高效空气源热泵式烤房优化设计

李磊磊 陈波 李家春 何俊杰

摘要：针对普通燃煤烤房能源消耗大、污染环境和生物质燃料烤房存在较大的安全隐患等问题，对普通烤房进行改造，引入空气源热泵系统，利用流体力学软件FLUENT对烤房不同气流形式结构、装烟室地面分风坡结构、加热室底部导流板结构的烘烤过程进行数值模拟，以获得烘烤性能最优的烤房结构形式；同时对温湿度控制系统进行设计，以实现烤房温湿度的精准调控，最后开展节能应用效果和温湿度操控性能正交试验。试验结果表明：所设计的空气源热泵烤房与普通燃煤烤房和生物质燃料烤房相比，能源消耗减少，平均烘干1 kg烟叶可分别节约0.77元和0.35元，烟农节能增收成效显著；在温湿度调节上更加准确灵敏，烟叶烘烤质量明显提高。

关键词：烟叶烘烤；空气源热泵；密集烤房；数值模拟；温湿度

中图分类号：TK172  文献标识码：A  文章编号：2095-5553 （2024） 03-0081-09

Optimum design of high efficiency air source heat pump barn

Li Leilei1， Chen Bo2， Li Jiachun2， He Junjie2

（1. Bijie City Tobacco Company of Guizhou Province， Bijie， 551700， China；2. School of Mechanical Engineering， Guizhou University， Guiyang， 550025， China）

Abstract：

Aiming at the problems such as large energy consumption and environmental pollution in the ordinary coal-fired barn， and a big security risks in biomass fuel baking room， the air source heat pump system was introduced into the ordinary baking room， and the fluid mechanics software FLUENT was used to conduct the numerical simulation of the baking process of different air flow structure， the ground slope structure of the loading chamber and the bottom baffle structure of the heating chamber， so as to obtain the best baking performance of the grill structure. At the same time， the temperature and humidity control system was designed to realize the precise control of the temperature and humidity of the baking room. Finally， the orthogonal experiment of energy saving application effect and temperature and humidity control performance was carried out. The experimental results showed that the energy consumption of the air source heat pump barn designed in this paper was reduced compared with the ordinary coal-fired barn and the biomass fuel barn. The average drying of 1kg tobacco leaves could save 0.77 yuan and 0.35 yuan respectively， and the energy saving and income increase of tobacco farmers were remarkable. The temperature and humidity regulation is more accurate and sensitive， and the baking quality of tobacco leaves is obviously improved.

Keywords：tobacco leaf roasting; air source heat pump; intensive barn; numerical simulation; temperature and humidity levels

0 引言

烟叶产业是国家税收的重要来源，烟叶的品质影响着烟叶产业的销售，烟叶烘烤过程是决定烟叶品质至关重要的环节，而烤房设备是影响烟叶烘烤品质的关键因素。几十年来，烟叶烤房经历了从自然通风烤房到热风循环烤房再到如今使用最为广泛的密集型烤房，显著减轻了工人的劳动强度、提高了烟叶的烘烤品质［1］。但普通燃煤密集型烤房仍存在烘烤效率低、环境污染大及烟叶上存在附着物等问题。近年来，为了获得结构形式更佳，更有利于烘烤、绿色节能的烤房设备，技术人员在密集烤房的基礎上研发出各种新型烤房，如生物质燃料烤房，其有着改造和使用成本低、能耗小等优点，已经呈现出广阔的市场应用前景［2］。但由于生物质燃料使用的是秸秆、锯末、甘蔗渣、稻糠等材料，存在炉内爆燃、向外喷火引起火灾和断料降温烤坏烟叶等隐患，且仍有污染物排放，因此以清洁能源为代表的空气源热泵烤房应运而生［3， 4］。

而空气源热泵通过卡诺循环原理，将低品位热源空气的能量转移至温度更高的地方，通过这种方式减少了资源损耗，因此空气源热泵烤房已经逐渐取代燃煤烤房的使用［57］。为了使空气源热泵烤房的烘烤效率和烘烤质量提升，吴恩彪等［8］通过添加余热回收装置进行辅助供热，避免了因装烟室的高温湿气随气流交换直接被排放到烤房之外而造成热量损失；王永乔［9］搭建了一套太阳能—空气源热泵双热源供热系统的示范装置试验台，使得烟叶烘烤过程更能满足节能环保的需求；何雪［10］针对当前热泵式烤房的温湿度控制多采用半自控方式容易导致因人而异的烘烤结果和劳动投入较大等问题，提出了利用GPRS技术对空气源热泵式烤烟烘房进行远程温湿度控制，使烘烤效果更加统一；白万明等［11］将物联网与密集烤房控制结合起来，使得烟叶烘烤的自动化水平提高，减小了烟农的劳动强度；Liu等［12］采用基于SSOA的PID控制策略对烟叶密集烤房温度控制系统进行仿真和试验；Ju等［13］研究了能容纳温湿度自动控制的新型烤房的新型烘烤工艺；Fang等［14］对一种新型的双向通风烤房进行了研究，并通过试验对其性能进行分析；Bai等［15］提出了一种新型密集烟叶烤房，并使用CFD对烤房的温湿度场进行分析。以上学者对提高空气源热泵烤房的烘烤效率进行了广泛研究，但均未考虑烤房结构对烘烤效率的影响，研究成果对提升烘烤效率效果不显著。

为此，本文对空气源热泵烤房的结构进行优化设计，并对烤房气流形式、加热室底部导流板角度、装烟室地面分风坡进行仿真分析，以期获得烤房的最佳结构性能，有效提升烘烤效率。

1 高效空气源热泵式烤房结构设计

本文通过对燃煤型密集烤房进行改造，包括取消排湿窗、排烟管、烧煤炉，并对装烟室进行隔热处理，同时将空气源热泵装置引入系统，得到一种新型高效空气源热泵式烤房，烤房整体布局设计如图1所示。

当烤房开始工作时，空气源热泵系统启动，将外界大气的热量吸收，通过加热室中的冷凝器将热量释放，使空气被加热到一定温度，再由轴流风机将热空气沿进风口输送到装烟室中对烟叶进行烘烤，此过程中会通过电辅热装置对空气进行二次加热，从而达到所需的烘烤温度。烘烤产生的高温湿气由装烟室出风口流经除湿进风口后，输送到余热吸收装置中对空气进行预热，避免直接排放高温湿气造成能源浪费。被预热后的空气通过除湿系统送风口输送到加热室中进行再次加热，低温湿气则通过三通排湿口排放到外界环境中。通过该设计，既有效利用了湿气中的能量，节省了加热成本，又避免了直接排放造成的大气污染。

2 空气源热泵烤房结构布局优化

由于装烟室内结构布局形式对烤房内气流组织的分布有严重影响，均匀的气流组织有利于得到较好的烟叶质量，而烤房内部的结构布局形式决定了烤房装烟室内气流组织分布的均匀程度，本文利用流体力学软件FLUENT对不同结构布局的烤房烘烤过程进行数值模拟，以获得烘烤性能最佳的烤房结构形式。

2.1 烤房不同气流形式结构对烘烤性能的影响

烤房一般有气流上升式烤房与气流下降式烤房［16］，二者在外形结构和尺寸上基本一致，主要区别在于加热室内各组件安装布置位置的不同，如气流上升式冷凝器布置在轴流风机的上端；而气流下降式冷凝器布置在轴流风机的下端［17］。

烟叶烘烤过程是通过热空气与烟叶之间的热交换将烟叶中的水分蒸发，具体流程是加热室内的空气被冷凝器加热后，在轴流风机作用下由进风口吹入装烟室对烟叶进行烘烤作用。对于气流上升式烤房，热空气由烤房底端逐渐上升至顶端，在与烟叶充分接触后由烤房上端的出风口回到加热室内，而气流下降式烤房内气流形式与此相反。两种烤房烘烤过程气流组织形式如图2所示。

为更好地比较两种烤房装烟室内气流组织分布的情况，使用FLUENT流体仿真软件进行对比分析。以烤房的进风口作为入口边界，类型设置为入口速度，利用风速仪测量得到轴流风机出风口处风速为5 m/s，因此将入口速度设置为5 m/s，温度设置为323.15 K（50 ℃）；以烤房的出风口作为出口边界，类型设置为压力出口，出口气流的压力设置为标准大气压，出口气流温度为外部环境的温度。烤房的墙体及屋顶壁面按对流换热边界条件处理，地板近似处理为绝热边界条件。根据国家《密集烤房技术规范（试行）》的规定，烤房的计算模型参数如表1所示。在云图上设置12个节点，以装烟室长度方向为x轴，高度方向为y轴，以装烟室左下角壁面为坐标原点，节点坐标如表2所示。

仿真计算结果如图3所示，以装烟室长度方向的中截面仿真结果作为研究对象，各节点温度如表3所示。

通过表3计算出气流上升式和气流下降式温度均值分别为320.53 K和320.3 K，显然气流上升式的温度更接近设定温度。由图3（a）可知，烤房气流分布主要呈现入口处速度最快，四边的速度稍慢，中间位置气流速度最低；由图3（b）可知，气流上升式烤房除角落温度稍低之外，其余位置温度均匀分布，该种分布有利于各位置的烟叶均匀受热，烘干程度大致相同，保证了烘烤质量；由图3（c）可知，其与图3（a）无明显区别；但从图3（d）可知，其左侧部位的温度明显高于右侧部位，将导致左侧烟叶烘烤过度，导致烟叶质量不佳。

因此在设计烤房时，应以气流上升式作为设计基础，通过该方式，能有效提升烟叶烘烤质量，避免因温度不均匀而导致的烟叶质量的差异。

2.2 装烟室地面分风坡优化设计

由上分析可知，烤房应以气流上升式作为设计基础。同时为便于装烟室内的热风进行循环，提高烟叶的烘烤质量和性能，因此装烟室底部需要開设一定的坡度。根据国家《密集烤房技术规范（试行）》的规定，需要在装烟室远离进风口处的地面上设置4.2%～5%的坡度，故本文采用FLUENT在气流上升式烤房的基础上对4.2%、4.6%和5%三种坡度的热泵烤烟房的内部流场分布情况进行模拟分析，进而确定烤房的最合适坡度，地面坡度示意如图4所示。

通过表4计算出坡度4.2%、坡度4.6%、坡度5%温度均值分别为321.01 K、322.0 K和321.43 K，显然坡度4.6%的温度更接近设定温度。仿真结果如图5所示，选取垂直于宽度方向的中截面上温度分布云图作对比。可以看出，当坡度为4.2%时，高温气流在装烟室内分布较为均匀，但在进风口处一侧及角落处温度有明显梯度，该位置的烟叶烘干程度将晚于其他位置，达不到最佳标准；当坡度为4.6%时，高温气流在装烟室内分布均匀，仅在左侧角落处有微小差别，该坡度的烟叶烘干程度基本一致，烘烤质量较佳。坡度为5%时，高温气流分布与坡度为4.2%时相似，与坡度为4.6%相比，温度分布较不均匀，将导致烘烤质量降低。

根据仿真结果分析，在气流上升式热泵烤房装烟室地面设置4.6%的坡度能有效提高气流的均匀度，从而缓解因气流分布不均而导致的烟叶烘烤质量不佳。

2.3 加热室底部导流板结构优化设计

由于热泵烤房的长度较长，从加热室产生的热气流无法充分到达烤房装烟室前端，进而导致装烟室内热气流流动不均匀，造成对装烟室内不同位置的烟叶烘干程度不一致，影响烘干效果的问题［18］。因此本文在气流上升式和4.6%坡度的基础上，在加热室的底部设置导流板，导流板结构如图6所示，使得轴流风机鼓出的热风经过导流板导流后，减少气流紊乱而带来的损耗，使得进入装烟室内的热气流流动变得均匀，从而保证烟叶烘烤的质量。

为研究不同导流板角度对气流速度场的影响，分别建立导流板角度为0°（即未设置导流板）、10°、20°、30°的烤房模型，利用FLUENT软件对加装不同角度导流板的烤房流场进行分析，分析结果如图7所示，各节点温度如表5所示。通过表5计算出0°导流板、10°导流板、20°导流板和30°导流板温度均值分别为320.08 K、322.24 K、322.1 K和320.27 K，显然10°导流板的温度更接近设定温度。由图7分析结果可知，当加热室未设置导流板时，高温气流在装烟室中部和右侧顶部集中，四周位置明显低于中部，将导致中部烟叶提前烘干，而四周烟叶水分仍未烘干，使得烘烤程度不一致；当加热室设置10°导流板时，高温气流在装烟室内分布均匀，仅左侧两个角落温度有轻微降低，但对整体烘烤质量影响不大；而20°导流板相较于10°导流板，其在烤房中部有较为明显的温度差，将导致烟叶烘烤程度不一致，可见10°导流板相较于20°导流板，气流的均匀度更好；而30°导流板的烤房模型，由于导流板支起的角度过大，使得高温气流分布更为不均，将严重影响烟叶的烘烤质量。

综上所述，在加热室下腔体中加装10°导流板，能有效减小进入装烟室的热气流的不均匀性，减小装烟室下部和上部的温度差，从而提高烟叶烘烤质量。

3 温湿度控制系统设计

3.1 除湿系统结构设计

本设计构建的除湿系统结构如图8所示，整个除湿系统分为内循环除湿和强排湿两种［19］，两种除湿方式根据烘烤阶段和除湿量进行分阶段除湿，当烘烤温度处低于329.15 K（变黄期、定色期）属于内循环除湿［20］，由高温热泵机组的蒸发器进行除湿，且将除湿的冷凝水进行回收；当烘烤温度处在329.15 K之上（干筋期），此时蒸发器除湿量无法满足要求，因此两个三通阀同时打开，其中三通阀1将热交换的湿热空气排出到余热回收装置，使用余热收集装置将新鲜空气和排湿口排出的湿热空气进行热量交换，预热后的新鲜空气吹向进风口，实现排湿气体的热回收，避免了排湿过程中热量的流失，节省电能。三通阀2引进外界新风，此时热泵机組主要用来给装烟室供热。

3.2 系统硬件设计

本设计控制系统采用S7-200PLC作为核心，控制器系统组成如图9所示。

其中装烟室内的温湿度采集模块用于检测装烟室内的温湿度；图像识别模块用于采集装烟室内烟叶图像以便判断烟叶所处的烘烤阶段；加热室内的温度监控模块用于监控热交换器的换热温度和冷凝器热交换温度；存储器模块用于对每一次的烘烤数据进行储存以便为后期大数据库建设提供案例；整流逆变模块用于光伏发电系统提供控制接口和电能供应接口；通信接口一方面用于烤房区域的现场监控，另一方面为后期大数据系统的监控层研发提供基础。通过以上设计能更好地实现系统功能的完善性、多功能性，能更好地满足用户需求。

3.2.1 温湿度收集模块

烤房内温度、湿度是影响烤烟品质的两个最为关键的环境参数，因此控制系统对温度和湿度进行了采集。首先选用高精度、数字化温度传感器DS18B20作为温度采集，其次选用干湿球温度计作为湿度采集模块，需要注意的是湿度测量时需在芯片外用蒸馏水润湿的透水纱布裹住，纱布下端放入装有蒸馏水的壶中。

3.2.2 数据处理模块

数据处理模块是实现烤房内温湿度智能控制的核心部分，本烤房的数据处理模块选用智能化烤房温湿度控制器。其原理是：当烤房内的温度、湿度达到或超过预先设定的值时，控制器中的继电器触点闭合，风扇接通电源开始工作，对烤房内进行鼓风，增加循环量，以减少温度或湿度；一段时间后，箱内温度或湿度远离设定值，控制器中的继电器触点断开，鼓风停止。除基本功能外不同型号还带有断线报警输出、变送输出、通信、强制加热鼓风等辅助功能。

3.2.3 通信模块

通信模块是实现数据远程的关键部分，烤房的实时温湿度数据通过远程传输模块传输给用户端，包括手机端和远程监控端，前者利用GSM通信实现，后者利用GPRS通信协议实现，根据需求，本烤房选用GRM200G智能GPRS无线传输终端。

4 试验与分析

为验证设计的空气源热泵烤房的效果，2020年7月20—31日在贵州省毕节市威宁县烘烤工场使用中部烟叶开展了普通燃煤烤房、生物质颗粒烤房与空气源热泵烤房节能应用效果和温湿度操控性能正交试验，为确保试验结果的可靠性，使用18座烤房进行试验，每种烘烤方式包含6座烤房。通过对比烘烤干烟成本和烤房内部的温度和湿度变化，从而判断出哪种烘烤方式在减少烘烤成本的同时，又能减小烘烤过程中温度和湿度的波动，避免影响烟叶烘烤质量。

4.1 节能应用效果试验

通过表6可以看出，普通燃煤烤房烘烤烟叶时主要消耗煤，电能消耗较少，但由于使用煤为燃料，安全性较差，因此需要更多的人力去照看，最终每座烤房烘烤干烟总价为1 158.5元；生物质颗粒烤房主要消耗生物质颗粒以及一部分电能，最终每座烤房烘烤干烟总价为902.5元；空气源热泵烤房仅消耗电能，且由于其结构的优异性，减少了电能消耗，最终每座烤房烘烤干烟总价为695元。

通过对比可以看出，空气源热泵烤房烘烤1座烤房烟叶的总成本比普通燃煤烤房低463.5元，烘烤出1 kg干烟节约0.77元；比生物质颗粒烤房低207.5元，烘烤出1 kg干烟节约0.35元。

4.2 温湿度操控性能试验

从表7可以看出，在温度控制上，普通燃煤烤房实际温度与设定温度值变化在各个温度段之间波动较大，在309.15 K～312.15 K温度段，实际温度比设定温度低273.15 K，在320.15 K～328.15 K温度段，实际温度比设定温度高275.15 K，其余各温度段温差最高达274.65 K，较大的温度变化将烟叶烤坏或者未烘干。生物质颗粒烤房在306.15 K～309.15 K温度段时，实际温度比设定温度低275.15 K，其余各温度段波动变化减小，但仍有274.45 K的波动，整体烘烤质量优于普通燃煤烤房。空气源热泵烤房在各温度段温度变化比较均匀，最高变化只有274.35 K，在320 .15 K～343.15 K甚至只有274.25 K的波动，优于生物质颗粒烤房，说明空气源热泵烤房控制系统温度调控灵敏，响应及时。

在湿度控制上，普通燃煤烤房实际湿度与设定湿度值变化在各个温度段之间波动较大，在309.15 K～312.15 K温度段，实际湿度比设定湿度低了2%RH，在320.15 K～328.15 K温度段时，实际湿度比设定湿度高了2%RH，其余各温度段也有0.5%RH～1%RH的差距，较大的湿度变化将导致烟叶未能充分烘干，进而引起烟叶发霉。生物质颗粒烤房在306.15 K～309.15 K和334.15 K～343.15 K温度段时，实际湿度比设定湿度低了1%RH，其余各温度段波动变化减小，但仍有0.3%RH～0.6%RH的波动，总体烘烤质量优于普通燃煤烤房。空气源热泵烤房在各温度段湿度变化比较均匀，仅在334.15 K～343.15 K温度段有0.7%RH变化，在其余各温度段只有0.1%RH～0.4%RH的波动，整体优于生物质颗粒烤房，说明空气源热泵烤房的湿度控制系统调控灵敏准确，操作性能更佳。

5 结论

本文通过开展空气源热泵烤房结构设计、结构布局优化和温湿度控制系统设计，并进行节能应用效果和温湿度操控性能对比试验。

1） 通过FLUENT仿真模拟：（1）对装烟室气流下降式和气流上升式烤房的内部流场进行模拟，得出气流上升式烤房的内部气流流场和温度场更加均匀；（2）对装烟室4.2%、4.6%和5%三种坡度内部流场进行模拟，得出4.6%坡度的流场更加均匀；（3）对加热室底部导流板角度为0°、10°、20°和30°的内部流场进行模拟，得出10°导流板更能保证气流均匀度。

2） 通过正交试验：（1）在温度控制上，本文设计的空气源热泵烤房控制系统的实际温度与设定温度值变化在274.25 K～274.35 K之间，相比普通燃煤烤房的274.65 K～275.15 K和生物质烤房的274.35 K～274.45 K，控制更加精准；（2）在湿度控制上，本文设计的空气源热泵烤房控制系统的實际湿度与设定湿度在0.1%RH～0.4%RH之间，普通燃煤烤房湿度差值在1%RH～2%RH之间，生物质在0.3%RH～0.6%RH之间，操控性能上表现更佳。

3） 在节能效益上，本文设计的空气源热泵烤房与普通燃煤烤房和生物质燃料烤房相比，平均烘干1 kg烟叶可分别节约0.77元和0.35元，并且没有附加污染物排放，避免了大气污染。

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基金项目：贵州省科技计划项目（黔科合成果［2019］4412号）；贵州省烟草公司毕节市公司科技项目（毕烟技［2017］140号）

第一作者：李磊磊，男，1986年生，山东临邑人，硕士，农艺师；研究方向为烟叶调制。E-mail： 471934071@qq.com

通讯作者：李家春，男，1974年生，贵州毕节人，博士，教授；研究方向为高温热泵和结构优化等。E-mail： 420544028@qq.com