不同排濕方式的空氣能熱泵密集烤房烘烤效果對比研究

摘要 為探究湖北襄陽地區新能源烤房的降本增效烘烤效果，開展3種不同排濕方式空氣能熱泵烤房與生物質烤房的烘烤效果對比試驗。試驗共設4個處理：S 移動式生物質顆粒密集烤房為對照（CK）；S2，開放式空氣能熱泵密集烤房；S3，密閉式空氣能熱泵密集烤房；S4，復合式空氣能熱泵密集烤房。對各處理的負載烘烤效率、烘烤關鍵溫度控制、烘烤成本、煙葉常規化學成分、烤后煙葉經濟性狀進行對比分析，驗證烘烤效果。結果表明：與生物質烤房相比，新能源熱泵烤房烘烤效率稍低，但關鍵烘烤溫度控制更精準，烘烤成本減少；新能源熱泵烤房的單位干煙平均成本僅為1.20～1.52元/kg，遠低于生物質烤房，下降了0.69～1.01元/kg，降幅高達31.22％～45.70％，每炕煙能節省386.7～543.3元；熱泵烤房煙葉內在質量化學成分協調性提升，以密閉式和復合式效果更加；密閉式空氣能熱泵密集烤房上等煙比例顯著提升了5.92百分點，煙葉均價顯著增加了2.27元/kg，總產值最佳。總體來看，熱泵密集烤房與生物質密集烤房相比，省工降本，提質增效，具有十分良好的推廣前景。

關鍵詞 烤煙；排濕方式；空氣能；熱泵烤房；生物質密集烤房

中圖分類號 TS 44 文獻標識碼 A

文章編號 0517-6611（2024）20-0169-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2024.20.041

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Comparison of the Baking Effect of an Air EQO932uyfl/1E+zGR01BPnyFphiUOmMpWE2tbD7fUTRk=nergy Heat Pump Intensive Baking Room Using Different Humidity Removal Methods

CHEN Yong-wei， TIAN Hui-wen， CHEN Yong-de et al

（Xiangyang Branch of Hubei Tobacco Corporation， Xiangyang， Hubei 441000）

Abstract In order to explore the cost reduction and efficiency improvement baking effect of new energy baking houses in Xiangyang， Hubei， comparative experiments on the baking effects of three different dehumidification methods of air energy heat pump baking room and biomass baking room were conducted. A total of 4 treatments were set up in the experiment， with S1 （CK） mobile biomass particle dense baking house as the control;S2 open air energy heat pump dense baking room;S3 closed air energy heat pump dense baking room;S4 composite air energy heat pump dense baking room. The load baking efficiency， key baking temperature control， baking cost， conventional chemical composition of tobacco leaves， and economic benefits of cured tobacco leaves for each treatment are compared and analyzed to verify the baking effect. The results show that compared with biomass baking rooms， the baking efficiency of new energy heat pump baking rooms is slightly lower， but the key baking temperature control is more precise， and the baking cost is reduced;the average cost of dry smoke per unit in the new energy heat pump drying room is only 1.20-1.52 yuan/kg， which is much lower than that in the biomass drying room， with a decrease of 0.69-1.01 yuan/kg， a decrease of 31.22%-45.70%， and a savings of 386.7-543.3 yuan per unit of smoke. The chemical composition coordination of the internal quality of tobacco leaves in the heat pump drying room is improved， and the effect is better with closed and composite methods. The proportion of high-quality tobacco in the closed air enerygy heat pump intensive curing room significantly increased by 5.92 percentage point， and the average price of tobacco leaves significantly increased by 2.27 yuan/kg， with the best total output value. Overall， compared with biomass intensive baking houses， heat pump intensive baking houses save labor， reduce costs， improve quality and efficiency， and have a very good promotion prospect.

Key words Flue-cured tobacco;Dehumidification method;Air energy;Heat pump baking room;Biomass intensive baking room

煙葉的調制是把煙葉從農業產品加工成工業可用產品的一個關鍵過程，這個烘烤干燥過程需要大量消耗熱能，我國在2005年開始推廣使用臥式密集烤房，多以煙煤為主供能，因此產生了大量燃煤燃燒排放的SO2、CO2、CO及粉塵等，造成嚴重的環境污染［1-3］。近年來，國家對生態環境的保護越來越重視，探索低能耗、低排放的環境友好型煙葉烘烤生產方式，已成為各煙區在生產環節探索節能減排的主要方向，其中尤以烘烤環節最多，涉及電力、煤炭及污染物排放［4-5］。

空氣能熱泵烤房，利用熱泵機組作為設備主機將空氣源熱泵加熱排濕或采用制冷方式除濕，從而達到干燥要求，是一種更安全、環保、節能的烘烤方法［3，6］。根據干燥機組不同，排濕結構方式主要分為開放式、密閉式、復合式。工作原理的區別主要為：①開式熱泵干燥，以空氣源熱泵加熱空氣，采用熱風加熱排濕；②閉式熱泵干燥，采用制冷方式除濕，以冷凝熱進行再加熱的冷凝除濕干燥;③復合式熱泵干燥，可按需求切換成開式或閉式的空氣源熱泵冷凝除濕干燥［7-8］。

目前，空氣熱泵干燥設備已經廣泛應用于食品加工、陶瓷烘焙、紡織制品及干燥農產品等領域［9-10］。相關研究表明，熱泵烤房根據逆卡諾原理，利用空氣能熱泵機組作為設備主機，將空氣源熱泵進行加熱排濕，抑或采用制冷方式進行除濕，經過系統高效集熱整合，達到煙葉生產所需的干燥要求，該烘烤方法具備清潔高效、可再生優勢，所烤煙葉均質化程度高，烤后煙葉物理、外觀、化學成分更佳，易烘烤出更多的上等煙。胡曉東等［4］研究發現，熱泵烤房的裝煙室溫差控制更加精確，在水平和垂直面溫度差值減少，有利于整炕煙葉都在最佳溫度進行調制，促進煙葉質量提升，增加中上等煙比例。田效園等［11］研究認為，熱泵烤房顯著節約成本，煙葉等級及評吸質量提升明顯。

因此，熱泵密集烤房在推動現代煙草農業高質量發展方面具有良好前景［12-13］。但受各煙區生態環境與主栽品種不同的限制，執行的烘烤工藝與烤房性能沒有完全匹配，無法將熱泵烤房性能優勢完全發揮。因此，通過不同排濕方式的空氣能熱泵烤房烘烤效果對比，開展不同排濕方式熱泵烤房的烘烤工藝、能耗與烤后煙葉質量研究，旨在進一步推進煙葉烘烤質量提升，為新型能源空氣源熱泵烤房的推廣應用提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料 試驗于 2023 年在湖北省棗陽市吳店鎮玉皇廟村十月九烘烤工廠進行。供試烤煙品種為湘煙3號，田間管理按照當地優質煙葉生產技術規范執行。供試煙葉為田間鮮煙素質一致、正常成熟采收的中部葉（自下而上第8～12片葉），各處理均為同一天采摘、夾煙、入坑和點火。各處理烤房規格均為 8.00 m×2.70 m×3.50 m，符合國煙辦綜〔2009〕418號標準。

1.2 試驗設計 試驗設 4 個處理，分別為：S 移動式生物質顆粒密集烤房（CK）；S2，開放式空氣能熱泵密集烤房；S3，密閉式空氣能熱泵密集烤房；S4，復合式空氣能熱泵密集烤房（表1）。

烘烤工藝采取當地常規的中部煙3段10步烘烤曲線。

1.3 測定項目和方法

1.3.1 負載烘烤效率。測定各處理烤房的鮮、干煙葉重量，不同烘烤階段用時、總烘烤用時、計算單位干煙烘烤用時。

1.3.2 烘烤關鍵溫度統計。使用烤房監控儀，對每房煙葉10個烘烤工藝關鍵穩溫點進行記錄，并與目標溫度進行對比，分析目標溫度與實際溫度的差異。

1.3.3 烘烤成本對比分析。上烤前隨機抽取 10 夾煙葉稱重并掛牌標記，烤后對干煙稱重，計算鮮干比，以此測算整房干煙重量。在各處理烤房分別安裝獨立電表，于同一天用同一批鮮煙素質一致的煙葉裝炕后，采用統一的中部葉3段10步烘烤工藝，烘烤結束后，統計各處理燃料用量。記錄每炕煙葉烤前、烤后的電表讀數，測算每炕煙葉耗電量。

1.3.4 化學成分分析。采用連續流動分析儀測定煙葉常規化學成分。

1.3.5 烤后煙葉經濟性狀。參照中華人民共和國國家標準GB 2635—1992《烤煙》對烤后煙葉進行分級，確定煙葉等級，并根據當地烤煙收購價格確定均價。

1.4 數據分析與處理 采用Microsoft Excel 2016軟件進行試驗數據整理及作圖，采用SPSS 24.0軟件進行數據分析。

2 結果與分析

2.1 不同處理的煙葉烘烤效率 由表2可知，各處理烘烤效率存在顯著差異，以S1處理的烘烤總用時最少，S1與S3處理各時期烘烤用時均存在顯著差異。S1、S2、S3處理烘烤總用時之間存在顯著差異，其中S1較S2、S3、S4處理分別縮短了7、13、10 h。可見，熱泵烤房因加熱源方式不同和生物質顆粒烤房的烘烤效率存在顯著差異，可能是在中后期高溫烘烤時，電能供熱受制于功率限制，而生物質顆粒燃燒僅需加大火力供熱。S1處理單位時間內烘烤干煙量比 S2、S3、S4處理分別增加0.08、0.33、0.17 kg/h。可見，生物質烤房與熱泵烤房相比，生物質顆粒烤房的烘烤效率較高。

2.2 烘烤關鍵溫度控制 由表3可知，在變黃期（42 ℃ 以前） 各處理溫度均能控制在±0.50 ℃ 范圍內。定色期至干筋期燒大火階段，對比 S1處理，熱泵密集烤房溫度仍然基本控制在±0.50 ℃以內，溫度控制較為精準。S3處理各個階段溫差基本控制在±0.30 ℃以內，溫度控制效果最佳，說明密閉式熱泵烤房受外界影響較小，溫度控制最為穩定，而生物質顆粒烤房可能受人工添加燃料的影響，在燒大火階段溫度控制偏差稍大。

2.3 烘烤成本 由表4 可知，S1處理的煙葉鮮干比高于空氣能熱泵處理，而烘烤時長低于空氣能熱泵處理，說明生物質顆粒烤房的烘烤周期較快，但是對烘烤干物質積累有一定影響。烘烤總成本方面，熱泵烤房S2、S3、S4處理均遠低于移動式生物質顆粒密集烤房S1（CK），省工降本效果十分顯著，分別節省了543.30、386.70、514.30元。干煙平均烘烤成本方面，各處理表現為S1＞S3＞S4＞S2，S2、S3、S4處理比S1處理干煙平均烘烤成本分別下降了45.70%、31.22%、42.99%。說明使用空氣能熱泵密集烤房干煙平均烘烤成本明顯下降，且開放式和復合式的平均烘烤成本更低。

2.4 化學成分 煙葉主要化學成分含量的高低及其比例是否協調是決定煙葉內在品質的關鍵因素。目前普遍認為，優質烤煙化學成分為總糖15.0%～20.0%，還原糖14.0%～18.0%，煙堿1.50%～2.50%，總氮1.70%～1.90%，蛋白質7.0%～9.0%；一般認為，優質煙的糖堿比以8.00～12.00為宜，鉀氯比以大于4.00為宜，氮堿比以1.00或略小于1.00為宜［16］。由表5可知，與S1處理相比，S2、S3、S4處理烤后煙葉總糖和還原糖、鉀含量均顯著下降；煙堿、總氮含量則在一定程度上有所增加，S1與S4相比差異顯著；S1處理與S3、S4處理鉀含量存在顯著差異；各處理化學成分含量均在較適宜范圍內，主要化學成分比例糖堿比以S2、S3、S4處理協調性較好，各處理鉀氯比協調性均較好，氮堿比以S1、S3、S4較好。綜合來看，S3、S4處理對煙葉的化學品質協調性最有益。這可能與密閉式和復合式熱泵烤房對溫度、濕度、時間以及通風的控制更加精確有關，保證了烘烤過程中煙葉生理生化的變化在較合理的范圍。

2.5 烤后煙葉經濟性狀分析 由表6可知，S1處理烤后煙葉上、中、下等煙比例與 S2、S3、S4處理差異達顯著水平，上等煙比例S2、S3、S4處理較S1處理分別提高2.96、5.92、3.38百分點，下等煙比例S2、S3、S4處理較S1處理分別減少0.38、1.28、1.11百分點，中等煙比例S2、S3、S4處理較S1處理分別降低2.58、4.64、2.27百分點；各處理煙葉總產值高低排序為S3＞S4＞S2＞S 且處理間差異顯著。各處理煙葉均價S3顯著高于S1、S2、S4處理，分別提高了2.27、2.15、1.34元/kg。總之，新能源熱泵烤房由于溫差更為精確，減少了溫度波動，能走準目標工藝曲線，有利于上等煙比例增加，下等煙比例減少，避免雜色煙。相反，生物質顆粒烤房受生物質顆粒燃燒供熱的滯后性影響，在烘烤中對溫度控制難度較大，無法精準走出目標工藝曲線，因此會出現少量下等煙。綜合來看，使用密閉式新能源熱泵烤房烘烤中部煙葉的經濟性狀最佳，復合式新能源熱泵烤房次之。

3 結論與討論

現階段，我國絕大部分密集烤房采用煤炭作為燃料，但由于煤炭的燃燒特性，烘烤過程中離不開人為控制，需要的勞動量多，勞動強度大，同時人員操作還需要具備較高的技術［1］。而現階段，新能源烤房已比較成熟，為進一步探索新能源烤房的設備與工藝的配伍性，充分發揮空氣能熱泵烤房的性能，研究熱泵烤房不同排濕方式的烘烤特性至關重要，同樣的熱泵加熱，匹配不一樣的排濕方式，結合當地環境特點，需要匹配最佳的烘烤工藝，才能發揮最大的優勢［13-14］。

筆者以3種不同排濕方式的熱泵密集烤房對比生物質顆粒密集烤房開展烘烤效果研究，去驗證分析不同排濕方式熱泵烤房的烘烤效果差異，明確不同排濕方式熱泵烤房的性能差異、烤后煙葉品質及經濟性狀。結果表明，不同排濕方式熱泵烤房均能夠進一步降低用工量和勞動強度，使用電能的空氣能熱泵供熱，進一步省去了生物質顆粒烤房的加料人工費用，沒有清灰等勞動強度大的作業環節，實現了成本的顯著降低。在增效方面，智能溫度控制儀不僅可以更加精準控制溫差，還可以遠程實時監控、管理。后續烘烤管理因無需人工上料，以電能為主的供能方式，只需要相應電力配套，烘烤師能直接管理多座智能化熱泵烤房進行集中專業化烘烤，有利于減免較多的人工成本。另一方面，現階段生物質顆粒來源不穩定，避免了價格偏高（約900元/t）、波動較大、烘烤能耗成本較高等問題［15-16］。在烤后煙葉質量方面，空氣能熱泵密集烤房好于生物質密集烤房。這主要是因為煙葉烘烤過程中，生物質顆粒燃燒有一定滯后性，當烤房需要升溫時，新添加的生物質燃料不能在短時間內快速釋放熱能，導致升溫稍慢；其次是穩溫時，生物質顆粒燃料燃燒釋放的熱量難以精準迅速控制，導致控溫難度稍大。而空氣能熱泵密集烤房僅需通過調節功率，加熱空氣，溫度較易控制且精度高，升溫平穩，有利于提升烤后煙葉質量，降低烤壞煙數量。該研究結果表明，新能源熱泵烤房能在一定程度上提高烘烤效率，但仍以生物質顆粒密集烤房的烘烤效率更佳。新能源熱泵烤房升溫靈敏、控溫穩定、關鍵點溫度控制精準、智能化程度高，能做到線性的階段性溫度調控，便于各種烘烤工藝曲線的執行，能有效減少用工費用，這與韋忠等［17-18］研究結果一致。該研究結果表明，3種不同排濕方式的新能源熱泵烤房的單位干煙平均成本僅為1.20～1.52元/kg，遠低于生物質顆粒烤房，下降了0.69～1.01元/kg，降幅高達31.22％～45.70％，每炕煙能節省386.7～543.3元。分析烤后煙葉質量主要化學成分可以看出，熱泵烤房烤后煙葉的主要化學成分含量

比生物質顆粒烤房更加適宜，糖堿比、鉀氯比、氮堿比等更為協調，其中密閉式和復合式對煙葉內在質量提升效果更佳。對比各處理烤后煙葉經濟性狀可以看出，密閉式熱泵密集烤房顯著提高了上等煙比例和煙葉均價，對比生物質顆粒密集烤房，密閉式熱泵密集烤房的上等煙比例顯著提升了5.92百分點，煙葉均價顯著增加了2.27元/kg，總產值最佳。

在該地區烘烤實踐中，

對比生物質顆粒密集烤房，

3種不同排濕方式的熱泵密集烤房供熱均能夠滿足煙葉烘烤工藝需求，能精準地實現溫濕度控制。密閉式熱泵密集烤房在關鍵點溫度控制、勞動用工成本及煙葉質量水平等方面效果提升明顯，可充分發揮降本增效優勢，但不足之處是烘烤效率略低于生物質顆粒密集烤房，后續仍需調試匹配機組設備，優化烘烤工藝，充分發揮熱泵機組的全部性能，改善不足。綜上所述，新能源熱泵密集烤房既能大幅降低烘烤成本，還可以精準控溫，提升煙葉烘烤效果，有利于烤后煙葉經濟性狀的改善，具有良好的推廣前景。

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