EACHTCS 智能变频除湿热泵烤房研究与应用

摘要：针对使用燃煤烤房污染大、成本高等问题，研究应用一种以变频热泵为热源的智能变频除湿热泵烤房，以常规电热泵供热烤房和燃煤密集烤房为对照，对比分析该型烤房在烘烤能耗、烟叶质量等方面的差异。结果表明：与传统燃煤型密集烤房相比，EACHTCS 智能变频除湿热泵烤房能耗成本可降低40.8%；与普通热泵烤房相比，节能效果可达14.9%。烤后烟叶结构疏松，香气量足，油分增多，上等烟比例可提高3%～5%（绝对值）。综合分析，该型烤房可为优化当前密集烤房供热方式、改善烘烤性能、推动烟叶烘烤降本增效提供借鉴。

关键词：烟叶；烘烤；变频热泵；闭式；除湿；研究

中图分类号：S572文献标志码：A文章编号：0253−2301（2024）04−0056−04

DOI：10.13651/j.cnki.fjnykj.2024.04.010

Research and Application of EACHTCS Intelligent Frequency Conversion Dehumidification HeatPump Curing Barn

GUO Quan-wei1 ，FAN Zeng-bo1 ，ZHANG Cheng-shuang1 ，WANG Yu-hua1 ，ZHANG Yong1 ，SONG De-wei1 ，WANG Xiang2

（1. Shandong Weifang Tobacco Co.， Ltd.， Weifang， Shandong 261205， China;

2. Shandong Yunda New Energy Technology Co.， Ltd.， Weifang， Shandong 261200， China）

Abstract： Aiming at the problems of severe pollution and high cost in using the coal-fired curing barn， an intelligent frequency conversion dehumidification heat pump curing barn with frequency conversion heat pump as the heat source was studied and applied. By taking the conventional electric heat pump heating bakery and the coal-fired bulk curing barn as the control， the differences in the baking energy consumption and tobacco leaf quality were compared and analyzed. Theresultsshowedthatcomparedwiththetraditionalcoal-firedintensivebakinghouses，theenergy consumption cost of EACHTCS intelligent frequency conversion dehumidification heat pump curing barn could be reduced by 40.8%. Compared with the ordinary heat pump curing barn， the energy-saving effect could reach 14.9%. After baking， the structure of tobacco leaves was loose， the aroma was sufficient， and the oil content was increased. The proportion of high-quality tobacco could be increased by 3%−5%（absolute value）. Based on the comprehensive analysis， this type of curing barn could provide reference for optimizing the heating mode of the current intensive baking rooms， improving the baking performance， and promoting the cost reduction and efficiency increase of tobacco leaf curing.

Key words： Tobacco leaves；Baking；Variable frequency heat pump；Closed；Dehumidifying；Research

双碳背景下，热泵供热烤烟已成为烟叶烘烤领域重点研究方向[1−2]。吕君等[3]通过研究，发现使用热泵烤房，公斤干烟烘烤成本较燃煤烤房降低0.85元·kg−1。聂荣邦等[4]研究表明，使用热泵烤房，上等烟比例较传统燃煤烤房平均高出5.8%。李志国[5]研究结果显示，闭式热风循环密集烤房热泵烘烤较生物质颗粒烘烤和燃煤烘烤在节能减排、减工降本、提质增效方面有明显优势，具有良好的节能性及经济性。

从以上研究可以发现，围绕能源替代，相关人员在热源装置、装烟方式和密度、控制逻辑等方面对传统烤房进行了深入研究，并取得了较好的业绩。但相关理念仍采用单一的热源替换，简单解决环保问题，能源消耗不理想，烟叶烘烤品质未考虑；同时，仍沿用开放式排气除湿法，排湿气流中含大比重的致香物及其有益成分，随湿气排出烤房外，导致烘烤后的烟叶香气含量降低、颜色变淡、油分减少、烟叶品质不高等[6]。本研究以变频热泵供热系统应用为切入点，采用闭式循环除湿，在实现节能减排降本基础上，降低了烟叶香气的排放量，保证了烟叶内在质量。

1工作原理与建造方法

1.1工作原理

1.1.1供热系统“EACHTCS 智能热泵”主要由蒸发器、冷凝器、变频压缩机、电子膨胀阀、温度与湿度传感器、冷凝水回收器等部分组成。其工作腔分为内外两套装置，一个系统可以制热亦可制冷，原理相同。依靠压缩机把气态的介质提高压力和温度后，冷凝器中放热凝为液态，再经过电子膨胀阀膨胀，进入蒸发器中吸热蒸发，相变为低温低压的气态，气态介质进入变频压缩机，至此完成了介质的闭路循环。内回路负责制冷除湿，外回路负责制热提温[7−8]。其变频压缩机的频率，随温度变化实时跟踪，解决了定频压缩机因起停时间过长造成的温度滞后问题。

1.1.2排湿系统针对传统烤房通过排湿口，将湿热气体排出，同时进入等量的低温干空气，维持烤房内的平衡，进出均损失热能，降低了能效比，此为开路排气湿法，该型烤房采用冷凝液化除湿代替排气除湿。系统由蒸发器、冷凝器、排液管等组成，其工作原理：烤房内的湿空气在风机驱动下内部循环，湿热空气通过低温蒸发器时，遇冷凝露，液化成液态水排到储液罐中，同时冷凝端的热量，释放在烤房内，此循环为闭路，无外界空气参与，热能未流失。闭路制冷除湿的能量，远远小于开路排掉的能量，节能明显，且保留了有效的烟叶成分，同时析出的液态水放在储液罐中，回潮时使用，也避免了水的二次污染。

1.1.3烘烤工艺根据变频循环式热泵的特点，改变布烟结构，利用烟叶除湿的冷凝水，返补给干烟叶，形成“四段六步除湿法”烟叶烘烤工艺，即变黄期、定色期、干筋期、回潮期4个阶段，变黄、凋萎、变筋、烤桔、干筋、回潮6步措施。针对各烘烤阶段需要的风速风量不同，当烤房内部湿量增加时，烤房内的压缩机频率自动跟踪，匹配湿度的增量，制冷液化析出液态水，保持烤房内温湿度的平衡，避免挂灰、青筋现象。因4个阶段中热量不等，变频压缩机的频率与温度成正比例，AI 自学习式 PID 算法实时跟踪，保持输入输出等量，精确到一位小数，除湿端吸热制冷，放热端内部无损放热，从而节约能源。

1.2建造方法

该系统将热能、烤房、风道、烘烤工艺、布烟及装卸进行全面升级，将其全部纳入一个系统，从全局考虑问题，改进了传统烤烟房与烤烟工艺中的不足，着眼整体，优化了整个烘烤过程。

1.3循环风道

传统密集烤房，人为控制装烟量与空间比例，品质与产量很难兼得；人为地压缩烟叶间空隙，反而增加风速风压的强循环，增大烟叶间的风流量，此与烟叶的水分蒸发速率非线性比例，恶性循环，背离烘烤高品质烟叶课题。根据静压箱的原理，该型烤房设计了挡风板与孔板，使循环风压力更小，更柔均匀地流过烟叶间，并将循环风机更换为变频风机，根据烘烤工艺及温湿度，实时调速，并配合布烟方式组合使用，达到柔烤香烤的目的。

1.4布烟方式

传统的装烟方式为固定烟梁平推式，在烤烟房内的两侧墙壁上，预制支架，通过人工，在烤烟房的狭小空间中装卸烟杆，装烟不均，数量不等，烟叶间的风道缝隙无法畅通，造成每炉的烘烤成品有差异；装烟、卸烟不便、效率低下。

“EACHTCS 智能热泵烤烟系统”结合现状特点，优化并匹配新型热源及工艺，设计了“波浪定位移动式布烟车”，变平板布烟为立体波浪式布烟，提高烟叶跟热风，在单位时间内的换热率，从而同步了除湿的速率与烟叶内部水分蒸发的速率，精准分离，提升了烟叶品质；同时，烟叶编织好后，在烤房外轻松装入，或晾或烤，都可直接进入烤房，卸烟如同装烟，方便快捷，效率高，损失小；所有烤房通用，可任意组合，每个烤烟房按4个小车设计。

2试验设计

EACHTCS 智能变频除湿热泵烤房研究始于2021年，试验于2021−2023年在临朐、诸城烟叶烘烤工场进行。试验将中烟特香301作为供试品种，按照当地优质烤烟生产技术组织实施。供试烤房为 EACHTCS智能变频除湿热泵烤房，由传统密集烤房改建而成；以常规定频热泵烤房（CK1）和燃煤密集烤房（CK2）作为对照。供试烟叶来自当地同一烟叶农场。3种不同配置烤房土建规格均为8 m ×2.7 m×3.5 m。

采收成熟中部、上部烟叶，处理与对照所用烟叶品种、部位、成熟度与鲜烟素质基本相同，全部采用烟杆编烟；同时，分别从处理炉和对照炉二棚中间位置挑选20杆鲜烟素质基本一致的烟叶进行外观和内在质量评价。烘烤采用“四段六步除湿”烟叶烘烤工艺。

3结果与分析

3.1烟叶烘烤成本

由表1可知，常规定频热泵烤房（CK1）折合1 kg 干烟耗电2.16 kwh ，耗电成本1.21元；燃煤密集烤房（CK2）折合1 kg 干烟煤电成本1.74元。EACHTCS 智能变频除湿热泵烤房1 kg 干烟能耗成本仅为1.03元，较常规电热泵供热烤房降低0.18元，节能效果达到14.9%；较燃煤密集烤房降低0.71元，节能效果达到40.8%。

3.2烤后烟叶等级质量

由表2可知，EACHTCS 智能变频除湿热泵烤房烤后烟叶桔黄烟、上等烟比例与常规定频热泵烤房差异不明显，与燃煤密集烤房差异明显，其中，桔黄烟比例高出燃煤密集烤房4%（绝对值），上等烟比例高出10%（绝对值），杂色烟降低4%（绝对值）。通过计产计值，EACHTCS 智能变频除湿热泵烤房烤后烟叶均价较常规定频热泵烤房、燃煤密集烤房分别高出0.57、1.64元·kg−1。EACHTCS 智能变频除湿热泵烤房烤后烟叶鲜干比最小。

3.3烤后烟叶化学成分及评吸结果

烟叶化学成分检测结果（表3）表明，EAC-HTCS 智能变频除湿热泵烤房与常规定频热泵烤房、燃煤密集烤房总糖、还原糖两项指标总体适宜，化学成分协调性较好，钾、氯、烟碱等指标在处理间稍有差异但均在适宜范围内。感官评吸总体评价（表4）差异不明显，EACHTCS 智能变频除湿热泵烤房得分高于常规定频热泵烤房与燃煤密集烤房，香气量稍有增加。

4讨论与结论

4.1讨论

EACHTCS 智能变频除湿热泵烤房由于采用变频热泵加热及冷凝除湿系统，变频循环热风，密封性良好，热利用率高，有效降低烘烤成本达40%以上，与任杰[9]研究结果基本一致。热泵的耗电量与烤房内温度成反比，湿度增加能耗降低，尤其是后期的定色、干筋阶段，排出的湿空气温度高体量大，相反制热效率高，节能效果好。整个烘烤过程中，均以电能供热，属清洁能源，实现了烟叶烘烤的废物零排放，社会、环境和经济效益显著。根据四段六步法的烘烤工艺温湿度的要求，控制压缩机自动开关机，保证烤房内的温度平衡，从根本上杜绝了烤青和挂灰问题。整个烘烤过程人员少，自动化程度高，烘烤人员成本降低显著。

从烤后中部烟叶的外观品质评价来看，EAC- HTCS 智能变频除湿热泵烤房烤出的烟叶品质明显优于煤源烤房，烤后色泽鲜亮而饱满，叶片正反面颜色均匀，油分足而柔软，组织结构疏松。变频热泵烤房控温精准，叶片变黄充分，烤后烟叶中上等比例高于煤源烤房，经济效益提高显著。通过中部烟叶的产值比分析，EACHTCS 智能变频除湿热泵烤房控温精准，温湿度均衡提升，明显提高了烟叶的烘烤质量，烘烤后，中上等烟叶的比例很高。结合评吸结果看，EACHTCS 智能变频除湿热泵烤房，在节约成本的同时，明显提高了初烤烟叶的评吸品质。研究结果与张纪利等[10]相关研究得出的结论基本相同。

4.2结论

EACHTCS 智能变频除湿热泵烤房以变频热泵代替定频热泵提供热源，实现了节能降耗；由开路排风式排湿优化为闭路除湿，烘烤冷凝过程中热量得到回收利用，废水及废气实现零排放；顶部安装多孔式分风板，配合五层交叉移动挂烟方式，可显著降低烘烤过程叶间风速；使用变频风机代替高低速风机，保证了烘烤全过程最佳风速匹配，进一步提升了烤后烟叶质量。

EACHTCS 智能变频除湿热泵烤房具有节能减排、提质增效的优点。与传统燃煤型密集烤房相比，能耗成本可降低40%以上；与普通热泵烤房相比，节能效果可达10%以上。烤后烟叶结构疏松，香气量足，油分增多，上等烟比例可提高3%～5%。该型烤房可为优化当前密集烤房供热方式、改善烘烤性能、推动烟叶烘烤降本增效提供借鉴。

参考文献：

[1]董贤春，刘兰明，周红权，等.太阳能-电热泵技术在烟叶烤房中的应用［J］.湖北农业科学，2010（2）：461−464.

[2]宫长荣，潘建斌.热泵型烟叶自控烘烤设备的研究［J］.农业工程学报，2003

[3]吕君，魏娟，张振涛，等.热泵烤烟系统性能的试验研究［J］.农业工程学报，2012（S1）：63−67.

[4]聂荣邦，王政，韦建玉，等.空气能热泵密集烤房研制及其烟叶烘烤效果［J］.作物研究，2017（2）：178−180.

[5]李志国，罗会龙，邹聪明，等.闭式热风循环密集烤房热泵烘烤节能性与经济性分析研究［J］.西南农业学报，2021（4）：842−846.

[6]赵新帅.闭式热风循环密集烤房热泵除湿系统性能研究研究［ D］.昆明：昆明理工大学建筑工程学院，2019：7−8.

[7]王晓路.航天器变频回热热泵系统研究［ D］.南京：南京理工大学，2010.

[8]希普.热泵［ M］.张在明，译.北京：化学工业出版社，1984.

[9]任杰，曹亚凡，卢晓华，等.可调节气流方向的闭式循环热泵烤房的设计应用［J］.烟草科技，2019（8）：83−88.

[10]张纪利，孙成林，韦建玉，等.可变频热泵密集烤房烟叶烘烤性能及效益分析［J］.作物研究，2023（1）：49−54.

（责任编辑：林玲娜）