空氣源熱泵余熱回收裝置對煙葉烘烤能耗的影響

吳恩彪　傅林　蔡衛偉　陳詩瑤　林永華　陳龔　許梁

摘 要：煙葉烘烤過程中，裝煙室大量的高溫濕氣隨氣流交換被排放到密集烤房之外，造成熱量的大量流失。基于空氣源熱泵熱量轉運的特點，在原有生物質燃料供熱設備的基礎上，添加一套空氣源熱泵余熱回收裝置，在煙葉烘烤原有生物質燃料供熱方式下進行輔助供熱。結果表明：雙制式烤煙供熱系統烘烤下部葉干煙成本降低18.1%;烘烤中部葉干煙成本降低22.9%;烘烤上部葉干煙成本降低19%，節能效果明顯。本設備每年使用成本為500元，每年可節約烘烤成本1 470元。該系統在不改變原有烘烤工藝的基礎上實現了烤房余熱回收，對于多途徑豐富烤煙供熱的方式具有參考意義。

關鍵詞：密集烤房;供熱方式;空氣源熱泵;余熱回收;輔助供熱

中圖分類號：S 572 文獻標志碼：A 文章編號：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

煙葉烘烤是烤煙生產的重要環節。密集烤房有裝煙量大，溫濕度控制自動化程度高的特點，是當前國內煙葉烘烤使用的主要烤房類型。國內大部分的密集烤房是按照國煙辦綜（2009）418號文件的技術規范建造的[1]。目前，我國密集式烤房仍以煤炭為主要燃料，生物質燃料、空氣源熱泵、天然氣等能源為輔[2]。

近年來，隨著新能源產業的發展，國內對新能源密集烤房也開展了廣泛的研究[3-5]。研究表明[6-9]，在煙葉烘烤成本上，空氣源熱泵烤房<生物質燃料烤房<燃煤烤房，并初步形成了空氣源熱泵和生物質燃料替代燃煤的趨勢。在烤后煙葉質量上，熱泵烤房烘烤的煙葉顏色鮮亮、成熟度好、組織結構疏松，內在品質有所改善，上等煙及產值均有所提高[10]。宮長榮等[11]將熱泵和冷凝除濕原理應用于煙葉烘烤，結果表明空氣源熱泵烤房可以有效提高烤后煙葉質量?？諝庠礋岜每痉吭诠澞堋p排、增效方面有良好的應用效果[12-13]。但是，關于空氣源熱泵與生物質燃料雙熱源供熱系統組合在密集烤房上應用鮮見報道。

為探索空氣源熱泵與生物質燃料雙熱源供熱系統對密集烤房煙葉烘烤的節能效果，本試驗在原有生物質燃料供熱設備的基礎上，加裝小功率空氣源熱泵余熱回收輔助供熱裝備，通過改變原有烤房排濕方式，把濕熱氣體通過排濕通道集中，并在排濕通道外端對接空氣源熱泵蒸發器，通過熱泵蒸發器把排濕過程帶出的熱能回收利用，以達到提高熱能利用率，減少能耗，節約成本的目的。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試設備為2座相同的氣流下降式密集烤房，裝煙室長8.0 m，寬2.7 m，高3.5 m，裝煙4層;加熱室長2 m，寬2.7 m。供試材料為龍巖市永定縣烤煙主栽品種云煙87，在煙葉成熟的不同階段，分別采收同一田塊的下二棚、腰葉和上二棚煙葉進行排濕余熱回收試驗。熱源燃料為同一廠家、同一批次的生物質燃料，熱值為18 417 J·g-1。

1.2 分體式空氣源熱泵余熱回收機組的安裝

將原烤房排濕窗全部關閉。在密集烤房前墻正中位置離地250 mm處，鉆一直徑為260 mm的穿墻洞，用PVC圓管穿過加熱室，一端延伸至裝煙室吸收濕熱氣體，另一端通過法蘭與余熱回收器主機相連，將濕熱氣體集中對準熱泵蒸發器。用密封膠將PVC管與穿墻洞的間隙密封。在加熱室風機臺板上距風機400 mm處放置余熱回收機組冷凝器并固定。

本研究中空氣源熱泵余熱回收機組由龍巖市煙草公司永定分公司和深圳雷帕科技開發有限公司聯合設計制作，采用三相電源，壓縮機功率為980 W，冷媒選用R134 a，蒸發器面積13.2 m2，冷凝器面積13.8 m2，空氣源熱泵余熱回收機組安裝如圖1所示。

1.3 試驗方法

本研究于2020年4月20日至6月20日期間，在龍巖市永定區大溪鄉萬石烤房群開展。本研究設置兩個處理，即加裝雙制式空氣源熱泵余熱回收機組烤房（簡稱余熱回收烤房T）、普通生物質燃料密集烤房（簡稱對照烤房CK）。在煙葉成熟后，分別用同一田塊的下二棚、腰葉和上二棚煙葉進行烘烤試驗。

1.4 檢測項目及方法

烘烤能耗：統計各處理各烤次的耗電量、生物質燃料用量。鮮煙重量：每烤次裝煙上烤時隨機抽取15竿稱重，取平均重量，折算整烤鮮煙重量。干煙重量：各烤次下烤后，待回潮至含水量約16%左右，取15竿稱重，取平均重量，折算整烤干煙重量。

2 結果與分析

2.1 下部葉烘烤能耗分析

由表1可知，下部葉烘烤中，余熱回收烤房的平均干煙消耗燃料量為1.83 kg·kg-1，對照烤房的干煙耗燃料量為2.49 kg·kg-1;余熱回收烤房的干煙耗電量為0.68 kW·h，對照烤房的干煙耗電量為0.40 kW·h。由此可見，余熱回收烤房的平均干煙烘烤成本為2.08元·kg-1，對照烤房的平均干煙烘烤成本為2.54元·kg-1，余熱回收烤房相比對照烘烤成本降低了18.1%。

2.2 中部葉烘烤能耗分析

由表2可知，中部葉烘烤中余熱回收烤房的干煙耗燃料量為1.19 kg·kg-1，對照烤房的干煙耗燃料量為1.70 kg·kg-1;余熱回收烤房的干煙耗電量為0.42 kW·h，對照烤房的干煙耗電量為0.29 kW·h。由此可見，余熱回收烤房的平均干煙烘烤成本為1.35元·kg-1，對照烤房的平均干煙烘烤成本為1.75元·kg-1，相比對照而言余熱回收烤房烘烤成本節約22.9%。

2.3 上部葉烘烤能耗分析

由表3可知，上部葉烘烤中余熱回收烤房的干煙耗燃料量為1.41 kg·kg-1，對照烤房的干煙耗燃料量為1.85 kg·kg-1;余熱回收烤房的干煙耗電量為0.56 kW·h，對照烤房的干煙耗電量為0.31 kW·h。由此可見，余熱回收烤房的平均干煙烘烤成本為1.54元·kg-1，對照烤房的平均干煙烘烤成本為1.9元·kg-1，相比對照而言余熱回收烤房烘烤成本節約19%。

2.4 總體改造的經濟效益

本研究中空氣源熱泵輔助供熱系統投資成本4 500元，按10年使用壽命計算，每年使用成本為450元，年維護費用50元。按每烤季烘烤煙葉7烤次，可烤干煙3 500 kg，在現階段燃料及電費價格條件下，平均煙葉可節約烘烤成本0.42元·kg-1，一烤季可節約烘烤成本1 470元。以目前烤房用電及燃料成本計算，3年內便可收回成本。

3 結論與討論

熱泵技術是一種有效的節能措施，具有廣闊的發展前景。隨著熱泵技術的發展，熱泵的能效比在4以上。將熱泵技術用于煙葉烘烤，可帶來良好的經濟效益和社會效益[14]。但是，15匹的熱泵烤房單套設備在7萬余元，高建設成本導致熱泵烤房在當前無法全面推廣。因此，探索小型熱泵回收余熱設備參與輔助供熱，有效降低煙葉烘烤能耗勢在必行。

本試驗將空氣源熱泵與生物質燃料雙熱源供熱系統組合進行節能效果研究，結果表明，空氣源熱泵輔助供熱系統可以在不影響煙葉正常烘烤的前提下，充分進行排濕余熱回收，實現節約燃料的作用，節能效率達18%以上，效果良好，有較大的推廣價值。同時，本研究發現空氣源熱泵輔助供熱設備在排濕時可作為余熱回收裝置，回收排濕散失的熱量;在未排濕時，可當作供熱設備運行，吸收環境中的熱量為烤房供熱。

此外，本研究發現在氣溫較高的時段，空氣源熱泵所產生的熱量足以在變黃期穩溫。為達到更好的節能效果，可構建生物質燃燒機與熱泵耦合供熱的自動控制系統[15]，在升溫及大排濕等熱負荷較大時段，啟動生物質燃機與熱泵聯合供熱;在穩定階段或高溫天氣中午時段，僅啟動熱泵，關閉生物質燃燒機，以減少燃料消耗，達到節能減耗的目的。

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（責任編輯：柯文輝）

收稿日期：2021-03-02

作者簡介：吳恩彪，男，1983年生，助理農藝師，主要從事煙葉栽培與調制研究。