、平顶山间的差异均不显著，但与三门峡等5个产区间的差异显著；平顶山与洛阳等4个产区间的差异不显著，但与三门峡、济源和南阳这3个产区间的差异显著；许昌、驻马店和信阳间的差异不显著，且均与除平顶山外的其他4个产区间的差异显著；南阳与其他7个产区间的差异均显著。

表3 不同产区改造热泵烤房的能耗水平

由表4可知：新建热泵烤房、改造热泵烤房和燃煤烤房的炕均干烟量分别为450、500和500 kg，这可能与河南烟区新建热泵烤房全部为3棚炕烤房，而改造热泵烤房和燃煤烤房以4棚炕烤房居多有关。2021年度烘烤季燃煤的价格普遍较高，价格分布区间为900～2100元/t，平均价格为1300元/t，按照这个平均价格测算，燃煤烤房每烘烤1 kg干烟的燃料成本为2.60元。新建热泵烤房、改造热泵烤房和燃煤烤房的干烟烘烤成本分别为1.42、1.68和2.79元，炕均烘烤成本分别为639、840和1395元，因此，新建热泵烤房和改造热泵烤房与燃煤烤房相比，分别节省成本756和555元/炕，降低百分率分别为54.2%和39.8%。

表4 不同类型烤房的干烟烘烤能耗成本

2.2 用工成本对比分析

不同类型烤房烘烤的用工成本如表5所示。据调查统计，在烟叶烘烤过程中，每名烘烤师可管理的热泵烤房数量为15～20座，并能够实现无人值守烘烤烟叶。燃煤烤房烘烤团队通常需要1名烘烤师搭配1～2名司炉工，可管理的烤房数量为8～12座，每名烘烤师平均可管理的烤房数量为4～6座。按照每炕烘烤时间6.5～8.0 d、用工成本150元/个进行测算，热泵烤房和燃煤烤房的炕均用工分别为0.35～0.47和1.17～1.75个，炕均用工成本分别为52.5～70.0和175.0～262.5元/炕。

表5 不同类型烤房烘烤烟叶的用工成本

2.3 建设质量的综合评价

不同产区热泵烤房建设质量的评价结果（表6）显示：全省125个样本烤房群建设质量的平均得分为8.41分，处于较好档次（7～9分）；最低得分为5.5分，分布在许昌产区；最高得分为10.0分，分布在驻马店和三门峡产区；平均得分最高和最低的产区分别为驻马店（8.94分）和南阳（8.13分），且均处于较好档次。建设质量平均得分高于和低于全省平均值的产区均有4个，高于全省平均值的产区为驻马店、三门峡、济源和信阳，低于全省平均值的产区为南阳、平顶山、许昌和洛阳。

表6 不同产区热泵烤房建设质量的综合评价结果

3 结论与讨论

本研究结果表明：河南全省新建热泵烤房和改造热泵烤房耗电量的平均值分别为1342.5和1766.3 kW·h：新建热泵烤房和改造热泵烤房的烘烤能耗成本与燃煤烤房相比，分别节省了756和555元/炕，降低率分别为54.2%和39.8%；热泵烤房和燃煤烤房的炕均用工成本分别为52.5～70.0和175.0～262.5元/炕，前者比后者降低了70.0～73.3%。通过河南烟区9个产区的应用实践证明，热泵烤房在减工降本、节能减排等方面优势较为突出。

河南烟区125个样本热泵烤房群建设质量的平均得分为8.41分，处于较好档次。根据热泵烤房省级验收结果，河南全省9个烟叶产区大多数热泵烤房的建设质量较好，符合建设规范和质量要求，能够满足烟叶烘烤需求。但由于2021年河南烟区汛期降雨量普遍比往年较大，在验收时发现仍有143座热泵烤房存在明显的漏雨或漏气现象，这些热泵烤房主要分布在南阳、平顶山和济源烟区。热泵烤房漏雨、漏气问题会直接影响烟叶的烘烤质量，造成烘烤损失，因此需在今后热泵烤房的建设过程中引起高度重视，进一步加强现场施工监督和检测的力度。

河南烟区热泵烤房建设工作开展近3年来，在烘烤管理和技术创新等方面仍需做进一步的改进和提升。今后在烘烤管理方面的改进主要包括以下3个方面。

一是要加强烘烤培训，提升烟农的烘烤技能。纵深推进烟农烘烤师队伍的建设工作，分层级开展热泵烤房建设标准和烘烤技术规程的宣传和贯彻执行；通过制作和发放简单易懂、可操作性强的服务手册，进一步提高烟农的热泵烤房操作水平和设备故障排查能力，真正用好热泵烤房。

二是推进智能烘烤，提升烘烤管理水平。截至目前，河南烟区已安装1.6万套烘烤物联网装置用于开展智能烘烤工作。今后要继续推进烟叶智能烘烤物联网技术建设，把烘烤物联网作为烟农增收的重要抓手，加强热泵烤房烘烤物联网数据的收集统计，为烘烤大数据分析评价提供强有力的基础数据支撑，不断提升烘烤管理水平， 减少烘烤损失，增加烟农收入。

三是加强电力保障，长效发挥烤房优势。热泵烤房配套电力资源的安全稳定运行是热泵烤房有效发挥作用的基础保障。在2021年度烘烤季，由于受限电政策的影响，豫南烟叶产区停电频率较高、时长较长，导致个别炕次出现烤坏烟情况。目前，河南山地和丘陵植烟县已出台配套备用电力设备政策，统筹考虑管护运维成本；下一步将探讨平原植烟县逐年配置备用电力设备的可行性方案，进而为各产区长效发挥热泵烤房的优势奠定基础。

在热泵烤房的技术创新方面，目前河南烟区已完成热泵烤房烤烟烘烤工艺技术评价，并制定了《空气源热泵密集烤房》和《空气源热泵密集烤房烘烤技术规程》 2项企业标准。整体式与分体式烤房散热器散热效率对比［13-14］、变频机组与定频机组对比［15］，以及微通道散热器与铜管翅片式散热器对比［16-17］等方面的研究将是河南烟区热泵烤房下一步技术更新和研究示范的重点方向。