新能源热泵烤房与燃煤烤房、生物质烤房烘烤效果对比研究

王攀 朱云 郎冲冲 董国辉 牛天宝

摘要：为探究新能源热泵烤房在云南省楚雄州烟叶烘烤基地推广使用的价值，进行了新能源热泵烤房与燃煤烤房、生物质烤房的烘烤效果对比试验。试验设置3个处理，分别为密集型燃煤烤房（CK1）、密集型生物质烤房（CK2）、密集型新能源热泵烤房（T）。对3个处理的效率指标、效益指标和效果指标进行了对比分析，结果表明：与燃煤烤房、生物质烤房相比，新能源热泵烤房能提高烘烤效率;新能源热泵烤房的单位干烟能耗用工成本比燃煤烤房、生物质烤房分别降低0.58、0.71元/kg，降幅达29.59%、33.97%;从综合成本来看，新能源热泵烤房省工降本的优势能弥补其建造成本过高的短板;与燃煤烤房、生物质烤房相比，新能源热泵烤房的上等烟比例显著提高了6.33、4.06百分点，下等烟比例显著降低了4.65、3.02百分点，烤后烟叶均价分别提高2.41、1.37元/kg，烤后烟叶感官综合评吸得分较高，主要化学成分含量更加适宜，比例更为协调。总体来看，新能源热泵烤房与燃煤烤房、生物质烤房相比，省工降本，提质增效，适合在该烤烟基地推广使用。

关键词：热泵烤房;烟叶;烘烤;综合成本;效益指标

中图分类号：TS43   文献标志码： A  文章编号：1002-1302（2020）17-0240-05

现阶段，云南省楚雄州烟叶烘烤基地的烤烟能源消耗，依然以煤炭和生物质颗粒燃料为主、电能为辅。由于燃煤烤房自动化程度极低，人工加煤方式具有不精确性，加上煤炭燃烧供热滞后，极易造成烤房温度大幅波动，导致烟叶烘烤质量较差、人工成本较高、环境污染严重等问题[1-2]。而生物质颗粒燃料由于其原料来源不稳定，价格波动较大，进一步推广还存在较大局限性[3]。

20世纪90年代以来，国内外科学工作者在拓展热泵干燥技术应用范围方面做了许多研究，有效地促进了热泵烤房的推广与应用[4]。典型的热泵烟叶烤房系统由热泵供热子系统和热风干燥子系统组成。热泵供热子系统对应制冷剂回路，由压缩机、蒸发器、冷凝器、节流阀等主要部件组成。压缩机消耗电能做功，将低温低压制冷剂压缩成高温高压的制冷剂蒸汽，然后进入冷凝器将热量传給热风回路中的空气。冷凝后的制冷剂进入节流阀，节流降压后再进入蒸发器，完成一个制热循环[5]。热风干燥子系统对应热风回路，热风回路中的空气流经冷凝器吸热升温，相对湿度下降，在循环风机的作用下送入装烟室，对烟叶进行干燥。从装烟室出来的湿热空气再经蒸发器将部分显热和潜热传给制冷剂，达到回收余热的目的[6]。同时，湿空气的温度降至露点析出冷凝水，达到除湿的目的[7]。胡小东等研究认为，热泵烤房装烟室内部平面温差和垂直温差较小，烤后烟叶外观质量较好，中上等烟比例更高[8-9]。田效园等研究认为，热泵烤房烤后的烟叶评吸质量较好，化学成分更为适宜，且具有节能、环保等优点[10-11]。陈红丽等研究认为，与普通烤房相比，热泵烤房提质增效的效果显著，所烤烟叶综合质量明显优于普通烤房[12]。以上关于热泵烤房的研究多侧重于应用理论分析或单方面烘烤性能的测试，而对热泵烤房的效率、效益、效果指标缺乏较为系统的对比分析。鉴于此，本研究立足云南省楚雄州烟叶烘烤基地的实际情况，对比研究新能源热泵烤房与燃煤烤房、生物质烤房的实际烘烤效果，以期为该烤烟基地生产达成“减工降本、提质增效”的目标，并为新能源热泵烤房的推广与使用提供理论指导与事实依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验于2018年7—8月在云南省楚雄州烟叶烘烤基地进行。供试烤房共3种，即密集型燃煤烤房、密集型生物质烤房、密集型新能源热泵烤房。3种烤房均为气流下降式，装烟室均为2路3层设计。供试烟叶品种为K326中部烟叶。3种烤房具体规格参数见表1。

1.2 试验设计

试验设置3个处理：密集型燃煤烤房（CK1）;密集型生物质烤房（CK2）;密集型新能源热泵烤房（T）。选取长势均匀一致的烟田，待烟叶正常成熟落黄后采收，并全部采用烟夹编烟。3种烤房装烟杆数基本相同，并都按K326烟叶烘烤技术标准进行烘烤。每处理烤房选取等级为C3F的烤后烟叶各2 kg，用于效果指标的测定。另选取15夹具有位置代表性的烟夹进行标记，用于经济性状统计分析。

1.3 测定指标与方法

1.3.1 效率指标 效率指标包括3个处理烤房的不同烘烤阶段用时、总烘烤用时及单位干烟烘烤用时。

1.3.2 效益指标

1.3.2.1 烘烤成本 （1）建造成本。2018年7月新能源热泵烤房在楚雄州烟叶烘烤基地建造竣工。建造成本数据由云南省楚雄州烟叶烘烤基地提供。（2）用工与能耗成本。能耗成本包括用煤量、用生物质颗粒燃料量和用电量，集中统计后按单座烤房进行折算[13]。用工成本由云南省楚雄州烟叶烘烤基地统一核算，再折算成单炕用工费用。（3）综合成本。包括烤房的使用成本、能耗成本以及用工成本。

1.3.2.2 烤后烟叶经济性 参照GB 2635—1992《烤烟》对烤后烟叶进行分级，确定烟叶等级，并根据当地烤烟收购价格确定均价。

1.3.3 效果指标

1.3.3.1 外观质量 由基地专业烘烤人员从颜色、成熟度、结构、身份、油份、色度6个指标进行评价，其权重分别为0.30、0.25、0.15、0.12、0.10、0.08。

1.3.3.2 评吸质量 由基地专业评吸人员对烤后烟叶进行评吸。评吸结果从香气质、香气量、余味、刺激性、杂气等方面对烤后烟叶打分，根据平均分的高低来确定烟叶评吸质量的优劣[14]，并参照王彦亭等的9分制标准进行评吸打分[15]。

1.3.3.3 化学成分 取C3F等级烟叶1 kg，送技术中心测定其化学成分（总糖、还原糖、淀粉、总氮、烟碱、钾、氯含量共计7项指标）。

1.4 数据统计

采用Excel、SPSS软件进行数据统计与方差分析。

2 结果与分析

2.1 效率指标

由表2可知，各处理变黄期长达88.74～95.42 h，可能与烟叶成熟期遭遇干旱，含水量减少，成熟期烟叶变黄难等因素有关。T处理能在一定程度上缩短烘烤用时，较CK1、CK2处理显著缩短14.13、7.54 h（P<0.05）。T处理单位时间内烘烤干烟量较CK1、CK2处理分别增长0.28、0.14 kg/h。可见，与燃煤烤房、生物质烤房相比，新能源热泵烤房能在一定程度上提高烘烤效率。

2.2 效益指标

2.2.1 烘烤成本

2.2.1.1 建造成本 密集型燃煤烤房的单座建造成本约为32 000元/座，使用年限为10年。生物质烤房由燃煤烤房改造而成，将生物质颗粒燃烧机与炉膛口对接，即作为热源产生明火。生物质烤房的建造成本和使用年限与燃煤烤房基本一致。密集型新能源热泵烤房的单座建造成本约为70 000元/座，使用年限为15年。按烘烤能力1.33 hm2计算，其单位建造成本（烘烤667 m2烟田的烤房建造成本）分别是1 604.4元、3 510.8元。综合考虑使用年限及频次（按7次/年计算），燃煤烤房单次使用成本为457.1元/次，热泵烤房则为666.7元/次，较燃煤烤房增加了45.85%。由此可见，较高的建造成本可能会成为新能源热泵烤房推广使用的强力阻碍因素。

2.2.1.2 用工与能耗成本 由表3可知，与CK1、CK2处理相比，T处理的智能化程度更高，避免了人工清灰、加燃料等环节，能有效降低人工成本，降幅达57.55%、41.36%。由于生物质颗粒燃料的价格远高于燃煤，造成CK2处理烘烤成本显著高于CK1、T处理。T处理的单位干烟成本仅为 1.38元/kg，较CK1、CK2处理分别降低0.58、0.71元/kg，降幅达29.59%、33.97%，省工降本效果显著。由热泵的工作原理可知，热泵的制热系数随环境温度的升高相应升高，其节能效果也更加显著。每年6—9月的烟叶烘烤季节，云南省楚雄州处于较炎热的夏秋季节，环境温度较高，因而热泵应用于烟叶烘烤具有独特的节能优势。

2.2.1.3 综合成本 综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、新能源热泵烤房的干烟使用成本为0.65、0.94元/kg。因此，燃煤烤房、新能源热泵烤房的干烟综合成本为2.61、2.32元/kg。从综合成本来看，新能源热泵烤房省工降本的优势能弥补其建造成本过高的短板，随着现代烟草业对可持续发展要求的不断提高，建造成本还将因各种政策补贴而大幅下降，因此新能源热泵烤房适合在云南省楚雄州烟叶烘烤基地推广使用。

2.2.2 烤后烟叶经济性比较 由表4可知，T处理烤后烟叶上、下等烟比例相比CK1、CK2处理差异达显著水平，上等烟比例比CK1、CK2处理显著提高6.33、4.06百分点，下等烟比例比CK1、CK2处理显著减少4.65、3.02百分点;T处理中等烟比例相比CK1、CK2处理差异不显著;T处理烟叶均价显著高于CK1、CK2處理，提高了9.56%、5.22%。总之，新能源热泵烤房由于温度控制更为精确，上等烟率均显明增加，下等烟率明显减少，无杂色烟。而燃煤烤房受煤炭燃烧供热的滞后性影响，在烘烤中出现了较多的下等烟和少量的杂色烟。可见，使用新能源热泵烤房烘烤中部烟叶的经济性较好。

2.3 效果指标

2.3.1 外观质量 由表5可知，与CK1处理相比，T处理在一定程度上改善了烟叶的结构、颜色、身份和油份，尤其对油份的改善最为明显;T处理烤后烟叶外观质量综合评分均高于CK1、CK2处理。可见，新能源热泵烤房能有效改善烟叶外观质量，对提高烟叶的工业可用性具有明显效果。

2.3.2 评吸质量 评吸质量根据优质烟评吸标准，烟叶以杂气及刺激性小、燃烧性好、灰色白、香气质好、香气量足、香气浓为最佳。由表6可知，T处理烤后烟叶的感官评吸得分高于CK1、CK2处理，表现在较好的香吃味，突出表现在香气质较好，香气量较足，杂气及刺激性较小，余味更纯净舒适。

2.3.3 化学成分 主要化学成分含量的高低及其是否协调是决定烟叶内在品质的关键因素。烤烟适宜的化学成分含量分别为：烟碱含量约2.50%，总氮/烟碱约1.00，总糖含量为24.00%～28.00%，还原糖含量为18.00%～24.00%，还原糖/烟碱为8.00～12.00，钾含量高于1.50%，氯含量低于0.80%，钾/氯大于4.00，淀粉含量在5.00%以下[16]。由表7可知，与CK1、CK2处理相比，T处理烤后烟叶总糖和还原糖含量均有所增加，差异显著;烟碱、总氮、淀粉含量则在一定程度上有所降低，差异也达显著水平;不同处理的氯、钾含量无显著差异;化学成分含量均在较适宜范围内，主要化学成分比例（总氮/烟碱、还原糖/烟碱、钾/氯）协调性较好。这可能与新能源热泵烤房对温度、湿度、时间以及通风的控制更加精确有关，烘烤过程中烟叶生理生化的变化控制在较合理的范围。

3 结论与讨论

试验结果表明，新能源热泵烤房能在一定程度上提高烘烤效率。新能源热泵烤房升温快、保温性能好、温度控制精准、智能化程度高，能有效减少用工费用50%以上。新能源热泵烤房的单位干烟能耗与用工成本仅为1.38元/kg，较燃煤、生物质烤房分别降低0.58、0.71元/kg，降幅达29.59%、33.97%。从综合成本来看，新能源热泵烤房省工降本的优势能弥补其建造成本过高的短板;显著提高了上等烟比例和烟叶均价;烤后烟叶颜色更均匀、结构疏松、油份足，主要化学成分含量更加适宜，比例更为协调;烤后烟叶感官综合评吸得分较高，体现出较好的香吃味，突出表现在香气质较好、香气量较足、透发性较好、杂气及刺激性较小、余味更纯净舒适[17]。

新能源热泵烤房供热系统由热泵一体机机组组成，集成了热泵供热子系统、控制系统、余热回收系统以及自动排湿系统于一体。根据烘烤工艺要求，控制系统对装烟室内的温湿度进行自动精准调控，可实现烘烤工艺参数的设置及烘烤过程中温湿度变化的记录、查询。应用高温高压制冷压缩机、混合工质及CO2等中高温工质提高供热温度，逐渐成为热泵研究领域的研究热点[18]。目前，国内外均已成功研制出各种中高温热泵工质[19]，如零ODP的中高温热泵工质HTR04[20]。此外，以CO2为工质的跨临界循环热泵系统也日益成熟，以CO2为工质的热泵热水器最高供热温度可达90 ℃左右[21]。目前在烤烟密集烘烤方面，占主导地位的三段式烘烤工艺各阶段密集型烤房内的温度为38～68 ℃。对于这样的烘烤温度，采用CO2等中高温工质的高温空气源热泵系统，可很好地满足烤烟密集烘烤对干燥温度的要求。

由热泵的工作原理可知，高温空气源热泵的制热系数随环境温度的升高而升高，相应地其节能效果也更加显著。在每年6—9月的烟叶烘烤季节，国内各主要烟区均处于炎热的夏秋季节，环境温度较高。因此，高温空气源热泵应用于烟草的干燥具有独特的优势。综上所述，利用高温空气源热泵进行烤烟烘烤，无论在资源上、技术上还是经济上均是可行的。另外，随着国家节能环保政策实施，建造成本也必将因各种政策补贴而大幅度下降。综上所述，新能源热泵烤房在云南省楚雄州烟叶烘烤基地乃至全云南省都具有广阔的推广应用前景。

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