“空气源热泵+中温太阳能烟草烘干系统”项目由中国科学院理化技术研究所、北京华业阳光新能源有限公司实施。该项目在“节能杯”第五届空气源热泵系统设计大赛中荣获“空气源热泵干燥最佳应用奖”。
项目概况
该目位于河南省漯河市，于2014年8月份施工完成，是利用中温CPC太阳能集热器与空气源热泵烘干机组结合，给新型烟草烤房供热，太阳能温度不足时，切换至空气源热泵供热，系统运行全部采用全自动控制。
设备配置概况：
(1) 该系统采用了33组新型CPC太阳能集热器,约100㎡;
(2) 该系统供热部分采用了三个蓄热水箱并联的设计,分别为1吨、2吨、5吨，每个水箱储存不同温度的热水;
(3)该系统末端散热部分采用了烟草干燥专用风机盘管；
(4)辅助能源部分使用了高温型空气源热泵。
烟叶烘烤的基本要求：
河南地区烟叶烘烤一般在每年的 7-9 月，烟叶烘烤季节气温高，一个完整的烘烤周期约为 6-8 天。密集烘烤工艺总体上称为三段：变黄、定色、干筋三个阶段。
变黄阶段：烟叶变黄，并适量脱水。这一阶段，烤房的烘烤室内温度较低，排湿量较大。先将温度逐渐升高到 36-38℃，使湿球温度比干球温度低 1-2.5℃，直到80%的烟叶变黄，再将温度升高到 40-42℃，使湿球温度保持在 36-37℃。整个阶段时间在 60 个小时左右，这个阶段有变片、凋萎两个步骤。
定色阶段：使烟叶进一步干燥，将烟叶黄色固定下来，同时注意避免褐变。在这个阶段，温度相对较高。首先，温度从 42 摄氏度缓慢上升到 46-48℃，排出的水分不断增加，使烟筋完全变黄，钩子的边缘卷到小鼓上，然后温度上升到 54-55℃，并保持足够的时间使烟叶形成大的形状。鼓。在整个烤烟过程中，固定期水分排放量最大，湿球温度控制在 37-38℃，定色过程中，加热速率根据黄化期烟叶的黄化速率确定。对黄变率快的烟叶，应迅速加热、快速除湿、快速固色；对黄变率慢的烟叶，应缓慢加热、缓慢除湿、缓慢固色。在固定烟叶颜色的过程中，要避免干球温度的急剧上升和下降，促进烤烟烟叶的香气，防止烤烟变质。整个阶段时间在 32 个小时左右，这个阶段有变筋、干片两个步骤。
干筋阶段：逐步提高烤烟房的温度至 65-68℃，这一阶段主要是叶脉的脱水干燥，排湿量很小，可以减少新鲜空气，节约能源，提高烘烤温度。将湿球温度维持在39-42℃，以防止湿球温度过高或湿球温度过低引起的烤烟现象，不利于改善烟叶颜色。在干筋期后期，烟叶的主脉应全部为树干，并准确停火。整个过程大约持续 24小时。这个阶段只有干筋一个步骤。
设计方案
本项目是与中科院理化所合作的新型工业应用项目，安装约100平米CPC太阳能集热器，使用三个储热水箱，分别为1吨、2吨、5吨，每个水箱储存不同温度的热水，给新型烟草烤房供热，太阳能温度不足时，切换至空气源热泵供热，系统运行全部采用全自动控制。
主要控制原理：
1、集热温差循环：
集热器与储热水箱采用温差循环收集热量，储热水箱内的水温达到90℃（可调）为止。
2、换热温差循环：
当1吨水箱达到60℃（可调）时，且与2吨水箱温差达到设定要求是启动换热温差循环，温差降低至设定值是停止运行；当1吨水箱达不到60℃（可调）时，不启动换热温差循环。2吨水箱与5吨水箱的换热方式同上。
3、自动上水：
首次上水时打开电磁阀M1、M2、M3自动补水至水箱满水位（可调），而后进入换热温差循环阶段；若用水过程中水位下降至水箱水位2/3处（可调），这时水箱换热循环水泵P3、P4将停止工作，同时打开电磁阀自动补水至储热水箱满水位（可调）。
4、防过热：
1吨储热水箱90℃（可调），2吨储热水箱内水温80℃（可调）时，5吨储热水箱70℃（可调）时进入过热保护状态，温度下降5℃（可调）恢复运行。
使用效果
1、系统耗电量监控
从图中可以看出，在烤烟的前期和后期，耗电量比较小，而中间耗电量比较大。一个原因是前后期太阳能光照条件好，热泵较少启用，另外中间属于大量排湿阶段，烤房内热负荷比较大。
2、太阳能的节能效果
以第烘烤实验为基础，假定只采用热泵为供热源，通过已有数据反推计算出，在相同条件下热泵烘烤的耗电量。经计算，烤房内平均热负荷为12.04KW（算数平均值），热泵工作平均COP为3.10（根据前述不同阶段热负荷调和平均处理），烤房内风机功率2KW，这样可以计算出如果单独由热泵供热，系统平均功耗为5.88KW。烘烤实验持续时间为188h，则热泵系统总耗电量为1106.2KWh。而太阳能烘烤系统实际耗电量为806KWh，说明采用了太阳能系统能够节约电量为300.2KWh，相当于节约27.1%的电量。
依据上述数据，实验期间太阳能保证率64%左右
用户评价
使用太阳能、空气源热泵技术供热的新型烤房节能、环保效果明显，经济效益高，投资回收期短，给用户能带来良好的经济收益。整个系统的运行无传统干燥器(燃油、燃气或电加热)中可能存在的易燃、易爆、中毒、短路等危险，是一种绝对安全可靠的干燥系统。
太阳能-热泵烘干机上可设置好相应的烘干温度、湿度以及烘干时间，烘干机就会自动开始运转。全过程不再需要人为控制，烘干机会自动调整烘干房内的温度、湿度，保证烘干出来的烟叶颜色均匀、油分充足，最终把烟叶烤熟、烤黄、烤香，实现内在品质与外观质量的统一。干燥系统升温灵活、温度均匀，烤后烟叶成熟度好、颜色鲜、叶面叶背色度均匀一致，烟叶颜色均匀度好、组织结构疏松、油分足，杂色烟比例小。
附：项目背景介绍
为最大限度减少燃煤污染物排放，推进全省烟叶烤房电代煤工作，2020年4月，河南省发布《全省烟叶烤房电代煤工作三年行动计划》：从2020年开始，用三年时间，全省27903座烟叶连片燃煤烤房完成电代煤改造，其中2020年完成改造任务的40%并新建电能烤房1000座，2021年完成改造任务的40%，2022年完成改造任务的20%。
随后，河南省许昌市、平顶山市、三门峡市、南阳市陆续展开电能烤房招标工作：2020年6月2日，许昌市襄城县第一批设备采购，预算金额41740000元，建设、改造烤房610座；2020年6月17 日，许昌市襄城县第二批设备采购，预算金额83550000元，建设、改造烤房1785座；2020年7月2日，平顶山市采购项目，预算金额3010.8万元，建设、改造烤房498座；2020年7月11日，三门峡市采购项目，预算金额984万元，新建烤房120座；2020年7月21日，邓州市采购项目，预算金额187万元，建设、改造烤房35座；2020年7月29日，南阳市内乡县采购项目，预算金额2,420,113.53元；2020年8月27日，三门峡市卢氏县采购项目，预算资金3840000元，新建烤房60座；2020年9月15日，平顶山市采购项目（二次），预算金额870.8万元，建设、改造烤房158座。
30亿市场规模，三年时间完成，27903座，河南省烟叶烤房电代煤工作可谓大刀阔斧、浩浩荡荡。至于何种技术形式最为适宜，最能在偏远丘岗山区烟区适用，还有待进一步验证。而本方案采取的空气源热泵+中温太阳能形式，在节能性、适用性，以及使用效果方面均表现卓越，值得进一步推广。
