新能源熱泵烤房與燃煤烤房、生物質(zhì)烤房烘烤效果對比研究

王攀 朱云 郎沖沖 董國輝 牛天寶

摘要：為探究新能源熱泵烤房在云南省楚雄州煙葉烘烤基地推廣使用的價值，進行了新能源熱泵烤房與燃煤烤房、生物質(zhì)烤房的烘烤效果對比試驗。試驗設置3個處理，分別為密集型燃煤烤房（CK1）、密集型生物質(zhì)烤房（CK2）、密集型新能源熱泵烤房（T）。對3個處理的效率指標、效益指標和效果指標進行了對比分析，結果表明：與燃煤烤房、生物質(zhì)烤房相比，新能源熱泵烤房能提高烘烤效率;新能源熱泵烤房的單位干煙能耗用工成本比燃煤烤房、生物質(zhì)烤房分別降低0.58、0.71元/kg，降幅達29.59%、33.97%;從綜合成本來看，新能源熱泵烤房省工降本的優(yōu)勢能彌補其建造成本過高的短板;與燃煤烤房、生物質(zhì)烤房相比，新能源熱泵烤房的上等煙比例顯著提高了6.33、4.06百分點，下等煙比例顯著降低了4.65、3.02百分點，烤后煙葉均價分別提高2.41、1.37元/kg，烤后煙葉感官綜合評吸得分較高，主要化學成分含量更加適宜，比例更為協(xié)調(diào)。總體來看，新能源熱泵烤房與燃煤烤房、生物質(zhì)烤房相比，省工降本，提質(zhì)增效，適合在該烤煙基地推廣使用。

關鍵詞：熱泵烤房;煙葉;烘烤;綜合成本;效益指標

中圖分類號：TS43 ??文獻標志碼： A ?文章編號：1002-1302（2020）17-0240-05

現(xiàn)階段，云南省楚雄州煙葉烘烤基地的烤煙能源消耗，依然以煤炭和生物質(zhì)顆粒燃料為主、電能為輔。由于燃煤烤房自動化程度極低，人工加煤方式具有不精確性，加上煤炭燃燒供熱滯后，極易造成烤房溫度大幅波動，導致煙葉烘烤質(zhì)量較差、人工成本較高、環(huán)境污染嚴重等問題[1-2]。而生物質(zhì)顆粒燃料由于其原料來源不穩(wěn)定，價格波動較大，進一步推廣還存在較大局限性[3]。

20世紀90年代以來，國內(nèi)外科學工作者在拓展熱泵干燥技術應用范圍方面做了許多研究，有效地促進了熱泵烤房的推廣與應用[4]。典型的熱泵煙葉烤房系統(tǒng)由熱泵供熱子系統(tǒng)和熱風干燥子系統(tǒng)組成。熱泵供熱子系統(tǒng)對應制冷劑回路，由壓縮機、蒸發(fā)器、冷凝器、節(jié)流閥等主要部件組成。壓縮機消耗電能做功，將低溫低壓制冷劑壓縮成高溫高壓的制冷劑蒸汽，然后進入冷凝器將熱量傳給熱風回路中的空氣。冷凝后的制冷劑進入節(jié)流閥，節(jié)流降壓后再進入蒸發(fā)器，完成一個制熱循環(huán)[5]。熱風干燥子系統(tǒng)對應熱風回路，熱風回路中的空氣流經(jīng)冷凝器吸熱升溫，相對濕度下降，在循環(huán)風機的作用下送入裝煙室，對煙葉進行干燥。從裝煙室出來的濕熱空氣再經(jīng)蒸發(fā)器將部分顯熱和潛熱傳給制冷劑，達到回收余熱的目的[6]。同時，濕空氣的溫度降至露點析出冷凝水，達到除濕的目的[7]。胡小東等研究認為，熱泵烤房裝煙室內(nèi)部平面溫差和垂直溫差較小，烤后煙葉外觀質(zhì)量較好，中上等煙比例更高[8-9]。田效園等研究認為，熱泵烤房烤后的煙葉評吸質(zhì)量較好，化學成分更為適宜，且具有節(jié)能、環(huán)保等優(yōu)點[10-11]。陳紅麗等研究認為，與普通烤房相比，熱泵烤房提質(zhì)增效的效果顯著，所烤煙葉綜合質(zhì)量明顯優(yōu)于普通烤房[12]。以上關于熱泵烤房的研究多側重于應用理論分析或單方面烘烤性能的測試，而對熱泵烤房的效率、效益、效果指標缺乏較為系統(tǒng)的對比分析。鑒于此，本研究立足云南省楚雄州煙葉烘烤基地的實際情況，對比研究新能源熱泵烤房與燃煤烤房、生物質(zhì)烤房的實際烘烤效果，以期為該烤煙基地生產(chǎn)達成“減工降本、提質(zhì)增效”的目標，并為新能源熱泵烤房的推廣與使用提供理論指導與事實依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗于2018年7—8月在云南省楚雄州煙葉烘烤基地進行。供試烤房共3種，即密集型燃煤烤房、密集型生物質(zhì)烤房、密集型新能源熱泵烤房。3種烤房均為氣流下降式，裝煙室均為2路3層設計。供試煙葉品種為K326中部煙葉。3種烤房具體規(guī)格參數(shù)見表1。

1.2 試驗設計

試驗設置3個處理：密集型燃煤烤房（CK1）;密集型生物質(zhì)烤房（CK2）;密集型新能源熱泵烤房（T）。選取長勢均勻一致的煙田，待煙葉正常成熟落黃后采收，并全部采用煙夾編煙。3種烤房裝煙桿數(shù)基本相同，并都按K326煙葉烘烤技術標準進行烘烤。每處理烤房選取等級為C3F的烤后煙葉各2 kg，用于效果指標的測定。另選取15夾具有位置代表性的煙夾進行標記，用于經(jīng)濟性狀統(tǒng)計分析。

1.3 測定指標與方法

1.3.1 效率指標 效率指標包括3個處理烤房的不同烘烤階段用時、總烘烤用時及單位干煙烘烤用時。

1.3.2 效益指標

1.3.2.1 烘烤成本 （1）建造成本。2018年7月新能源熱泵烤房在楚雄州煙葉烘烤基地建造竣工。建造成本數(shù)據(jù)由云南省楚雄州煙葉烘烤基地提供。（2）用工與能耗成本。能耗成本包括用煤量、用生物質(zhì)顆粒燃料量和用電量，集中統(tǒng)計后按單座烤房進行折算[13]。用工成本由云南省楚雄州煙葉烘烤基地統(tǒng)一核算，再折算成單炕用工費用。（3）綜合成本。包括烤房的使用成本、能耗成本以及用工成本。

1.3.2.2 烤后煙葉經(jīng)濟性 參照GB 2635—1992《烤煙》對烤后煙葉進行分級，確定煙葉等級，并根據(jù)當?shù)乜緹熓召弮r格確定均價。

1.3.3 效果指標

1.3.3.1 外觀質(zhì)量 由基地專業(yè)烘烤人員從顏色、成熟度、結構、身份、油份、色度6個指標進行評價，其權重分別為0.30、0.25、0.15、0.12、0.10、0.08。

1.3.3.2 評吸質(zhì)量 由基地專業(yè)評吸人員對烤后煙葉進行評吸。評吸結果從香氣質(zhì)、香氣量、余味、刺激性、雜氣等方面對烤后煙葉打分，根據(jù)平均分的高低來確定煙葉評吸質(zhì)量的優(yōu)劣[14]，并參照王彥亭等的9分制標準進行評吸打分[15]。

1.3.3.3 化學成分 取C3F等級煙葉1 kg，送技術中心測定其化學成分（總糖、還原糖、淀粉、總氮、煙堿、鉀、氯含量共計7項指標）。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計

采用Excel、SPSS軟件進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計與方差分析。

2 結果與分析

2.1 效率指標

由表2可知，各處理變黃期長達88.74～95.42 h，可能與煙葉成熟期遭遇干旱，含水量減少，成熟期煙葉變黃難等因素有關。T處理能在一定程度上縮短烘烤用時，較CK1、CK2處理顯著縮短14.13、7.54 h（P<0.05）。T處理單位時間內(nèi)烘烤干煙量較CK1、CK2處理分別增長0.28、0.14 kg/h?？梢?，與燃煤烤房、生物質(zhì)烤房相比，新能源熱泵烤房能在一定程度上提高烘烤效率。

2.2 效益指標

2.2.1 烘烤成本

2.2.1.1 建造成本 密集型燃煤烤房的單座建造成本約為32 000元/座，使用年限為10年。生物質(zhì)烤房由燃煤烤房改造而成，將生物質(zhì)顆粒燃燒機與爐膛口對接，即作為熱源產(chǎn)生明火。生物質(zhì)烤房的建造成本和使用年限與燃煤烤房基本一致。密集型新能源熱泵烤房的單座建造成本約為70 000元/座，使用年限為15年。按烘烤能力1.33 hm2計算，其單位建造成本（烘烤667 m2煙田的烤房建造成本）分別是1 604.4元、3 510.8元。綜合考慮使用年限及頻次（按7次/年計算），燃煤烤房單次使用成本為457.1元/次，熱泵烤房則為666.7元/次，較燃煤烤房增加了45.85%。由此可見，較高的建造成本可能會成為新能源熱泵烤房推廣使用的強力阻礙因素。

2.2.1.2 用工與能耗成本 由表3可知，與CK1、CK2處理相比，T處理的智能化程度更高，避免了人工清灰、加燃料等環(huán)節(jié)，能有效降低人工成本，降幅達57.55%、41.36%。由于生物質(zhì)顆粒燃料的價格遠高于燃煤，造成CK2處理烘烤成本顯著高于CK1、T處理。T處理的單位干煙成本僅為 1.38元/kg，較CK1、CK2處理分別降低0.58、0.71元/kg，降幅達29.59%、33.97%，省工降本效果顯著。由熱泵的工作原理可知，熱泵的制熱系數(shù)隨環(huán)境溫度的升高相應升高，其節(jié)能效果也更加顯著。每年6—9月的煙葉烘烤季節(jié)，云南省楚雄州處于較炎熱的夏秋季節(jié)，環(huán)境溫度較高，因而熱泵應用于煙葉烘烤具有獨特的節(jié)能優(yōu)勢。

2.2.1.3 綜合成本 綜合成本指烤房的使用、烘烤能耗及用工成本。由以上分析可知，燃煤烤房、新能源熱泵烤房的干煙使用成本為0.65、0.94元/kg。因此，燃煤烤房、新能源熱泵烤房的干煙綜合成本為2.61、2.32元/kg。從綜合成本來看，新能源熱泵烤房省工降本的優(yōu)勢能彌補其建造成本過高的短板，隨著現(xiàn)代煙草業(yè)對可持續(xù)發(fā)展要求的不斷提高，建造成本還將因各種政策補貼而大幅下降，因此新能源熱泵烤房適合在云南省楚雄州煙葉烘烤基地推廣使用。

2.2.2 烤后煙葉經(jīng)濟性比較 由表4可知，T處理烤后煙葉上、下等煙比例相比CK1、CK2處理差異達顯著水平，上等煙比例比CK1、CK2處理顯著提高6.33、4.06百分點，下等煙比例比CK1、CK2處理顯著減少4.65、3.02百分點;T處理中等煙比例相比CK1、CK2處理差異不顯著;T處理煙葉均價顯著高于CK1、CK2處理，提高了9.56%、5.22%?？傊?，新能源熱泵烤房由于溫度控制更為精確，上等煙率均顯明增加，下等煙率明顯減少，無雜色煙。而燃煤烤房受煤炭燃燒供熱的滯后性影響，在烘烤中出現(xiàn)了較多的下等煙和少量的雜色煙。可見，使用新能源熱泵烤房烘烤中部煙葉的經(jīng)濟性較好。

2.3 效果指標

2.3.1 外觀質(zhì)量 由表5可知，與CK1處理相比，T處理在一定程度上改善了煙葉的結構、顏色、身份和油份，尤其對油份的改善最為明顯;T處理烤后煙葉外觀質(zhì)量綜合評分均高于CK1、CK2處理。可見，新能源熱泵烤房能有效改善煙葉外觀質(zhì)量，對提高煙葉的工業(yè)可用性具有明顯效果。

2.3.2 評吸質(zhì)量 評吸質(zhì)量根據(jù)優(yōu)質(zhì)煙評吸標準，煙葉以雜氣及刺激性小、燃燒性好、灰色白、香氣質(zhì)好、香氣量足、香氣濃為最佳。由表6可知，T處理烤后煙葉的感官評吸得分高于CK1、CK2處理，表現(xiàn)在較好的香吃味，突出表現(xiàn)在香氣質(zhì)較好，香氣量較足，雜氣及刺激性較小，余味更純凈舒適。

2.3.3 化學成分 主要化學成分含量的高低及其是否協(xié)調(diào)是決定煙葉內(nèi)在品質(zhì)的關鍵因素?？緹熯m宜的化學成分含量分別為：煙堿含量約2.50%，總氮/煙堿約1.00，總糖含量為24.00%～28.00%，還原糖含量為18.00%～24.00%，還原糖/煙堿為8.00～12.00，鉀含量高于1.50%，氯含量低于0.80%，鉀/氯大于4.00，淀粉含量在5.00%以下[16]。由表7可知，與CK1、CK2處理相比，T處理烤后煙葉總糖和還原糖含量均有所增加，差異顯著;煙堿、總氮、淀粉含量則在一定程度上有所降低，差異也達顯著水平;不同處理的氯、鉀含量無顯著差異;化學成分含量均在較適宜范圍內(nèi)，主要化學成分比例（總氮/煙堿、還原糖/煙堿、鉀/氯）協(xié)調(diào)性較好。這可能與新能源熱泵烤房對溫度、濕度、時間以及通風的控制更加精確有關，烘烤過程中煙葉生理生化的變化控制在較合理的范圍。

3 結論與討論

試驗結果表明，新能源熱泵烤房能在一定程度上提高烘烤效率。新能源熱泵烤房升溫快、保溫性能好、溫度控制精準、智能化程度高，能有效減少用工費用50%以上。新能源熱泵烤房的單位干煙能耗與用工成本僅為1.38元/kg，較燃煤、生物質(zhì)烤房分別降低0.58、0.71元/kg，降幅達29.59%、33.97%。從綜合成本來看，新能源熱泵烤房省工降本的優(yōu)勢能彌補其建造成本過高的短板;顯著提高了上等煙比例和煙葉均價;烤后煙葉顏色更均勻、結構疏松、油份足，主要化學成分含量更加適宜，比例更為協(xié)調(diào);烤后煙葉感官綜合評吸得分較高，體現(xiàn)出較好的香吃味，突出表現(xiàn)在香氣質(zhì)較好、香氣量較足、透發(fā)性較好、雜氣及刺激性較小、余味更純凈舒適[17]。

新能源熱泵烤房供熱系統(tǒng)由熱泵一體機機組組成，集成了熱泵供熱子系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、余熱回收系統(tǒng)以及自動排濕系統(tǒng)于一體。根據(jù)烘烤工藝要求，控制系統(tǒng)對裝煙室內(nèi)的溫濕度進行自動精準調(diào)控，可實現(xiàn)烘烤工藝參數(shù)的設置及烘烤過程中溫濕度變化的記錄、查詢。應用高溫高壓制冷壓縮機、混合工質(zhì)及CO2等中高溫工質(zhì)提高供熱溫度，逐漸成為熱泵研究領域的研究熱點[18]。目前，國內(nèi)外均已成功研制出各種中高溫熱泵工質(zhì)[19]，如零ODP的中高溫熱泵工質(zhì)HTR04[20]。此外，以CO2為工質(zhì)的跨臨界循環(huán)熱泵系統(tǒng)也日益成熟，以CO2為工質(zhì)的熱泵熱水器最高供熱溫度可達90 ℃左右[21]。目前在烤煙密集烘烤方面，占主導地位的三段式烘烤工藝各階段密集型烤房內(nèi)的溫度為38～68 ℃。對于這樣的烘烤溫度，采用CO2等中高溫工質(zhì)的高溫空氣源熱泵系統(tǒng)，可很好地滿足烤煙密集烘烤對干燥溫度的要求。

由熱泵的工作原理可知，高溫空氣源熱泵的制熱系數(shù)隨環(huán)境溫度的升高而升高，相應地其節(jié)能效果也更加顯著。在每年6—9月的煙葉烘烤季節(jié)，國內(nèi)各主要煙區(qū)均處于炎熱的夏秋季節(jié)，環(huán)境溫度較高。因此，高溫空氣源熱泵應用于煙草的干燥具有獨特的優(yōu)勢。綜上所述，利用高溫空氣源熱泵進行烤煙烘烤，無論在資源上、技術上還是經(jīng)濟上均是可行的。另外，隨著國家節(jié)能環(huán)保政策實施，建造成本也必將因各種政策補貼而大幅度下降。綜上所述，新能源熱泵烤房在云南省楚雄州煙葉烘烤基地乃至全云南省都具有廣闊的推廣應用前景。

參考文獻：

[1]周孚美，谷云松，李丁華，等. 空氣能熱泵式與燃煤密集型烤房的烘烤效果對比[J]. 浙江農(nóng)業(yè)科學，2017，58（11）：2039-2041，2045.

[2]茍文濤，王曉劍，鐘俊周，等. 生物質(zhì)燃料替代煤炭在煙葉烘烤中的應用[J]. 華北農(nóng)學報，2017，32（增刊1）：239-244.

[3]許錫祥，陳承亮，呂作新，等. 幾種新型密集烤房烘烤效果比較[J]. 中國煙草科學，2017，38（5）：82-86.

[4]聶榮邦，王 政，韋建玉，等. 空氣能熱泵密集烤房研制及其煙葉烘烤效果[J]. 作物研究，2017，31（2）：178-180.

[5]趙金輝，孫帥杰 .熱泵節(jié)能型烤煙技術的應用[J]. 低溫建筑技術，2017，39（9）：137-140.

[6]王娓娓，王高杰，焦桂珍，等. 空氣源熱泵烤房與密集式烤房烤后煙葉質(zhì)量對比[J]. 山西農(nóng)業(yè)科學，2014，42（5）：493-496.

[7]劉 林，王 強. 熱式熱泵干燥裝置的設計分析[J]. 制冷與空調(diào)（四川），2018，32（5）：520-523.

[8]胡小東，晏 飛，鄒聰明，等. 清潔能源在烤煙密集烤房中的應用研究進展[J]. 貴州農(nóng)業(yè)科學，2017，45（5）：132-138.

[9]王晉軍，徐立猛，張 銳，等. 朝陽地區(qū)煙葉密集烘烤裝煙密度的研究[J]. 湖南農(nóng)業(yè)科學，2013（6）：18-20.

[10]田效園，李許濤，高相彬，等. 熱泵與燃煤密集烤房烘烤效益對比與研究[J]. 安徽農(nóng)業(yè)科學，2016，44（6）：106-108.

[11]譚 波. 熱泵烤房對煙葉烘烤質(zhì)量的影響[J]. 安徽農(nóng)業(yè)科學，2018，46（8）：191-192，217.

[12]陳紅麗，張兆揚，程相紅，等. 熱泵烤房與燃煤烤房應用效果對比研究[J]. 河南農(nóng)業(yè)科學，2015，44（12）：135-139.

[13]徐成龍，蘇家恩，張聰輝，等. 不同能源類型密集烤房烘烤效果對比研究[J]. 安徽農(nóng)業(yè)科學，2015，43（2）：264-266.

[14]高家合，劉運國，李梅云，等. 鉀肥對烤煙根系和煙葉產(chǎn)質(zhì)量的影響及其關系研究[J]. 中國煙草科學，2010，31（2）：24-28.

[15]王彥亭，謝劍平，李志宏. 中國煙草種植區(qū)劃[M]. 北京：科學出版社，2010：34-37.

[16]韋 忠，高華軍，范東升，等. 生物質(zhì)顆粒燃料烘烤煙葉的效果分析[J]. 南方農(nóng)業(yè)學報，2017，48（12）：2228-2233.

[17]孟智勇，宗勝杰，高相彬，等. 熱泵密集烤房不同烘烤工藝效果比較[J]. 江蘇農(nóng)業(yè)科學，2019，47（22）：247-251.

[18]Kim S C，Kim M S，Hwang I C，et al. Heating performance enhancement of a CO2 heat pump system recovering stack exhaust thermal energy in fuel cell vehicles[J]. International Journal of Refrigeration，2007，30（7）：1215-1226.

[19]Sarkar J，Bhattacharyya S. Assessment of blends of CO2 with butane and isobutane as working fluids for heat pump applications[J]. International Journal of Thermal Sciences，2009，48（7）：1460-1465.

[20]昝 成，史 琳. 零ODP的中高溫熱泵工質(zhì)HTR04實驗研究[J]. 工程熱物理學報，2007，28（6）：919-921.

[21]Yokoyama R，Wakui T，Kamakari J，et al. Performance analysis of a CO2 heat pump water heating system under a daily change in a standardized demand[J]. Energy，2010，35（2）：718-728.