熱泵密集烤房節(jié)能應(yīng)用分析

劉向偉，王世偉，李栓柱，陳 寧，孫云龍

(洛陽雙瑞特種裝備有限公司，河南 洛陽 471000)

隨著煙草烘烤技術(shù)的發(fā)展，空氣源熱泵技術(shù)成為烤煙節(jié)能、煙葉品質(zhì)提升的新途徑。近些年，空氣源熱泵逐漸在密集型烤房上應(yīng)用，以替換傳統(tǒng)的燃煤烤房。煙葉使用熱泵烘烤，是農(nóng)產(chǎn)品烘干領(lǐng)域的焦點(diǎn)。通過熱泵企業(yè)的研發(fā)，煙葉烘烤熱泵技術(shù)逐漸成熟，與2009年國家煙草局公布的418號文件規(guī)定的密集型烤房，正在煙區(qū)逐步推廣。

目前市場上應(yīng)用的熱泵烤房主要為開式循環(huán)，存在系統(tǒng)簡單、沒有余熱除濕利用、熱量大量排出、熱能損失大、熱能利用率低、不能遠(yuǎn)程操控等問題。傳統(tǒng)烤房內(nèi)各處溫差較大，用傳統(tǒng)烤房烘烤煙葉時(shí)，容易出現(xiàn)青筋煙和紅焦煙等低等級煙葉，同時(shí)存在排濕不暢、升溫困難等問題。傳統(tǒng)烤房是利用外部冷空氣直接進(jìn)入烤房形成對流來實(shí)現(xiàn)排濕的，熱能利用率低，熱量大量從煙囪排出，熱能損失大。整個(gè)烤煙過程工藝都是憑煙農(nóng)經(jīng)驗(yàn)和感覺進(jìn)行溫濕度控制，人為控制，降低了煙葉品位，煙葉質(zhì)量參差不齊，除濕模式單一，烘干除濕，效率較低、效果較差，嚴(yán)重影響煙農(nóng)的經(jīng)濟(jì)收入。綜上，熱泵烤房仍有較大改進(jìn)潛力[1]。運(yùn)行開式排濕時(shí)，由于排濕口設(shè)置于烤房上，無余熱回收及二次熱回收功能，導(dǎo)致熱損失較大，能耗較高。

根據(jù)以上情況，開發(fā)出具有回收濕熱節(jié)能降耗的方案，方案采用回?zé)峒跋嘧兡芰垦h(huán)技術(shù)，定向開發(fā)節(jié)能型烤煙系統(tǒng)。

1 材料與方法

1.1 密集烤房結(jié)構(gòu)及工作原理

目前市場上應(yīng)用的熱泵烤房結(jié)構(gòu)如圖1所示。該烤房由加熱室、裝煙室、熱泵機(jī)組組成，具體包括熱泵主機(jī)、循環(huán)風(fēng)機(jī)、冷凝器、電加熱器、排濕口、新風(fēng)口等。烤房熱進(jìn)風(fēng)在烤房內(nèi)部循環(huán)，回風(fēng)首先在空氣源熱泵系統(tǒng)中的冷凝器中被加熱至一定溫度，再通過電加熱器進(jìn)行輔助加熱，最終加熱到設(shè)定送風(fēng)溫度，然后通過循環(huán)風(fēng)機(jī)進(jìn)入烤房[2]。

圖1 空氣源熱泵原理Fig.1 Principle diagram of air source heat pump

圖1中，常規(guī)空氣源熱泵烤房的熱風(fēng)來自空氣源熱泵系統(tǒng)，蒸發(fā)器、冷凝器、壓縮機(jī)和節(jié)流機(jī)構(gòu)4大部件組成了空氣源熱泵系統(tǒng)。在空氣源熱泵系統(tǒng)中，低溫低壓的液體制冷劑進(jìn)入蒸發(fā)器吸收環(huán)境空氣的熱量，制冷劑蒸發(fā)變成中溫低壓蒸氣，壓縮機(jī)消耗電能對氣態(tài)制冷劑做功，制冷劑蒸氣壓力和溫度均升高，然后高溫高壓的制冷劑蒸氣進(jìn)入冷凝器凝結(jié)放熱，制冷劑放熱的過程對冷凝器另一側(cè)的回風(fēng)進(jìn)行加熱，使回風(fēng)升高至一定溫度，凝結(jié)成液體的制冷劑經(jīng)過節(jié)流機(jī)構(gòu)節(jié)流，重新變成低溫低壓液體，再進(jìn)入蒸發(fā)器吸熱。如此不斷循環(huán)，實(shí)現(xiàn)從蒸發(fā)器側(cè)吸熱到冷凝器側(cè)放熱的熱力循環(huán)過程[3]。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

在河南許昌、洛陽進(jìn)行實(shí)物烘烤測試，對中部煙和上部煙各測試1次。每炕裝煙約4 t進(jìn)行試驗(yàn)，分別從烤煙能耗、自控使用、溫控精度、烘烤工藝、大貨煙葉烘烤效果等方面展開。在烤房內(nèi)部不同位置設(shè)置干濕球溫度傳感器、稱重傳感器、攝像頭等儀器設(shè)備，監(jiān)控測試各項(xiàng)烘烤指標(biāo)。實(shí)物烘烤后進(jìn)行專業(yè)的煙葉質(zhì)量、化學(xué)分析等，科學(xué)分析烘烤質(zhì)量。

2 結(jié)果及分析

2.1 負(fù)載條件下熱泵烤房的性能測試

經(jīng)過多炕的烘烤測試，進(jìn)行供熱性能、穩(wěn)溫性能分析。在烤房裝煙狀態(tài)下，記錄裝入烤房的煙葉部位、裝桿數(shù)，測試鮮煙量、干煙量、烤煙能耗、單位水分蒸發(fā)耗電量、干濕球控溫精度。統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果：平均失水能耗為0.30 kWh/kg，干煙能(最低)為1.3 kWh/kg，干球控溫精度±0.6℃；濕球控溫精度±0.5 ℃。煙葉烘烤現(xiàn)場試驗(yàn)如圖2所示。

圖2 煙葉烘烤現(xiàn)場試驗(yàn)Fig.2 Field test of tobacco leaf curing

2.2 烘烤煙葉化學(xué)成分、感官質(zhì)量分析

烘烤煙葉外觀質(zhì)量見表1。

表1 煙葉外觀質(zhì)量Tab.1 Tobacco appearance quality

由表1中看出，許昌2組開閉結(jié)合與開式烤房對比試驗(yàn)，開閉結(jié)合烤房烤后煙葉顏色金黃，成熟度在“成熟”檔次，葉片結(jié)構(gòu)在“疏松”檔次，身份在“稍薄”檔次上限，油分在“有”檔次中下限，色度在“中”檔次中下限。開式烤房烤后煙葉雜色煙葉比例較大，成熟度在“尚熟”檔次中限，葉片結(jié)構(gòu)在“尚疏松”檔次中限，身份在“稍薄”檔次上限，油分在“稍有”檔次中限，色度在“弱”檔次中限。

與開式烤房相比，開閉結(jié)合烤房烤后煙葉顏色相對純正，有較高的成熟度，葉片結(jié)構(gòu)相對疏松，身份相當(dāng)，油潤感較好，總體外觀質(zhì)量較好。節(jié)能型熱泵密集烤房烤后煙葉從外觀質(zhì)量上有所提升。綜上，采用熱泵的煙草密集烤房各項(xiàng)外觀指標(biāo)更協(xié)調(diào)。

煙葉主要化學(xué)成分含量見表2，煙葉主要化學(xué)成分協(xié)調(diào)性指標(biāo)見表3。

表2 煙葉主要化學(xué)成分含量Tab.2 Content of main chemical components in tobacco leaves %

表3 煙葉主要化學(xué)成分協(xié)調(diào)性指標(biāo)Tab.3 Coordination index of the main chemical components of tobacco leaves

由表2、表3中看出，洛陽產(chǎn)區(qū)開閉結(jié)合烤房，煙堿、總氮和蛋白質(zhì)含量較低，還原糖含量較適宜，糖堿比值較高，氮堿比值和兩糖比值基本適宜。許昌2組開閉結(jié)合與開式烤房對比試驗(yàn)平均，開閉結(jié)合烤房烤后煙葉的煙堿、總氮和蛋白質(zhì)含量較開式烤房略低，總糖含量和還原糖、糖堿比值相對較高，氮堿比值和兩糖比值基本相當(dāng)，煙葉化學(xué)成分相對適宜。

從表2可以看出，第1炕，傳統(tǒng)熱泵密集烤房烤后煙葉總糖含量為20.1%，還原糖含量16.7%，而節(jié)能型熱泵密集烤房烤后煙葉總糖含量為24.1%，還原糖含量為18%，分別比傳統(tǒng)熱泵密集烤房含量高4個(gè)百分點(diǎn)和1.3個(gè)百分點(diǎn)，通常認(rèn)為烤后煙葉中兩糖含量較高時(shí)品質(zhì)較好。熱泵密集烤房烤后煙葉糖堿比為9.08，傳統(tǒng)熱泵密集烤房烤后煙葉糖堿比為7.09。節(jié)能型熱泵密集烤房烤后煙葉總氮含量最低為1.94，與傳統(tǒng)熱泵密集烤房相比較小，能夠降低煙葉的刺激性。綜上，熱泵密集烤房各項(xiàng)化學(xué)指標(biāo)相對協(xié)調(diào)，內(nèi)在品質(zhì)較高。

煙葉感官質(zhì)量評價(jià)結(jié)果見表4。從表4可看出，采用熱泵的煙草密集烤房與燃煤密集烤房烤后煙葉的勁頭、濃度評吸一致。表4中，洛陽產(chǎn)區(qū)開閉結(jié)合烤房烤后煙葉香氣質(zhì)中偏上，香氣量尚足，雜氣有，刺激性有，余味尚舒適。許昌2組開閉結(jié)合與開式烤房對比試驗(yàn)平均，開閉結(jié)合烤房烤后煙葉香氣質(zhì)中偏上，香氣量尚足，雜氣有，刺激性有，余味尚舒適；開式烤房烤后煙葉香氣質(zhì)中偏上香氣量尚足，雜氣有，刺激性有，余味尚舒適。

表4 煙葉感官質(zhì)量評價(jià)結(jié)果Tab.4 Sensory quality evaluation results of tobacco leaf

與開式烤房相比，許昌產(chǎn)區(qū)開閉結(jié)合烤房烤后煙葉的香氣質(zhì)略好，香氣量相當(dāng)，雜氣較輕，刺激性較小，余味舒適性略好，總體感官質(zhì)量較好。

節(jié)能型熱泵密集烤房烤后煙葉的香氣量充足，香氣質(zhì)好，余味大，雜氣少，刺激性小。說明，熱泵密集烤房更有利于烤后煙葉的香氣物質(zhì)的轉(zhuǎn)化積累。

從以上數(shù)據(jù)可以看出，采用節(jié)能型空氣源熱泵技術(shù)的烤房在烤煙質(zhì)量、化學(xué)品質(zhì)、評吸等方面優(yōu)于目前常規(guī)的開式烘烤模式，有利于提高煙葉品質(zhì)[4]。

3 社會(huì)與經(jīng)濟(jì)效益分析

3.1 經(jīng)濟(jì)效益分析

3.1.1 運(yùn)行成本估算

(1)節(jié)能型空氣源熱泵烤房。采用熱泵烘烤，1人可監(jiān)控20座以上烤煙房，煙葉烘烤周期為6～8 d(烘烤一炕干煙700 kg)。經(jīng)綜合核算，節(jié)能型空氣源熱泵密集烤房烘烤1 kg干煙葉總運(yùn)行成本為0.77元。

(2)傳統(tǒng)熱泵密集烤房。烘烤出1 kg干煙葉的能耗費(fèi)用為0.952元/kg。采用熱泵烘烤，1人大約可監(jiān)控20座以上烤煙房，煙葉烘烤周期為6～8 d(烘烤一炕干煙700 kg)。傳統(tǒng)熱泵密集烤房烘烤1 kg干煙葉總運(yùn)行成本為1.052元。

(3)燃煤密集烤房。烘烤1 kg干煙葉的耗電量為0.53 kWh/kg，耗煤量為1.37 kg/kg，電價(jià)按0.52元/kWh計(jì)算(省電網(wǎng)電價(jià)標(biāo)準(zhǔn)中農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用電電價(jià))，煤價(jià)按800元/t計(jì)算，烘烤出1 kg干煙葉的能耗費(fèi)用為1.371元/kg。采用燃煤烘烤，1人大約可監(jiān)控5座烤煙房，煙葉烘烤周期為6～8 d，烘烤1 kg干煙葉所需人工費(fèi)為0.4元(烘烤一炕干煙700 kg)。綜上，燃煤密集烤房烘烤1 kg干煙葉總運(yùn)行成本為1.771元。

由上述分析可以得出，節(jié)能型熱泵密集烤房的運(yùn)行成本與傳統(tǒng)熱泵密集烤房、燃煤烤房相比，節(jié)約率為28%、57%；若以每炕700 kg干煙葉的產(chǎn)量計(jì)算，則分別可節(jié)約147.5元、708元，節(jié)能效果明顯。

3.1.2 煙葉質(zhì)量等級分析

依據(jù)烘烤后煙葉的油分、色度、長度、成熟度、葉片厚度、葉片結(jié)構(gòu)、殘傷程度、煙葉香氣、化學(xué)成分等因素將煙葉劃分為上等煙、中等煙、下等煙、低等煙4個(gè)等級。煙葉質(zhì)量等級決定著煙葉生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)效益。由表4可以看出，相比傳統(tǒng)熱泵烤房，節(jié)能型熱泵烤房烘烤后的煙葉品質(zhì)普遍由于傳統(tǒng)的熱泵烤房[6-10]。

按最優(yōu)數(shù)據(jù)，烤煙價(jià)區(qū)中的C3F與C4F價(jià)格約為29元/kg，若按抽樣煙葉的品質(zhì)在整炕中的占比15%計(jì)，整炕煙葉品質(zhì)提升產(chǎn)生的收益為945元。

3.2 社會(huì)環(huán)保效益

傳統(tǒng)燃煤烤房加熱煙葉采用燃煤爐，燃燒后產(chǎn)生大量SO2、CO2、粉塵等污染物，造成嚴(yán)重的環(huán)境污染問題。采用熱泵烤房，高溫空氣源熱泵機(jī)組以空氣為熱源，只需消耗少量電能將空氣中的熱量轉(zhuǎn)移到烤煙房內(nèi)，避免了燃料運(yùn)輸、儲存、燃燒過程中的安全問題和環(huán)境污染問題，綠色環(huán)保[11-15]。

(1)節(jié)煤量分析。依據(jù)各類能源折算標(biāo)準(zhǔn)煤系數(shù)，電力折算標(biāo)準(zhǔn)煤系數(shù)為0.404 kg/kWh，原煤折算標(biāo)準(zhǔn)煤系數(shù)為0.714 3 kg/kg。采用節(jié)能型熱泵烤煙房，烘烤1 kg干煙葉的耗電量為1.30 kWh/kg，折合標(biāo)準(zhǔn)煤量為0.525 kg/kg；傳統(tǒng)熱泵烤房烘烤1 kg干煙葉的耗電量為1.83 kWh/kg，折合標(biāo)準(zhǔn)煤量為0.739 kg/kg；采用燃煤烤煙房烘烤1 kg干煙葉的耗電量為0.53 kWh/kg，耗煤量為1.37 kg/kg，折合標(biāo)煤1.19 kg/kg。

(2)污染物減排分析。按單炕房7炕次/年、700 kg/炕干煙葉計(jì)算，密集型烤房群1 000炕計(jì)，與傳統(tǒng)熱泵烤房、燃煤烤房對比，年節(jié)約標(biāo)煤量分別為1 048、3 258 t，少排放CO2約2 612、8 122.1 t，少排放SO2約23.06、71.6 t，減少粉塵排放10.48、32.58 t[16-20]。

由此可見，節(jié)能型熱泵密集烤煙房與傳統(tǒng)熱泵烤房、燃煤烤煙房相比，根據(jù)折算的節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤量，污染物減排效果明顯。若在全國大面積推廣，環(huán)保效益顯著。

4 結(jié)論

綜上所述，節(jié)能型空氣源熱泵烤房技術(shù)具備清潔、環(huán)保、節(jié)能、自動(dòng)化等優(yōu)勢，不僅可實(shí)現(xiàn)管控便捷，更提高了煙葉質(zhì)量，提升了煙葉等級。該項(xiàng)技術(shù)的推廣，將提高煙農(nóng)的科技素質(zhì)和煙葉烘烤的科技含量，推動(dòng)煙葉生產(chǎn)持續(xù)發(fā)展，促進(jìn)社會(huì)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展，持續(xù)增加農(nóng)民收入。