烟叶烘烤密集烤房不同太阳能集热器集热与节能效果研究

摘要：为比较不同太阳能集热器的集热效果，利用照度计和温湿度显示器对5种接装于气流下降式密集烤房上的太阳能集热器性能进行了测定；同时，进行了烟叶烘烤耗煤量对比试验。结果表明，透光覆盖材料的透光率和保温性能、集热介质类型等对集热器的集热效果均具有一定的影响。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中空阳光板（66.41%）；黑色碎石的集热效果好于土壤；PC中空阳光板的保温性能明显好于PC耐力板。总的来看，太阳能辅助供热密集烤房均具有明显的节能效果，平均节煤率为15.08%，其中以透光覆盖材料为PC中空阳光板、集热介质材料为黑色碎石的集热器节煤率最高（17.28%）。

关键词：烟叶烘烤；密集烤房；太阳能集热器；节能效果

中图分类号：TS44+1；TS43；TK519 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2013）10-2340-04

最新的研究结果[1-4]表明，烟叶密集烤房接装低成本的日光温室型太阳能集热器后利用太阳能辅助烘烤烟叶可明显节能减排、降低烘烤成本。但是日光温室型太阳能集热器的集热效果受到很多因素的影响，如当地的太阳辐射强度、天气状况、集热器覆盖材料的透光率、集热器的反光率、集热介质的黑度和比热容以及质量（决定集热器的吸热和蓄热能力）、集热器的保温性能、集热器的规格与摆放朝向[5，6]等。为了选择集热效果最佳的集热器组合，课题组对接装于气流下降式密集烤房的5个规格相同、但覆盖材料和集热介质组合不同的太阳能集热器的集热效果进行了测定，并对这些太阳能辅助供热密集烤房的实际烘烤节能效果进行了比较，以期为密集烤房选择适宜的太阳能集热器提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料及设备安装

试验于2009～2011年在贵州省长顺县广顺镇冷坝村烟叶烘烤场进行。5个供试的日光温室型太阳能集热器均接装于气流下降式密集烤房的上面，呈东西方向摆放，规格相同，长度为8.5 m、宽度为3.1 m，采用空心水泥砖和标准砖砌集热器围护结构，结构两面均采用水泥沙浆粉刷严密，其南墙矮于北墙，东西两头为斜墙，顶面向南下方的斜角为15°。5个集热器的透明覆盖材料组合和集热介质组合都不同，其中1号集热器的覆盖材料为4.0 mm厚的PC中空阳光板，集热介质为10 cm厚的黑色碎石；2号集热器的覆盖材料为1.5 mm厚的PC耐力板，集热介质为10 cm厚的当地干土；3号集热器的覆盖材料为1.3 mm厚的PC耐力板，集热介质为10 cm厚的当地半石半土混合物；4号集热器的覆盖材料为1.3 mm厚的PC耐力板，集热介质为10 cm厚的黑色碎石；5号集热器的覆盖材料为1.3 mm厚的PC耐力板，集热介质为10 cm厚的当地干土。

各集热器均在密集烤房门端上方集热器斜墙上设置冷风进风口、在密集烤房加热室上方集热器斜墙上设置热风出风口，并设置引风道包围集热器热风出风口和密集烤房进风口，将集热器内的热空气自动引入密集烤房的加热室中，以减少烟叶烘烤过程中使用烤房火炉提供的热量，从而达到节能减排、降低成本的目的。

供试烟叶品种：2009～2010年为云烟85（Nicotiana tabacum L. cv. Yunyan 85），2011年为K326（N. tabacum L. cv. K326）。

1.2 方法

采用TES-1332A型数位式照度计（台湾泰仕电子工业股份有限公司）测定集热器内外的光照度，在集热器中点处水平位置安放光检测器，每次测定均从整点开始，从测定日的8∶00～18∶00，每隔1 h测定1次，全天共测11次。因为光照度是动态变化的，测定时需在集热器外面附近同一高度再水平放置另一台同型号照度计的光检测器，同时读取集热器内外的光照度数值，以准确计算透光率。

采用DLK-Ⅲ型数码烟叶烤房温湿度显示器（云南达丽康科技开发有限公司）测定集热器内外的温度、空气相对湿度，将显示器传感器的干球和湿球探头置于各集热器的中点处，同时测定环境的温度、空气相对湿度。

采用没有接装太阳能集热器的气流下降式密集烤房作为对照（CK）进行烘烤耗煤量对比试验。太阳能辅助供热密集烤房与对照烤房均同时采烤，装烟量相同，烘烤工艺相同，并各自单独称取用煤量。

2 结果与分析

2.1 不同集热器的透光率

在透光覆盖材料向南下方的斜角相同的条件下，试验测定的5个集热器实际透光率日变化结果见图1。从图1可见，各集热器的实际透光率随时间进程的变化非常明显；如在测定日的8∶00～10∶00呈下降趋势，10∶00～13∶00呈上升趋势，在13∶00达到最大值之后又呈下降趋势；这表明光线类型、光照度和照射角度对集热器的透光率均具有明显的影响。实际测定时，测定日的上午光强较弱，主要是漫射光，集热器反射的光较少，透光率相对较高；随着时间的进程，直射光逐渐占据主导地位，但由于入射角较小，照射到覆盖材料上面的光被反射的比例较大，集热器的透光率因而下降；不过之后随着入射角度的增大，集热器覆盖材料反射光线的比例又变小，透光率呈明显增大趋势；到13∶00之后，光线的入射角又逐渐变小，集热器覆盖材料反射光线的比例又增大，使透光率呈明显的下降趋势。透光覆盖材料的材质和厚度对集热器的透光率也有一定的影响。试验进行的测定日11次透光率测定的平均值以3个1.3 mm 厚的PC耐力板较高（73.01%～73.71%），均高于1.5 mm厚的PC耐力板（71.96%），当然其差异不大；而4.0 mm厚的PC中空阳光板明显较低（66.41%），这主要是因为其上面有很多起固定作用的构件增大了反光率，因而降低了透光率。

2.2 不同集热器的集热效果

集热器内的温度高低反映了集热器集热效果的不同，而集热器的集热效果由太阳辐射强度、透光覆盖材料的透光率和保温能力、集热介质的吸热蓄热性能、围护结构的保温性能等因素综合决定。在试验中，5个集热器内的温度日变化结果见图2。从图2可见，各集热器内的温度随时间进程的变化非常明显，在测定日的8∶00～14∶00呈明显上升趋势，在14∶00达到最大值（此时与环境温度的最大值差距可达35.7～40.5 ℃），而后则呈下降趋势。测定日11次测定的温度平均值高低排序为1号集热器（53.7 ℃）、4号集热器（52.6 ℃）、5号集热器（51.4 ℃）、3号集热器（50.9 ℃）、2号集热器（49.7 ℃）、环境温度（29.4 ℃），各集热器在测定日11次测定的温度平均值高于环境温度20.3～24.3 ℃，表明各集热器均具有明显的集热效果。进一步分析表明，1号集热器与4号集热器的集热介质是相同的，都为黑色碎石，但覆盖材料的透光率4号集热器的1.3 mm厚的PC耐力板明显大于1号集热器的4.0 mm厚的PC中空阳光板，而1号集热器的集热效果好于4号集热器，说明1号集热器覆盖材料4.0 mm厚的PC中空阳光板的保温能力明显好于4号集热器的1.3 mm厚的PC耐力板；4号集热器与5号集热器的覆盖材料相同，都为1.3 mm厚的PC耐力板，但4号集热器的温度高于5号集热器，说明黑色碎石作为集热介质的集热效果好于当地干土；2号集热器和5号集热器的集热介质相同，都为当地的干土，覆盖材料的材质也相同，都为PC耐力板，但PC耐力板的厚度不同，显然1.3 mm厚的PC耐力板的透光率高于1.5 mm厚的PC耐力板，但保温能力不如后者，所以5号集热器的集热效果好于2号集热器。

2.3 不同集热器的空气相对湿度

在烟叶烘烤过程中，烟叶水分产生的大量水汽必须通过进入密集烤房的空气吸纳和排出。所以进入密集烤房的空气相对湿度越低，空气越干燥，吸纳水汽的能力就越强，排出相同水汽需要进入密集烤房的空气就越少，消耗的能量也就越少，越能减少燃料消耗和降低烘烤成本。在试验中，5个集热器内及环境的空气相对湿度日变化结果见图3。由图3可见，5个集热器内的空气相对湿度均随着测定日时间的进程而呈明显的下降趋势，并且在16∶00达到最低，之后呈上升趋势。测定日11次测定的空气相对湿度平均值高低排序为环境相对空气湿度（59.2%）、5号集热器（38.2%）、4号集热器（36.8%）、3号集热器（34.4%）、2号集热器（33.8%）、1号集热器（30.6%）。由此可以预见，太阳能辅助供热密集烤房排湿耗能将大大少于直接采用环境空气排湿的对照耗能。

2.4 不同集热器的节能效果

各参试密集烤房3年9炕（次）平均1 kg干烟叶耗煤量比较情况见图4。从图4可见，对照密集烤房1 kg干烟叶耗煤量为1.91 kg，明显高于5个太阳能辅助供热密集烤房的1 kg干烟叶耗煤量水平（1.58～1.68 kg）。在节煤率方面，5个太阳能辅助供热密集烤房的平均节煤率为15.08%，其中1号集热器的最高，其节煤率为17.28%，4号集热器节煤率为16.23%，5号集热器节煤率为15.18%，3号集热器节煤率为14.66%，2号集热器节煤率为12.04%，这与前面集热器的集热能力高低排序相对应；说明太阳能辅助供热方式对于密集烤房的节能效果非常明显。

3 小结与讨论

1）试验接装于气流下降式密集烤房上面的日光温室型太阳能集热器均具有明显的集热效果，各集热器测定日11次测定的温度日变化平均值高于环境温度20.3～24.3 ℃。

2）在相同地点，规格和围护结构的日光温室型太阳能集热器中，集热效果主要由透光覆盖材料的透光率和保温性能、集热介质的吸热和蓄热能力决定。试验实测结果表明，透光率欠佳的覆盖材料如果保温能力好，则集热器的总体集热效果并不欠佳。作为低成本的日光温室型太阳能集热器的优化组合是：以保温性能好的PC中空阳光板为采光覆盖材料，以吸热性能好、比热容较大的黑色碎石为集热介质，以保温性能好的价格较低的中空水泥砖为围护结构主要材料。

3）接装了日光温室型太阳能集热器的密集烤房与对照普通密集烤房相比，均具有明显的节能减排、降低成本效果。各太阳能辅助供热密集烤房3年试验的平均节煤率为12.04%～17.28%，这与集热器的集热能力高低相对应。太阳能辅助供热密集烤房总平均节煤率为15.08%，并相应地减少了相当于15.08%的废气排放量，烘烤成本也将大大降低。从实测结果可见，集热器内的温度大大高于环境，而空气相对湿度也大大低于环境。对照密集烤房直接使用相对低温、高湿的环境空气进行通风排湿，排湿需要的空气量大，进入密集烤房后需要被加热，要提高的温度高，因此排湿能耗较大；而太阳能辅助供热密集烤房使用集热器内相对高温、低湿特性的空气进行通风排湿，第一能在温度高于装烟室内温度时加热烟叶，从而减少烟叶烘烤所需能量中燃料提供的能量；第二能在温度低于装烟室温度时，需要被加热的温差也明显小于环境空气，即需要消耗的能量明显少于环境空气；第三是减少了排湿需要的空气量，降低了排湿能耗；第四是集热器兼具避雨作用，可减少降雨时密集烤房顶部蒸发水分的耗热量。故太阳能辅助供热密集烤房节能效果明显。

参考文献：

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