煙葉烘烤密集烤房不同太陽能集熱器集熱與節能效果研究

摘要：為比較不同太陽能集熱器的集熱效果，利用照度計和溫濕度顯示器對5種接裝于氣流下降式密集烤房上的太陽能集熱器性能進行了測定；同時，進行了煙葉烘烤耗煤量對比試驗。結果表明，透光覆蓋材料的透光率和保溫性能、集熱介質類型等對集熱器的集熱效果均具有一定的影響。1.3 mm PC耐力板的透光率（73.01%～73.71%）大于1.5 mm PC耐力板（71.96%），也大于4.0 mm PC中空陽光板（66.41%）；黑色碎石的集熱效果好于土壤；PC中空陽光板的保溫性能明顯好于PC耐力板。總的來看，太陽能輔助供熱密集烤房均具有明顯的節能效果，平均節煤率為15.08%，其中以透光覆蓋材料為PC中空陽光板、集熱介質材料為黑色碎石的集熱器節煤率最高（17.28%）。

關鍵詞：煙葉烘烤；密集烤房；太陽能集熱器；節能效果

中圖分類號：TS44+1；TS43；TK519 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2013）10-2340-04

最新的研究結果[1-4]表明，煙葉密集烤房接裝低成本的日光溫室型太陽能集熱器后利用太陽能輔助烘烤煙葉可明顯節能減排、降低烘烤成本。但是日光溫室型太陽能集熱器的集熱效果受到很多因素的影響，如當地的太陽輻射強度、天氣狀況、集熱器覆蓋材料的透光率、集熱器的反光率、集熱介質的黑度和比熱容以及質量（決定集熱器的吸熱和蓄熱能力）、集熱器的保溫性能、集熱器的規格與擺放朝向[5，6]等。為了選擇集熱效果最佳的集熱器組合，課題組對接裝于氣流下降式密集烤房的5個規格相同、但覆蓋材料和集熱介質組合不同的太陽能集熱器的集熱效果進行了測定，并對這些太陽能輔助供熱密集烤房的實際烘烤節能效果進行了比較，以期為密集烤房選擇適宜的太陽能集熱器提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料及設備安裝

試驗于2009～2011年在貴州省長順縣廣順鎮冷壩村煙葉烘烤場進行。5個供試的日光溫室型太陽能集熱器均接裝于氣流下降式密集烤房的上面，呈東西方向擺放，規格相同，長度為8.5 m、寬度為3.1 m，采用空心水泥磚和標準磚砌集熱器圍護結構，結構兩面均采用水泥沙漿粉刷嚴密，其南墻矮于北墻，東西兩頭為斜墻，頂面向南下方的斜角為15°。5個集熱器的透明覆蓋材料組合和集熱介質組合都不同，其中1號集熱器的覆蓋材料為4.0 mm厚的PC中空陽光板，集熱介質為10 cm厚的黑色碎石；2號集熱器的覆蓋材料為1.5 mm厚的PC耐力板，集熱介質為10 cm厚的當地干土；3號集熱器的覆蓋材料為1.3 mm厚的PC耐力板，集熱介質為10 cm厚的當地半石半土混合物；4號集熱器的覆蓋材料為1.3 mm厚的PC耐力板，集熱介質為10 cm厚的黑色碎石；5號集熱器的覆蓋材料為1.3 mm厚的PC耐力板，集熱介質為10 cm厚的當地干土。

各集熱器均在密集烤房門端上方集熱器斜墻上設置冷風進風口、在密集烤房加熱室上方集熱器斜墻上設置熱風出風口，并設置引風道包圍集熱器熱風出風口和密集烤房進風口，將集熱器內的熱空氣自動引入密集烤房的加熱室中，以減少煙葉烘烤過程中使用烤房火爐提供的熱量，從而達到節能減排、降低成本的目的。

供試煙葉品種：2009～2010年為云煙85（Nicotiana tabacum L. cv. Yunyan 85），2011年為K326（N. tabacum L. cv. K326）。

1.2 方法

采用TES-1332A型數位式照度計（臺灣泰仕電子工業股份有限公司）測定集熱器內外的光照度，在集熱器中點處水平位置安放光檢測器，每次測定均從整點開始，從測定日的8∶00～18∶00，每隔1 h測定1次，全天共測11次。因為光照度是動態變化的，測定時需在集熱器外面附近同一高度再水平放置另一臺同型號照度計的光檢測器，同時讀取集熱器內外的光照度數值，以準確計算透光率。

采用DLK-Ⅲ型數碼煙葉烤房溫濕度顯示器（云南達麗康科技開發有限公司）測定集熱器內外的溫度、空氣相對濕度，將顯示器傳感器的干球和濕球探頭置于各集熱器的中點處，同時測定環境的溫度、空氣相對濕度。

采用沒有接裝太陽能集熱器的氣流下降式密集烤房作為對照（CK）進行烘烤耗煤量對比試驗。太陽能輔助供熱密集烤房與對照烤房均同時采烤，裝煙量相同，烘烤工藝相同，并各自單獨稱取用煤量。

2 結果與分析

2.1 不同集熱器的透光率

在透光覆蓋材料向南下方的斜角相同的條件下，試驗測定的5個集熱器實際透光率日變化結果見圖1。從圖1可見，各集熱器的實際透光率隨時間進程的變化非常明顯；如在測定日的8∶00～10∶00呈下降趨勢，10∶00～13∶00呈上升趨勢，在13∶00達到最大值之后又呈下降趨勢；這表明光線類型、光照度和照射角度對集熱器的透光率均具有明顯的影響。實際測定時，測定日的上午光強較弱，主要是漫射光，集熱器反射的光較少，透光率相對較高；隨著時間的進程，直射光逐漸占據主導地位，但由于入射角較小，照射到覆蓋材料上面的光被反射的比例較大，集熱器的透光率因而下降；不過之后隨著入射角度的增大，集熱器覆蓋材料反射光線的比例又變小，透光率呈明顯增大趨勢；到13∶00之后，光線的入射角又逐漸變小，集熱器覆蓋材料反射光線的比例又增大，使透光率呈明顯的下降趨勢。透光覆蓋材料的材質和厚度對集熱器的透光率也有一定的影響。試驗進行的測定日11次透光率測定的平均值以3個1.3 mm 厚的PC耐力板較高（73.01%～73.71%），均高于1.5 mm厚的PC耐力板（71.96%），當然其差異不大；而4.0 mm厚的PC中空陽光板明顯較低（66.41%），這主要是因為其上面有很多起固定作用的構件增大了反光率，因而降低了透光率。

2.2 不同集熱器的集熱效果

集熱器內的溫度高低反映了集熱器集熱效果的不同，而集熱器的集熱效果由太陽輻射強度、透光覆蓋材料的透光率和保溫能力、集熱介質的吸熱蓄熱性能、圍護結構的保溫性能等因素綜合決定。在試驗中，5個集熱器內的溫度日變化結果見圖2。從圖2可見，各集熱器內的溫度隨時間進程的變化非常明顯，在測定日的8∶00～14∶00呈明顯上升趨勢，在14∶00達到最大值（此時與環境溫度的最大值差距可達35.7～40.5 ℃），而后則呈下降趨勢。測定日11次測定的溫度平均值高低排序為1號集熱器（53.7 ℃）、4號集熱器（52.6 ℃）、5號集熱器（51.4 ℃）、3號集熱器（50.9 ℃）、2號集熱器（49.7 ℃）、環境溫度（29.4 ℃），各集熱器在測定日11次測定的溫度平均值高于環境溫度20.3～24.3 ℃，表明各集熱器均具有明顯的集熱效果。進一步分析表明，1號集熱器與4號集熱器的集熱介質是相同的，都為黑色碎石，但覆蓋材料的透光率4號集熱器的1.3 mm厚的PC耐力板明顯大于1號集熱器的4.0 mm厚的PC中空陽光板，而1號集熱器的集熱效果好于4號集熱器，說明1號集熱器覆蓋材料4.0 mm厚的PC中空陽光板的保溫能力明顯好于4號集熱器的1.3 mm厚的PC耐力板；4號集熱器與5號集熱器的覆蓋材料相同，都為1.3 mm厚的PC耐力板，但4號集熱器的溫度高于5號集熱器，說明黑色碎石作為集熱介質的集熱效果好于當地干土；2號集熱器和5號集熱器的集熱介質相同，都為當地的干土，覆蓋材料的材質也相同，都為PC耐力板，但PC耐力板的厚度不同，顯然1.3 mm厚的PC耐力板的透光率高于1.5 mm厚的PC耐力板，但保溫能力不如后者，所以5號集熱器的集熱效果好于2號集熱器。

2.3 不同集熱器的空氣相對濕度

在煙葉烘烤過程中，煙葉水分產生的大量水汽必須通過進入密集烤房的空氣吸納和排出。所以進入密集烤房的空氣相對濕度越低，空氣越干燥，吸納水汽的能力就越強，排出相同水汽需要進入密集烤房的空氣就越少，消耗的能量也就越少，越能減少燃料消耗和降低烘烤成本。在試驗中，5個集熱器內及環境的空氣相對濕度日變化結果見圖3。由圖3可見，5個集熱器內的空氣相對濕度均隨著測定日時間的進程而呈明顯的下降趨勢，并且在16∶00達到最低，之后呈上升趨勢。測定日11次測定的空氣相對濕度平均值高低排序為環境相對空氣濕度（59.2%）、5號集熱器（38.2%）、4號集熱器（36.8%）、3號集熱器（34.4%）、2號集熱器（33.8%）、1號集熱器（30.6%）。由此可以預見，太陽能輔助供熱密集烤房排濕耗能將大大少于直接采用環境空氣排濕的對照耗能。

2.4 不同集熱器的節能效果

各參試密集烤房3年9炕（次）平均1 kg干煙葉耗煤量比較情況見圖4。從圖4可見，對照密集烤房1 kg干煙葉耗煤量為1.91 kg，明顯高于5個太陽能輔助供熱密集烤房的1 kg干煙葉耗煤量水平（1.58～1.68 kg）。在節煤率方面，5個太陽能輔助供熱密集烤房的平均節煤率為15.08%，其中1號集熱器的最高，其節煤率為17.28%，4號集熱器節煤率為16.23%，5號集熱器節煤率為15.18%，3號集熱器節煤率為14.66%，2號集熱器節煤率為12.04%，這與前面集熱器的集熱能力高低排序相對應；說明太陽能輔助供熱方式對于密集烤房的節能效果非常明顯。

3 小結與討論

1）試驗接裝于氣流下降式密集烤房上面的日光溫室型太陽能集熱器均具有明顯的集熱效果，各集熱器測定日11次測定的溫度日變化平均值高于環境溫度20.3～24.3 ℃。

2）在相同地點，規格和圍護結構的日光溫室型太陽能集熱器中，集熱效果主要由透光覆蓋材料的透光率和保溫性能、集熱介質的吸熱和蓄熱能力決定。試驗實測結果表明，透光率欠佳的覆蓋材料如果保溫能力好，則集熱器的總體集熱效果并不欠佳。作為低成本的日光溫室型太陽能集熱器的優化組合是：以保溫性能好的PC中空陽光板為采光覆蓋材料，以吸熱性能好、比熱容較大的黑色碎石為集熱介質，以保溫性能好的價格較低的中空水泥磚為圍護結構主要材料。

3）接裝了日光溫室型太陽能集熱器的密集烤房與對照普通密集烤房相比，均具有明顯的節能減排、降低成本效果。各太陽能輔助供熱密集烤房3年試驗的平均節煤率為12.04%～17.28%，這與集熱器的集熱能力高低相對應。太陽能輔助供熱密集烤房總平均節煤率為15.08%，并相應地減少了相當于15.08%的廢氣排放量，烘烤成本也將大大降低。從實測結果可見，集熱器內的溫度大大高于環境，而空氣相對濕度也大大低于環境。對照密集烤房直接使用相對低溫、高濕的環境空氣進行通風排濕，排濕需要的空氣量大，進入密集烤房后需要被加熱，要提高的溫度高，因此排濕能耗較大；而太陽能輔助供熱密集烤房使用集熱器內相對高溫、低濕特性的空氣進行通風排濕，第一能在溫度高于裝煙室內溫度時加熱煙葉，從而減少煙葉烘烤所需能量中燃料提供的能量；第二能在溫度低于裝煙室溫度時，需要被加熱的溫差也明顯小于環境空氣，即需要消耗的能量明顯少于環境空氣；第三是減少了排濕需要的空氣量，降低了排濕能耗；第四是集熱器兼具避雨作用，可減少降雨時密集烤房頂部蒸發水分的耗熱量。故太陽能輔助供熱密集烤房節能效果明顯。

參考文獻：

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