热泵烤房及其供热能源对烟叶烘烤效益的影响

朱伟，肖文锋，姚雪梅，李正平，陈立军，刘京，贺立伟*

(1 湖南省烟草公司邵阳市公司，湖南 邵阳 422000：
2 中国烟草总公司湖南省公司，湖南 长沙 410004；

3 湖南省烟草公司邵阳市公司隆回县分公司，湖南 隆回 422200)

密集烤房是当前我国用于烟叶调制的主要设施[1]。我国现阶段烟叶烘烤中广泛采用燃煤为供热能源[2]。但燃煤供热方式存在能源利用率低、升温不平稳、稳温效果差等缺点，且其产生的硫化物、粉尘颗粒等有害物质排放易引起环境污染等问题，是制约我国烟叶烘烤效率提升的主要因素[3-4]。近年来，随着“创新、协调、绿色、开放、共享”总体发展战略的实施及现代烟草产业的纵深发展，烤房改进和煤炭替代能源的开发与利用已成为我国烟叶生产中重点关注的方向[5-6]。热泵供热技术的研发与应用、烤房设备的更新换代以及烟叶烘烤技术的变革，为以电能为供热能源的热泵烘烤技术的应用奠定了良好的基础[7-13]。电能热泵烤房加热室由压缩机、电热丝、风机等主要设备组成，采取气流下降方式进行热风循环，可通过加强内循环除湿保温，减少传统密集型烤房烘烤过程中的烟叶香气物质损失，从而提高烟叶品质，实现降本增效[14-15]。此外，热泵烤房以清洁的电能为热源，能进一步实现烟叶烘烤环节的节能、减排[16-17]。邵阳是湖南省主产烟区之一，所产烟叶具有焦甜、醇甜香型的典型特点，是浙江中烟、广西中烟等工业企业优质烟叶原料的重要供应基地。该地在烟叶烘烤环节以燃煤为主要供能形式，存在燃煤密集烤房烟叶烘烤的普遍性问题。本研究对不同热泵设备以及不同供能形式下的烟叶烘烤效益进行比较，以为热泵烘烤设备的选择及其推广应用提供支撑，从而推进邵阳烟区烟叶生产中清洁能源的应用。

1.1 试验地点和供试品种

试验于2020年7—8月在隆回县滩头镇白居村、新宁县巡田乡巡江村和腊元村进行，供试烤烟品种为云烟87。

JC-5HGK70热泵，功率为18.5 kW(其中电辅热6 kW)，由福建邵武市精成机械制造有限公司提供；
ZW79KAE热泵，功率为26.5 kW(其中电辅热6 kW)，由湖南田野现代智能装备有限公司提供；
一次性加煤非金属烤房、生物质燃烧炉烤房，均为当地烟叶生产现有烤房设备。

1.2 试验设计

试验I：不同热泵烤房试验。单因素完全随机试验设计，设两种热泵烤房，即JC-5HGK70热泵烤房(隆回县滩头镇白居村)和ZW79KAE热泵烤房(新宁县巡田乡巡江村)，3次重复。供试鲜烟叶取自同一块地的同部位烟叶，鲜烟质量均匀一致，采用烟夹装烟，装烟量为350夹，采用三段式烘烤工艺进行烘烤。

试验II：不同供热能源试验。单因素完全随机试验设计，设3种供热能源，即燃煤供热(T1)、生物质燃料供热(T2)、电能供热(JC-5HGK70热泵)(T3)，于新宁县巡田乡巡江村和腊元村进行，3次重复。供试鲜烟叶取自同一块地的同部位烟叶，鲜烟质量均匀一致，烟夹装烟，装烟量为350夹，采用三段式烘烤工艺进行烘烤。

1.3 观测项目及方法

(1)烤房干湿温度动态变化。自点火升温后，每4 h记录一次烤房的干球温度和湿球温度，直到烘烤结束。

(2)烟叶经济性状分析。烟叶装房前每处理选择具有代表性的烟叶各12夹，分别称其鲜质量并挂牌记录，2次重复。将标识烟分别挂置在供试烤房装烟室4 m的位置，底层、中层、上层中部左右各2夹。烘烤结束烟叶回潮后，将其分级并进行经济性状分析。

(3)烘烤能耗成本分析。测定各试验烤房的用煤量、生物质燃料用量、用电量、烘烤时间，综合计算单位质量干烟的能耗成本。

1.4 数据处理与统计分析

采用Excel 2017进行数据处理和制图，采用SPSS 19.0进行统计分析。

2.1 不同型号热泵烤房烘烤工艺执行情况

如表1所示，在全自动控制的烘烤过程中，JC-5HGK70热泵烤房(H1)和ZW79KAE热泵烤房(H2)的实际干、湿球温度曲线与设定的干、湿球温度曲线基本一致，两类烤房干、湿球温度的波动可分别控制在±0.5 ℃和±0.3 ℃以内。说明两种型号的热泵烤房对温度、湿度的控制精度准确，供热稳定，2个试验处理在温湿度调控方面的性能都能满足烟叶烘烤要求，能够按照预设烘烤曲线进行温湿度控制。

2.2 不同型号热泵烤房的烟叶烘烤成本

由表2可知，不同类型热泵烤房的能耗存在较大差异。ZW79KAE热泵烤房烘烤总耗电量、每千克干烟耗电量分别为1 958.71、3.05 kW/h，分别是JC-5HGK70热泵烤房的1.95倍和1.69倍，JC-5HGK70热泵烤房的耗电量更低，在降低烟叶烘烤成本方面更具优势。

表1 不同类型热泵烤房干球、湿球温度执行情况

表2 不同热泵烤房烘烤上部烟叶的能耗情况

2.3 不同能源类型烤房烟叶烘烤工艺执行情况

由表3可知，不同能源类型的烤房在烟叶烘烤中的温湿度调控均能够满足烟叶烘烤的要求，但燃煤烤房在升温过程中的温度较难把控，容易出现升温过高等偏温现象，而电能热泵烤房和生物质燃料炉烤房相较于燃煤烤房能更加快速、精准地提升和控制温度，热泵烤房和生物质烤房烘烤工艺执行的准确性要优于燃煤烤房。

2.4 不同能源类型烤房烟叶烘烤能耗情况

由表4可知，虽然T1(燃煤)与T2(生物质燃料)处理烘烤燃料用量差异较大，但由于燃料单价的差异，其燃料费用差异不大，生物质燃料烘烤耗电量与总电费略高于燃煤型烤房；
T3(电能热泵烤房)处理每千克干烟的能耗成本为1.36元，较T1与T2处理分别降低了33.98%和32.00%。燃煤烤房和生物质燃料烤房的烘烤能耗成本主要来自燃料费用，受燃料价格的影响较大；
热泵烤房能耗成本为电费，电价相对稳定，且无添加燃料和清除炉灰成本，因此其烘烤综合成本更低，在烟叶烘烤节本方面具有明显优势。

表3 不同能源类型烤房干球、湿球温度执行情况

表4 不同能源类型烤房的烟叶烘烤能耗情况

2.5 不同能源类型烤房烤后烟叶经济性状

由表5可知，与燃煤(T1)、生物质燃料烤房(T2)相比，电能热泵烤房(T3)烘烤的中部烟叶上等烟比例分别提高26.90%和13.84%，烟叶均价分别提高了8.55%和5.27%；
上部烟叶上等烟比例分别提高了6.76%和1.28%，均价分别提高了3.80%和2.07%。利用电能热泵烤房进行烟叶烘烤，烘烤操作更加规范，烘烤工艺落实更加到位，有利于提高烤后烟叶上等烟比例和均价，从而提高烟叶的经济效益。

表5 不同能源类型烤房烤后烟叶经济性状比较

随着社会经济水平的发展，人们的环保意识日益增强，如何提高烟叶烘烤的热能利用率，降低成本，减轻污染，并确保烟叶烘烤质量，增加经济收益，已成为烟叶烘烤的重要课题。随着烤烟种植总量的减少、产区的优化、生产方式的转变和劳动力的日趋紧张，烟草高质量发展迫切需要改变传统烟叶烘烤供能模式。

随着我国电力基础设施建设不断完善，广大农村使用电力的成本逐渐降低，用电也更加便捷，因此空气源热泵供热技术在烟叶烘烤中的应用前景越来越好。前人研究[1，18-19]表明，与传统燃煤烤房相比，空气能热泵型烤房性能较好，平面温差和垂直温差较小，风速适宜，通风排湿顺畅，烤房的能耗及用工较少；
其烤后烟叶的外观质量和评吸质量明显提高，平衡含水率和填充值适宜、出丝率高，化学成分比例协调，香气质好，香气量足。因此，空气能热泵烤房完全可以替代煤炭、生物燃料等供能烤房。本试验发现，电能热泵加热设备在温湿度调控方面的性能都能够满足烟叶烘烤的要求，能够按照预设烘烤曲线进行温湿度控制，其中JC-5HGK70热泵设备能耗更低。电能热泵烤房无温室气体、燃料残渣的产生，相比燃煤和生物质燃料烤房更加环保。同时，电能热泵烤房减少了烘烤燃料的使用，减少了清除炉灰用工成本，其烘烤综合成本降幅较大，且有利于提高烤后烟叶的上等烟比例，能够提升烤后烟叶质量等级和烤烟效益。

综合分析，采用电能热泵烤房烘烤烟叶能够减少耗能，综合成本低，且有利于提高烤后烟叶质量。因此，随着电力基础设施的不断完善，在解决了电力增容、线路改造等技术和资金问题，进一步降低建设和改造成本后，电能热泵密集烤房具有良好的推广应用前景。