河南煙區(qū)空氣源熱泵密集烤房應(yīng)用實(shí)踐研究

李佳穎，張兆揚(yáng)，禹 洋，常劍波，程相國(guó)，秦偉樺，張 博*，王娓娓*

（1.河南省煙草公司 三門峽市公司，河南 三門峽 472000；2.河南省三門峽市煙草公司 澠池縣分公司，河南 澠池 472400；3.河南省煙草公司 南陽(yáng)市公司，河南 南陽(yáng) 473000）

烤煙調(diào)制與烤房設(shè)備密切相關(guān)。自2009年煙草行業(yè)出臺(tái)《密集烤房技術(shù)規(guī)范》以來(lái)，烤煙調(diào)制設(shè)施基本上實(shí)現(xiàn)了從傳統(tǒng)的自然通風(fēng)烤房到熱風(fēng)強(qiáng)制循環(huán)、自動(dòng)化程度高的密集烤房的演變［1］。在2018年以前，國(guó)內(nèi)密集烤房主要利用煤炭直接燃燒供熱。燃煤由于燃燒和升穩(wěn)溫不穩(wěn)定，不僅影響烤后煙葉質(zhì)量，而且供熱的熱能利用效率較低，環(huán)境污染嚴(yán)重［2-4］。隨著現(xiàn)代煙草農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展，以煤炭為主要能源的煙葉調(diào)制方式在資源利用、環(huán)境保護(hù)等方面已無(wú)法適應(yīng)煙葉高質(zhì)量發(fā)展的需求，在煙葉烘烤領(lǐng)域改變傳統(tǒng)的燃煤供熱方式，實(shí)現(xiàn)綠色、環(huán)保、節(jié)能的現(xiàn)代化的煙草農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式，成為今后密集烤房節(jié)能減排研究的重點(diǎn)和發(fā)展趨勢(shì)［5］。

近年來(lái)，生物質(zhì)、熱泵、太陽(yáng)能等清潔能源被逐步應(yīng)用于煙葉烘烤領(lǐng)域，其中熱泵烤房具有高效節(jié)能、舒適環(huán)保等特點(diǎn)，日益被烘烤從業(yè)人員推崇。熱泵烤房主要由壓縮機(jī)、冷凝器、節(jié)流裝置和蒸發(fā)器等核心部件組成，利用熱泵吸收空氣中的熱量，將其送入烤房加熱室內(nèi)，熱空氣通過(guò)煙層后返回烤房加熱室進(jìn)行循環(huán)［6］。河南煙區(qū)是黃淮平原的重要煙區(qū)之一，從2013年開始示范應(yīng)用熱泵密集烤房。2020年，河南煙區(qū)在許昌和三門峽設(shè)置了2處熱泵烤房“賽馬”試驗(yàn)平臺(tái)，開展賽馬比武和技術(shù)攻關(guān)，并于2020年底正式發(fā)布了空氣源熱泵密集烤房系列標(biāo)準(zhǔn)。在2020～2022年期間，河南煙區(qū)9個(gè)煙葉主產(chǎn)區(qū)改造了2.65萬(wàn)座燃煤烤房，新建了4000余座熱泵烤房，并于2021年開展了熱泵烤房跟蹤評(píng)價(jià)工作，全面梳理、系統(tǒng)總結(jié)了熱泵烤房在節(jié)能減排、減工降本、提升烘烤質(zhì)量和增加煙農(nóng)收入等方面的成效。以往熱泵技術(shù)專家和煙葉烘烤學(xué)者對(duì)熱泵烤房的研究多側(cè)重于應(yīng)用理論研究［6-7］、單方面烘烤性能測(cè)試［8-9］，以及某一產(chǎn)區(qū)熱泵烤房的效率、效益對(duì)比分析［10-12］。筆者立足于河南煙區(qū)的實(shí)際情況，對(duì)比研究了熱泵烤房在9個(gè)不同產(chǎn)區(qū)的能耗水平、用工成本、建設(shè)質(zhì)量等，以期為實(shí)現(xiàn)煙葉綠色烘烤目標(biāo)，并為熱泵密集烤房在其他省份主產(chǎn)煙區(qū)的推廣與應(yīng)用提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試樣本烤房從河南煙區(qū)3個(gè)片區(qū)、9個(gè)煙葉主產(chǎn)區(qū)的新建、改造熱泵烤房和燃煤烤房中選取，共選取125處熱泵烤房群、3092座熱泵烤房和22處燃煤烤房群、360座燃煤烤房開展跟蹤評(píng)價(jià)工作。

熱泵烤房裝煙室的規(guī)格均為8000 mm×2780 mm×3500 mm，熱泵機(jī)組額定制熱量＞40 kW，額定制熱性能系數(shù)COP≥4.0，其他相關(guān)參數(shù)的設(shè)置按照《空氣源熱泵密集烤房》 （Q/HNYC 050─2020）。

燃煤樣本烤房均為氣流下降式烤房，主體結(jié)構(gòu)為紅磚混凝土，使用金屬爐膛供熱；裝煙室規(guī)格為8000 mm×2700 mm×3500 mm，滿足鮮煙裝煙量4500 kg以上。

1.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)及方法

評(píng)價(jià)指標(biāo)主要包括能耗水平、用工成本、建設(shè)質(zhì)量。

1.2.1 能耗水平 以2021年度整個(gè)烘烤季節(jié)耗電量為評(píng)價(jià)指標(biāo)，統(tǒng)計(jì)烤房炕均耗電量和當(dāng)?shù)貙?shí)際電價(jià)水平。

1.2.2 用工成本 調(diào)查統(tǒng)計(jì)每名烘烤師可操作的熱泵烤房和燃煤烤房的數(shù)量，以及當(dāng)?shù)赜霉こ杀?，并折算為單座烤房炕均用工成本?/p>

1.2.3 建設(shè)質(zhì)量 對(duì)烤房群的整體建設(shè)情況進(jìn)行評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)內(nèi)容主要包括是否存在漏雨、漏氣和熱泵機(jī)組故障等質(zhì)量問(wèn)題。由烘烤師對(duì)烤房群的整體建設(shè)質(zhì)量進(jìn)行賦值打分，分為5個(gè)檔次，各檔次的評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)為：10分≥好≥9分、9分＞較好≥7分、7分＞一般≥5分、5分＞較差≥3分、3分＞差≥0分。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

通過(guò)采集供試烤房群烘烤基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和調(diào)查統(tǒng)計(jì)等方式，分析河南煙區(qū)9個(gè)產(chǎn)區(qū)新建和改造熱泵烤房的能耗水平、建設(shè)質(zhì)量等情況，并對(duì)比分析新建熱泵烤房（T1）、改造熱泵烤房（T2）和燃煤烤房（CK）在能耗成本、用工成本等指標(biāo)上的差異。其中豫西煙區(qū)包括三門峽、洛陽(yáng)、濟(jì)源；豫中煙區(qū)包括許昌、平頂山；豫南煙區(qū)包括南陽(yáng)、駐馬店、信陽(yáng)。供試烤房群及烤房的分布區(qū)域如表1所示。

表1 供試烤房群及烤房的分布區(qū)域

處理T1為新建熱泵烤房，設(shè)烤房群54處、烤房1280座；試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集地點(diǎn)主要分布在三門峽、洛陽(yáng)、許昌等6個(gè)產(chǎn)區(qū)。處理T2為改造熱泵烤房，設(shè)烤房群71處、烤房1812座；試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集區(qū)域在9個(gè)煙葉主產(chǎn)區(qū)均有設(shè)置。對(duì)照CK為燃煤烤房，設(shè)烤房群22處、烤房360座；試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集地點(diǎn)分布在三門峽、洛陽(yáng)、許昌等6個(gè)產(chǎn)區(qū)。

1.4 統(tǒng)計(jì)與分析

能耗成本、用工成本和建設(shè)質(zhì)量等試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理采用Excel 2013和SPSS Statistics 23.0等統(tǒng)計(jì)分析軟件。應(yīng)用Duncan氏新復(fù)極差法對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 能耗水平的對(duì)比分析

由表2可知：在2021年度整個(gè)烘烤季節(jié)，河南全省新建熱泵烤房耗電量的平均值為1342.5 kW·h，其中最小值為1000.0 kW·h，最大值為1900.0 kW·h，分別在許昌和三門峽產(chǎn)區(qū)；平均耗電量低于全省平均值的產(chǎn)區(qū)共計(jì)2個(gè)，分別為南陽(yáng)和許昌產(chǎn)區(qū)，其中南陽(yáng)煙區(qū)的平均耗電量最小，為1092.9 kW·h；高于全省平均值的產(chǎn)區(qū)共計(jì)4個(gè)，分別為三門峽、平頂山、洛陽(yáng)和駐馬店產(chǎn)區(qū)，其中三門峽產(chǎn)區(qū)的耗電量最大，為1585.6 kW·h。方差分析結(jié)果顯示：三門峽、洛陽(yáng)、平頂山和駐馬店產(chǎn)區(qū)的平均耗電量均與許昌、南陽(yáng)產(chǎn)區(qū)間差異顯著，在許昌和南陽(yáng)產(chǎn)區(qū)間差異顯著，這可能與產(chǎn)區(qū)的生態(tài)氣候條件和烘烤期間外界環(huán)境溫、濕度等因素有關(guān)。

表2 不同產(chǎn)區(qū)新建熱泵烤房的能耗水平

由表3可以看出：全省改造熱泵烤房耗電量的平均值為1766.3 kW·h，其中最小值和最大值均在洛陽(yáng)產(chǎn)區(qū)，分別為1200.0和2600.0 kW·h；平均耗電量低于全省平均值的產(chǎn)區(qū)共計(jì)3個(gè)，分別為南陽(yáng)、駐馬店和許昌產(chǎn)區(qū)，其中南陽(yáng)的平均耗電量最小，為1465.7 kW·h；高于全省平均值的產(chǎn)區(qū)共計(jì)5個(gè)，分別為三門峽、濟(jì)源、洛陽(yáng)、平頂山和信陽(yáng)產(chǎn)區(qū)，其中三門峽的平均耗電量最大，為2085.5 kW·h。方差分析結(jié)果表明：三門峽的平均耗電量與濟(jì)源間的差異不顯著，但與洛陽(yáng)等6個(gè)產(chǎn)區(qū)間的差異顯著；濟(jì)源與三門峽、洛陽(yáng)、平頂山間的差異均不顯著，但與許昌等4個(gè)產(chǎn)區(qū)間的差異顯著；洛陽(yáng)與濟(jì)源、平頂山間的差異均不顯著，但與三門峽等5個(gè)產(chǎn)區(qū)間的差異顯著；平頂山與洛陽(yáng)等4個(gè)產(chǎn)區(qū)間的差異不顯著，但與三門峽、濟(jì)源和南陽(yáng)這3個(gè)產(chǎn)區(qū)間的差異顯著；許昌、駐馬店和信陽(yáng)間的差異不顯著，且均與除平頂山外的其他4個(gè)產(chǎn)區(qū)間的差異顯著；南陽(yáng)與其他7個(gè)產(chǎn)區(qū)間的差異均顯著。

表3 不同產(chǎn)區(qū)改造熱泵烤房的能耗水平

由表4可知：新建熱泵烤房、改造熱泵烤房和燃煤烤房的炕均干煙量分別為450、500和500 kg，這可能與河南煙區(qū)新建熱泵烤房全部為3棚炕烤房，而改造熱泵烤房和燃煤烤房以4棚炕烤房居多有關(guān)。2021年度烘烤季燃煤的價(jià)格普遍較高，價(jià)格分布區(qū)間為900～2100元/t，平均價(jià)格為1300元/t，按照這個(gè)平均價(jià)格測(cè)算，燃煤烤房每烘烤1 kg干煙的燃料成本為2.60元。新建熱泵烤房、改造熱泵烤房和燃煤烤房的干煙烘烤成本分別為1.42、1.68和2.79元，炕均烘烤成本分別為639、840和1395元，因此，新建熱泵烤房和改造熱泵烤房與燃煤烤房相比，分別節(jié)省成本756和555元/炕，降低百分率分別為54.2%和39.8%。

表4 不同類型烤房的干煙烘烤能耗成本

2.2 用工成本對(duì)比分析

不同類型烤房烘烤的用工成本如表5所示。據(jù)調(diào)查統(tǒng)計(jì)，在煙葉烘烤過(guò)程中，每名烘烤師可管理的熱泵烤房數(shù)量為15～20座，并能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)人值守烘烤煙葉。燃煤烤房烘烤團(tuán)隊(duì)通常需要1名烘烤師搭配1～2名司爐工，可管理的烤房數(shù)量為8～12座，每名烘烤師平均可管理的烤房數(shù)量為4～6座。按照每炕烘烤時(shí)間6.5～8.0 d、用工成本150元/個(gè)進(jìn)行測(cè)算，熱泵烤房和燃煤烤房的炕均用工分別為0.35～0.47和1.17～1.75個(gè)，炕均用工成本分別為52.5～70.0和175.0～262.5元/炕。

表5 不同類型烤房烘烤煙葉的用工成本

2.3 建設(shè)質(zhì)量的綜合評(píng)價(jià)

不同產(chǎn)區(qū)熱泵烤房建設(shè)質(zhì)量的評(píng)價(jià)結(jié)果（表6）顯示：全省125個(gè)樣本烤房群建設(shè)質(zhì)量的平均得分為8.41分，處于較好檔次（7～9分）；最低得分為5.5分，分布在許昌產(chǎn)區(qū)；最高得分為10.0分，分布在駐馬店和三門峽產(chǎn)區(qū)；平均得分最高和最低的產(chǎn)區(qū)分別為駐馬店（8.94分）和南陽(yáng)（8.13分），且均處于較好檔次。建設(shè)質(zhì)量平均得分高于和低于全省平均值的產(chǎn)區(qū)均有4個(gè)，高于全省平均值的產(chǎn)區(qū)為駐馬店、三門峽、濟(jì)源和信陽(yáng)，低于全省平均值的產(chǎn)區(qū)為南陽(yáng)、平頂山、許昌和洛陽(yáng)。

表6 不同產(chǎn)區(qū)熱泵烤房建設(shè)質(zhì)量的綜合評(píng)價(jià)結(jié)果

3 結(jié)論與討論

本研究結(jié)果表明：河南全省新建熱泵烤房和改造熱泵烤房耗電量的平均值分別為1342.5和1766.3 kW·h：新建熱泵烤房和改造熱泵烤房的烘烤能耗成本與燃煤烤房相比，分別節(jié)省了756和555元/炕，降低率分別為54.2%和39.8%；熱泵烤房和燃煤烤房的炕均用工成本分別為52.5～70.0和175.0～262.5元/炕，前者比后者降低了70.0～73.3%。通過(guò)河南煙區(qū)9個(gè)產(chǎn)區(qū)的應(yīng)用實(shí)踐證明，熱泵烤房在減工降本、節(jié)能減排等方面優(yōu)勢(shì)較為突出。

河南煙區(qū)125個(gè)樣本熱泵烤房群建設(shè)質(zhì)量的平均得分為8.41分，處于較好檔次。根據(jù)熱泵烤房省級(jí)驗(yàn)收結(jié)果，河南全省9個(gè)煙葉產(chǎn)區(qū)大多數(shù)熱泵烤房的建設(shè)質(zhì)量較好，符合建設(shè)規(guī)范和質(zhì)量要求，能夠滿足煙葉烘烤需求。但由于2021年河南煙區(qū)汛期降雨量普遍比往年較大，在驗(yàn)收時(shí)發(fā)現(xiàn)仍有143座熱泵烤房存在明顯的漏雨或漏氣現(xiàn)象，這些熱泵烤房主要分布在南陽(yáng)、平頂山和濟(jì)源煙區(qū)。熱泵烤房漏雨、漏氣問(wèn)題會(huì)直接影響煙葉的烘烤質(zhì)量，造成烘烤損失，因此需在今后熱泵烤房的建設(shè)過(guò)程中引起高度重視，進(jìn)一步加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)施工監(jiān)督和檢測(cè)的力度。

河南煙區(qū)熱泵烤房建設(shè)工作開展近3年來(lái)，在烘烤管理和技術(shù)創(chuàng)新等方面仍需做進(jìn)一步的改進(jìn)和提升。今后在烘烤管理方面的改進(jìn)主要包括以下3個(gè)方面。

一是要加強(qiáng)烘烤培訓(xùn)，提升煙農(nóng)的烘烤技能?？v深推進(jìn)煙農(nóng)烘烤師隊(duì)伍的建設(shè)工作，分層級(jí)開展熱泵烤房建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)和烘烤技術(shù)規(guī)程的宣傳和貫徹執(zhí)行；通過(guò)制作和發(fā)放簡(jiǎn)單易懂、可操作性強(qiáng)的服務(wù)手冊(cè)，進(jìn)一步提高煙農(nóng)的熱泵烤房操作水平和設(shè)備故障排查能力，真正用好熱泵烤房。

二是推進(jìn)智能烘烤，提升烘烤管理水平。截至目前，河南煙區(qū)已安裝1.6萬(wàn)套烘烤物聯(lián)網(wǎng)裝置用于開展智能烘烤工作。今后要繼續(xù)推進(jìn)煙葉智能烘烤物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)建設(shè)，把烘烤物聯(lián)網(wǎng)作為煙農(nóng)增收的重要抓手，加強(qiáng)熱泵烤房烘烤物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)的收集統(tǒng)計(jì)，為烘烤大數(shù)據(jù)分析評(píng)價(jià)提供強(qiáng)有力的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐，不斷提升烘烤管理水平， 減少烘烤損失，增加煙農(nóng)收入。

三是加強(qiáng)電力保障，長(zhǎng)效發(fā)揮烤房?jī)?yōu)勢(shì)。熱泵烤房配套電力資源的安全穩(wěn)定運(yùn)行是熱泵烤房有效發(fā)揮作用的基礎(chǔ)保障。在2021年度烘烤季，由于受限電政策的影響，豫南煙葉產(chǎn)區(qū)停電頻率較高、時(shí)長(zhǎng)較長(zhǎng)，導(dǎo)致個(gè)別炕次出現(xiàn)烤壞煙情況。目前，河南山地和丘陵植煙縣已出臺(tái)配套備用電力設(shè)備政策，統(tǒng)籌考慮管護(hù)運(yùn)維成本；下一步將探討平原植煙縣逐年配置備用電力設(shè)備的可行性方案，進(jìn)而為各產(chǎn)區(qū)長(zhǎng)效發(fā)揮熱泵烤房的優(yōu)勢(shì)奠定基礎(chǔ)。

在熱泵烤房的技術(shù)創(chuàng)新方面，目前河南煙區(qū)已完成熱泵烤房烤煙烘烤工藝技術(shù)評(píng)價(jià)，并制定了《空氣源熱泵密集烤房》和《空氣源熱泵密集烤房烘烤技術(shù)規(guī)程》 2項(xiàng)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。整體式與分體式烤房散熱器散熱效率對(duì)比［13-14］、變頻機(jī)組與定頻機(jī)組對(duì)比［15］，以及微通道散熱器與銅管翅片式散熱器對(duì)比［16-17］等方面的研究將是河南煙區(qū)熱泵烤房下一步技術(shù)更新和研究示范的重點(diǎn)方向。