空气源热泵余热回收装置对烟叶烘烤能耗的影响

吴恩彪　傅林　蔡卫伟　陈诗瑶　林永华　陈龚　许梁

摘 要：烟叶烘烤过程中，装烟室大量的高温湿气随气流交换被排放到密集烤房之外，造成热量的大量流失。基于空气源热泵热量转运的特点，在原有生物质燃料供热设备的基础上，添加一套空气源热泵余热回收装置，在烟叶烘烤原有生物质燃料供热方式下进行辅助供热。结果表明：双制式烤烟供热系统烘烤下部叶干烟成本降低18.1%;烘烤中部叶干烟成本降低22.9%;烘烤上部叶干烟成本降低19%，节能效果明显。本设备每年使用成本为500元，每年可节约烘烤成本1 470元。该系统在不改变原有烘烤工艺的基础上实现了烤房余热回收，对于多途径丰富烤烟供热的方式具有参考意义。

关键词：密集烤房;供热方式;空气源热泵;余热回收;辅助供热

中图分类号：S 572 文献标志码：A 文章编号：0253-2301（2021）10-0039-04

DOI： 10.13651/j.cnki.fjnykj.2021.10.008

Effect of Waste Heat Recovery Device of Air Source Heat Pump onthe Energy Consumption of Tobacco Leaf Curing

WU En-Biao， FU Lin， CAI Wei-wei， CHEN Shi-yao， LIN Yong-hua， CHEN Gong， XU Liang

（Yongding Branch of Longyan Tobacco Company， Longyan， Fujian 364100， China）

Abstract： In the process of tobacco leaf curing， a large amount of high temperature moisture in the tobacco leaf loading chamber was discharged out of the bulk curing barn with the exchange of airflow， resulting in a large amount of heat loss. Based on the characteristics of heat transfer with the air source heat pump， a set of waste heat recovery device of air source heat pump was added on the basis of the original biomass fuel heating equipment， and then the auxiliary heating was carried out under the heating mode of curing the original biomass fuel with tobacco leaves. The results showed that by using the double-system flue-cured tobacco heating supply system， the cost of curing the lower leaf dry tobacco was reduced by 18.1%， and the cost of curing the middle leaf dry tobacco was reduced by 22.9%， while the cost of curing the upper leaf dry tobacco was reduced by 19%， showing obvious energy-saving effect. The usage cost of this equipment was 500 yuan per year， and the cost of curing could be saved 1 470 yuan per year. The system realized the waste heat recovery of the curing barn without changing the original curing technology， which had reference significance to enrich the heat supply of flue-cured tobacco in multiple ways.

Key words： Bulk curing barn; Heating mode; Air source heat pump; Waste heat recovery; Auxiliary heating

煙叶烘烤是烤烟生产的重要环节。密集烤房有装烟量大，温湿度控制自动化程度高的特点，是当前国内烟叶烘烤使用的主要烤房类型。国内大部分的密集烤房是按照国烟办综（2009）418号文件的技术规范建造的[1]。目前，我国密集式烤房仍以煤炭为主要燃料，生物质燃料、空气源热泵、天然气等能源为辅[2]。

近年来，随着新能源产业的发展，国内对新能源密集烤房也开展了广泛的研究[3-5]。研究表明[6-9]，在烟叶烘烤成本上，空气源热泵烤房<生物质燃料烤房<燃煤烤房，并初步形成了空气源热泵和生物质燃料替代燃煤的趋势。在烤后烟叶质量上，热泵烤房烘烤的烟叶颜色鲜亮、成熟度好、组织结构疏松，内在品质有所改善，上等烟及产值均有所提高[10]。宫长荣等[11]将热泵和冷凝除湿原理应用于烟叶烘烤，结果表明空气源热泵烤房可以有效提高烤后烟叶质量。空气源热泵烤房在节能、减排、增效方面有良好的应用效果[12-13]。但是，关于空气源热泵与生物质燃料双热源供热系统组合在密集烤房上应用鲜见报道。

为探索空气源热泵与生物质燃料双热源供热系统对密集烤房烟叶烘烤的节能效果，本试验在原有生物质燃料供热设备的基础上，加装小功率空气源热泵余热回收辅助供热装备，通过改变原有烤房排湿方式，把湿热气体通过排湿通道集中，并在排湿通道外端对接空气源热泵蒸发器，通过热泵蒸发器把排湿过程带出的热能回收利用，以达到提高热能利用率，减少能耗，节约成本的目的。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试设备为2座相同的气流下降式密集烤房，装烟室长8.0 m，宽2.7 m，高3.5 m，装烟4层;加热室长2 m，宽2.7 m。供试材料为龙岩市永定县烤烟主栽品种云烟87，在烟叶成熟的不同阶段，分别采收同一田块的下二棚、腰叶和上二棚烟叶进行排湿余热回收试验。热源燃料为同一厂家、同一批次的生物质燃料，热值为18 417 J·g-1。

1.2 分体式空气源热泵余热回收机组的安装

将原烤房排湿窗全部关闭。在密集烤房前墙正中位置离地250 mm处，钻一直径为260 mm的穿墙洞，用PVC圆管穿过加热室，一端延伸至装烟室吸收湿热气体，另一端通过法兰与余热回收器主机相连，将湿热气体集中对准热泵蒸发器。用密封胶将PVC管与穿墙洞的间隙密封。在加热室风机台板上距风机400 mm处放置余热回收机组冷凝器并固定。

本研究中空气源热泵余热回收机组由龙岩市烟草公司永定分公司和深圳雷帕科技开发有限公司联合设计制作，采用三相电源，压缩机功率为980 W，冷媒选用R134 a，蒸发器面积13.2 m2，冷凝器面积13.8 m2，空气源热泵余热回收机组安装如图1所示。

1.3 试验方法

本研究于2020年4月20日至6月20日期间，在龙岩市永定区大溪乡万石烤房群开展。本研究设置两个处理，即加装双制式空气源热泵余热回收机组烤房（简称余热回收烤房T）、普通生物质燃料密集烤房（简称对照烤房CK）。在烟叶成熟后，分别用同一田块的下二棚、腰叶和上二棚烟叶进行烘烤试验。

1.4 检测项目及方法

烘烤能耗：统计各处理各烤次的耗电量、生物质燃料用量。鲜烟重量：每烤次装烟上烤时随机抽取15竿称重，取平均重量，折算整烤鲜烟重量。干烟重量：各烤次下烤后，待回潮至含水量约16%左右，取15竿称重，取平均重量，折算整烤干烟重量。

2 结果与分析

2.1 下部叶烘烤能耗分析

由表1可知，下部叶烘烤中，余热回收烤房的平均干烟消耗燃料量为1.83 kg·kg-1，对照烤房的干烟耗燃料量为2.49 kg·kg-1;余热回收烤房的干烟耗电量为0.68 kW·h，对照烤房的干烟耗电量为0.40 kW·h。由此可见，余热回收烤房的平均干烟烘烤成本为2.08元·kg-1，对照烤房的平均干烟烘烤成本为2.54元·kg-1，余热回收烤房相比对照烘烤成本降低了18.1%。

2.2 中部叶烘烤能耗分析

由表2可知，中部叶烘烤中余热回收烤房的干烟耗燃料量为1.19 kg·kg-1，对照烤房的干烟耗燃料量为1.70 kg·kg-1;余热回收烤房的干烟耗电量为0.42 kW·h，对照烤房的干烟耗电量为0.29 kW·h。由此可见，余热回收烤房的平均干烟烘烤成本为1.35元·kg-1，对照烤房的平均干烟烘烤成本为1.75元·kg-1，相比对照而言余热回收烤房烘烤成本节约22.9%。

2.3 上部叶烘烤能耗分析

由表3可知，上部叶烘烤中余热回收烤房的干烟耗燃料量为1.41 kg·kg-1，对照烤房的干烟耗燃料量为1.85 kg·kg-1;余热回收烤房的干烟耗电量为0.56 kW·h，对照烤房的干烟耗电量为0.31 kW·h。由此可见，余热回收烤房的平均干烟烘烤成本为1.54元·kg-1，对照烤房的平均干烟烘烤成本为1.9元·kg-1，相比对照而言余热回收烤房烘烤成本节约19%。

2.4 总体改造的经济效益

本研究中空气源热泵辅助供热系统投资成本4 500元，按10年使用寿命计算，每年使用成本为450元，年维护费用50元。按每烤季烘烤烟叶7烤次，可烤干烟3 500 kg，在现阶段燃料及电费价格条件下，平均烟叶可节约烘烤成本0.42元·kg-1，一烤季可节约烘烤成本1 470元。以目前烤房用电及燃料成本计算，3年内便可收回成本。

3 结论与讨论

热泵技术是一种有效的节能措施，具有广阔的发展前景。随着热泵技术的发展，热泵的能效比在4以上。将热泵技术用于烟叶烘烤，可带来良好的经济效益和社会效益[14]。但是，15匹的热泵烤房单套设备在7万余元，高建设成本导致热泵烤房在当前无法全面推广。因此，探索小型热泵回收余热设备参与辅助供熱，有效降低烟叶烘烤能耗势在必行。

本试验将空气源热泵与生物质燃料双热源供热系统组合进行节能效果研究，结果表明，空气源热泵辅助供热系统可以在不影响烟叶正常烘烤的前提下，充分进行排湿余热回收，实现节约燃料的作用，节能效率达18%以上，效果良好，有较大的推广价值。同时，本研究发现空气源热泵辅助供热设备在排湿时可作为余热回收装置，回收排湿散失的热量;在未排湿时，可当作供热设备运行，吸收环境中的热量为烤房供热。

此外，本研究发现在气温较高的时段，空气源热泵所产生的热量足以在变黄期稳温。为达到更好的节能效果，可构建生物质燃烧机与热泵耦合供热的自动控制系统[15]，在升温及大排湿等热负荷较大时段，启动生物质燃机与热泵联合供热;在稳定阶段或高温天气中午时段，仅启动热泵，关闭生物质燃烧机，以减少燃料消耗，达到节能减耗的目的。

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（责任编辑：柯文辉）

收稿日期：2021-03-02

作者简介：吴恩彪，男，1983年生，助理農艺师，主要从事烟叶栽培与调制研究。