夏佐強(qiáng)

(成都錦沅廣智科技有限公司，四川 成都 610300)

溫度是影響糧食品質(zhì)的主要因素，低溫儲藏可延緩糧食品質(zhì)陳化，減少干物質(zhì)損耗，抑制蟲害及霉變，保持糧食新鮮品質(zhì)[1-3]。有研究表明，糧食低溫儲藏以15℃為臨界線，在15℃以下，絕大多數(shù)害蟲無法繁殖，最有利于糧食品質(zhì)保鮮。低溫儲藏技術(shù)是全世界公認(rèn)的安全、有效的綠色保質(zhì)儲糧技術(shù)[4-5]。

目前國內(nèi)低溫儲糧技術(shù)大多停留在以谷冷機(jī)降溫為主，利用空調(diào)設(shè)備控制糧堆表層空間溫度，使糧堆平均溫度低于15℃，表層空間溫度維持在20℃以內(nèi)，基本能實現(xiàn)準(zhǔn)低溫儲糧。當(dāng)夏季側(cè)壁傳熱使糧堆平均溫度高于15℃時，再利用谷冷機(jī)進(jìn)行1～2次補(bǔ)冷，對于保溫性能較差的舊倉房往往需要進(jìn)行倉房保溫改造，以降低儲藏能耗。結(jié)合目前使用情況，如果全倉各點溫度不能完全控制在15℃以下，由于局部糧食溫度較高而沒有得到有效降溫，當(dāng)害蟲達(dá)到有效積溫就能繁殖[6]，從而危害整倉糧食安全，因此在糧食保管期內(nèi)還需進(jìn)行熏蒸殺蟲，只是相對減少熏蒸次數(shù)，無法完全實現(xiàn)低溫免熏蒸。要實現(xiàn)低溫免熏蒸，就需將糧堆整體溫度降至15℃以下，即局部高溫點也控制在15℃以內(nèi)，這就需要更高效的方式解決局部高溫難道，使整倉溫度均勻維持在15℃，才能將整體能耗降低，否則采用傳統(tǒng)谷冷機(jī)技術(shù)來解決局部高溫問題勢必造成很大能源浪費(fèi)，且長時間低溫除濕會造成更多水分流失。

對于解決糧堆局部高溫問題，已有許多實際操作[7]，如通過在側(cè)壁增加橫向通風(fēng)管網(wǎng)，夏季利用空調(diào)控溫設(shè)備解決側(cè)壁傳熱問題，可將局部高溫點控制到18℃左右，基本實現(xiàn)低溫儲藏，但通風(fēng)管網(wǎng)改造施工難度較高，且整體能耗過高，不便于大面積推廣使用。

采用內(nèi)環(huán)流結(jié)合制冷技術(shù)可使整倉糧溫均勻，減少水分流失，其優(yōu)點是充分利用冬季自然冷源，降低制冷能耗，國內(nèi)有許多相關(guān)的實驗研究和適用性探索[8-12]，但依然不能完全實現(xiàn)低溫，只能將糧溫控制在20℃以上，基本實現(xiàn)準(zhǔn)低溫，其主要問題是沒有高效解決局部通風(fēng)難題，只有一種通風(fēng)模式不能將局部產(chǎn)生的熱量快速帶走。同時對使用地區(qū)氣候條件及倉房保溫要求較高，不能普遍推廣使用。為此，我們研究了一種包括多參數(shù)糧情檢測系統(tǒng)、精準(zhǔn)通風(fēng)系統(tǒng)、多功能儲糧機(jī)和智能控制系統(tǒng)的綠色免熏蒸低溫儲糧系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)原理及組成

1.1 系統(tǒng)原理

傳統(tǒng)谷冷低溫儲糧是在地面或側(cè)壁鋪設(shè)地上籠通風(fēng)道，利用倉外移動式谷冷機(jī)輸入冷風(fēng)對整倉糧堆進(jìn)行通風(fēng)降溫，由于墻體傳熱、門窗滲透以及雜質(zhì)等原因，使得糧倉內(nèi)各區(qū)域糧食溫度難以均勻，而傳統(tǒng)的地上籠布置方式無法解決通風(fēng)死角以及實現(xiàn)局部強(qiáng)化通風(fēng)等問題，要維持低溫環(huán)境就需采用其他方式降低局部高溫點，如采用谷冷機(jī)對整倉進(jìn)行通風(fēng)降溫勢必造成較大的能源浪費(fèi)，最終因為局部高溫產(chǎn)生蟲害而不得不進(jìn)行整倉熏蒸殺蟲。

綠色免熏蒸低溫儲糧系統(tǒng)通過在原有地上籠通風(fēng)體系增加通風(fēng)管網(wǎng)與控制模塊，特別是墻體四周及大門通風(fēng)薄弱部位，將倉房分成多個獨立的通風(fēng)單元及控溫區(qū)域，并在糧倉通風(fēng)薄弱部位增加布置糧情傳感器感知糧食溫濕度狀態(tài)參數(shù)，利用多功能控溫機(jī)組提供冷源，抵消外界傳熱及糧食自身呼吸熱，解決局部通風(fēng)降溫難題。同時可對倉內(nèi)濕度及氣體成分進(jìn)行調(diào)節(jié)，通過倉內(nèi)多參數(shù)糧情傳感器反饋，自動實現(xiàn)相應(yīng)通風(fēng)單元和制冷機(jī)組動作和模式切換，高效實現(xiàn)整倉糧溫均勻保持在15℃以內(nèi)，有效抑制蟲害，最大保持糧食新鮮品質(zhì)，達(dá)到綠色免熏蒸低溫儲糧目的。

1.2 系統(tǒng)組成

綠色免熏蒸低溫儲糧系統(tǒng)包括多參數(shù)糧情檢測系統(tǒng)、精準(zhǔn)通風(fēng)系統(tǒng)、多功能儲糧機(jī)和智能控制系統(tǒng)，如圖1所示。

圖1 綠色免熏蒸低溫儲糧系統(tǒng)組成示意圖

其中，多參數(shù)糧情檢測系統(tǒng)可對糧堆內(nèi)部糧食水分、蟲害、空氣溫度與空氣相對濕度進(jìn)行在線檢測，以及倉內(nèi)表層空間和倉外空氣溫濕度檢測，為智能控制系統(tǒng)提供糧情感知及判斷依據(jù)。

精準(zhǔn)通風(fēng)系統(tǒng)主要在現(xiàn)有平房倉或筒倉通風(fēng)系統(tǒng)基礎(chǔ)上進(jìn)行整體加密和分區(qū)控制，通過改變通風(fēng)道布局方式，充分利用原有糧庫地上籠通風(fēng)道，主要在四周側(cè)壁、墻角及大門等區(qū)域增加通風(fēng)道布置，分區(qū)增設(shè)精準(zhǔn)通風(fēng)控制單元，每個通風(fēng)單元可單獨定點精準(zhǔn)通風(fēng)控制，解決局部定點通風(fēng)問題。

多功能儲糧機(jī)為整個系統(tǒng)提供冷源，具有糧堆表層空間及糧堆整體內(nèi)部控溫控濕能力，配合精準(zhǔn)通風(fēng)系統(tǒng)，可實現(xiàn)對糧堆局部精準(zhǔn)通風(fēng)降溫，或整倉糧堆通風(fēng)降溫功能，同時具有機(jī)械通風(fēng)及定溫定濕通風(fēng)功能，為糧堆冬季蓄冷通風(fēng)、內(nèi)環(huán)流通風(fēng)及緩蘇出庫調(diào)質(zhì)通風(fēng)提供多種功能選擇。機(jī)組冷源形式有風(fēng)冷、淺層地能及蒸發(fā)冷等多種選擇，其中風(fēng)冷結(jié)構(gòu)形式簡單，性價比高，設(shè)備成本低，淺層地能及蒸發(fā)冷具有較大節(jié)能優(yōu)勢。

智能控制系統(tǒng)實現(xiàn)對整個糧堆安全儲藏提供專家決策，通過多參數(shù)糧情檢測系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)反饋，準(zhǔn)確判斷糧倉進(jìn)行何種通風(fēng)需求，如是否進(jìn)行局部精準(zhǔn)通風(fēng)或整倉通風(fēng)或冬季蓄冷通風(fēng)等，自動對相應(yīng)精準(zhǔn)通風(fēng)控制單元風(fēng)閥進(jìn)行調(diào)節(jié)，并對多功能儲糧機(jī)組運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行控制及功能模式選擇，當(dāng)糧堆達(dá)到安全儲藏所設(shè)定的參數(shù)時自動停止相關(guān)設(shè)備，實現(xiàn)整倉或局部糧堆通風(fēng)需求。根據(jù)糧庫運(yùn)行條件需求，智能控制系統(tǒng)可實現(xiàn)自動節(jié)能控制和手動控制兩種模式，并能實現(xiàn)遠(yuǎn)程操控。自動節(jié)能模式只需設(shè)置低溫儲糧相應(yīng)主要參數(shù)，如溫濕度等，系統(tǒng)自動實現(xiàn)相關(guān)設(shè)備及執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)行，并實時顯示相關(guān)設(shè)備及糧食狀態(tài)參數(shù)。手動控制模式可實現(xiàn)糧庫工作人員依據(jù)糧情檢測情況，人為對精準(zhǔn)通風(fēng)系統(tǒng)或多功能儲糧機(jī)進(jìn)行相應(yīng)功能的啟?？刂疲瑢崿F(xiàn)對設(shè)備使用靈活控制。如在入糧階段，由于糧食經(jīng)過烘干后糧溫相對較高，且入倉時間較長，如在此期間不進(jìn)行通風(fēng)降溫，容易引起品質(zhì)變化，同時由于糧食覆蓋通風(fēng)管網(wǎng)情況不確定，以及缺少相應(yīng)糧情參數(shù)在線感知條件，此時需要人為開啟低溫設(shè)備以及相應(yīng)覆蓋糧堆所對應(yīng)的通風(fēng)區(qū)域通風(fēng)控制，實現(xiàn)糧食入倉過程邊進(jìn)糧邊降溫，較少后續(xù)大功率谷冷機(jī)整倉進(jìn)行初始降溫需求，降低能耗同時保持糧食新鮮品質(zhì)及防止蟲害發(fā)生。

2 系統(tǒng)的特點

2.1 實現(xiàn)整倉各點15℃低溫儲糧

在糧食低溫儲藏過程中，由于夏季維護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱及糧堆內(nèi)部雜質(zhì)分布不均等將引起局部糧溫升高。當(dāng)倉內(nèi)多參數(shù)糧情傳感器檢測到局部糧溫超過15℃時，智能控制柜中的PLC控制器首先對精準(zhǔn)通風(fēng)系統(tǒng)通風(fēng)道進(jìn)行調(diào)節(jié)，判斷高溫點所對應(yīng)通風(fēng)區(qū)域，并打開相應(yīng)控制區(qū)域?qū)?yīng)的精準(zhǔn)通風(fēng)控制單元風(fēng)閥組件，同時關(guān)閉其他區(qū)域?qū)?yīng)的風(fēng)閥組件，精準(zhǔn)通風(fēng)系統(tǒng)調(diào)整到位后多功能儲糧機(jī)開始運(yùn)行制冷模式，機(jī)組產(chǎn)生的低溫空氣通過精準(zhǔn)通風(fēng)系統(tǒng)分配到所需通風(fēng)區(qū)域，低溫空氣至下而上通過局部高溫區(qū)域糧堆進(jìn)行降溫，溫度回升后的空氣再由糧堆上層空間經(jīng)風(fēng)道回到多功能儲糧機(jī)，當(dāng)倉內(nèi)多參數(shù)糧情傳感器反饋溫度到達(dá)低溫設(shè)定值后，設(shè)備進(jìn)入待機(jī)模式，待溫度回升或其他區(qū)域產(chǎn)生高溫點后再啟動設(shè)備，以此循環(huán)，使整倉糧堆維持低溫15℃以內(nèi)，實現(xiàn)綠色低溫儲糧。

2.2 節(jié)能增效

由于采用精準(zhǔn)通風(fēng)管網(wǎng)布置和通風(fēng)單元控制，機(jī)組提供的冷空氣可高效集中通過所需通風(fēng)降溫區(qū)域，對其他無需通風(fēng)降溫區(qū)域糧堆影響較小，理論上所配多功能儲糧機(jī)冷量只需滿足抵消倉體維護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱、門窗滲透熱量以及糧食自身呼吸產(chǎn)生熱量，即可維持糧堆低溫儲藏環(huán)境。對比傳統(tǒng)采用谷冷機(jī)對整倉糧堆進(jìn)行降溫通風(fēng)，消耗大量的電能用于無需通風(fēng)區(qū)域的糧堆再降溫，使得要實現(xiàn)低溫儲糧需要付出較大能耗。同時，利用多功能儲糧機(jī)冬季通風(fēng)模式可充分利用秋冬自然冷源，對糧堆進(jìn)行蓄冷通風(fēng)，當(dāng)溫度回升時可優(yōu)先采用糧堆所蓄冷量實現(xiàn)整倉均溫，當(dāng)整倉溫度超過15℃時，再啟用制冷模式進(jìn)行補(bǔ)冷，最大限度降低儲藏能耗，高效節(jié)能實現(xiàn)綠色低溫儲糧。同時利用多功能儲糧機(jī)控濕功能，可實現(xiàn)糧堆水分調(diào)節(jié)，降低糧食水分損失，減少干物質(zhì)損耗，提高糧食保管單位經(jīng)濟(jì)收益。

2.3 實現(xiàn)邊進(jìn)糧邊降溫

現(xiàn)有糧倉通風(fēng)管網(wǎng)無法解決入糧階段通風(fēng)降溫需求，必須等到通風(fēng)管網(wǎng)完全覆蓋以后才能進(jìn)行降溫，在高溫季節(jié)入糧時由于糧食溫度不能較快降下來，使得糧食品質(zhì)變差，即使后續(xù)通過低溫保鮮手段延緩品質(zhì)變差也無法達(dá)到最佳品質(zhì)。如新糧入倉階段，需對經(jīng)烘干后較高溫度糧食進(jìn)行通風(fēng)降溫處理，防止糧食入倉階段糧堆內(nèi)部積熱導(dǎo)致蟲害與結(jié)露等引起糧食品質(zhì)變化。由于糧食覆蓋地面通風(fēng)道情況不同，以及倉內(nèi)糧情傳感器需等糧食入倉完成后才能進(jìn)行布置，缺少入糧階段糧食參數(shù)感知條件，此時需手動進(jìn)行入倉糧食通風(fēng)降溫，通過人員對已覆蓋糧堆區(qū)域精準(zhǔn)通風(fēng)支風(fēng)道判斷，對相關(guān)區(qū)域風(fēng)閥進(jìn)行通斷控制，防止送入倉內(nèi)低溫空氣通過其他未覆蓋區(qū)域流走，開啟多功能儲糧機(jī)選擇新風(fēng)降溫功能模式，將室外新鮮空氣經(jīng)過制冷機(jī)組處理后送入糧倉，對已覆蓋糧堆區(qū)域?qū)崿F(xiàn)定向降溫，提高糧堆降溫效果，滿足糧食邊進(jìn)糧邊降溫需求，限度保持糧食新鮮品質(zhì)，解決入倉階段通風(fēng)降溫問題。

3 應(yīng)用實例及效果

以下結(jié)合江蘇南京龍?zhí)稁?號倉實倉測試結(jié)果，驗證綠色免熏蒸低溫儲糧系統(tǒng)使用效果及限制條件。

3.1 應(yīng)用情況

江蘇南京龍?zhí)稁?號倉于2021年7月6日完成小麥入糧工作，入倉小麥水分12.2%、雜質(zhì)0.8%，總儲量5 131.7 t。配套使用4臺多功能儲糧機(jī)，機(jī)組額定制冷量15 kW，制冷功率7 kW。實驗倉精準(zhǔn)通風(fēng)系統(tǒng)管網(wǎng)布置如圖2所示，多功能儲糧機(jī)整倉送風(fēng)口連接到倉體通風(fēng)口處，對小麥進(jìn)行初始降溫和局部降溫實驗。

圖2 實驗倉精準(zhǔn)通風(fēng)布置平面圖

由于入糧溫度較高，平均溫度超過30℃，初始采用糧庫原有4臺谷冷機(jī)進(jìn)行整倉快速降溫，通風(fēng)360 h后整倉平均溫度降至20.2℃。由于谷冷機(jī)能耗較高且回風(fēng)低于20℃機(jī)組有結(jié)冰現(xiàn)象，故后續(xù)采用所配4臺多功能儲糧機(jī)進(jìn)行整倉降溫，整倉降溫通風(fēng)865 h后整倉平均溫度降至13.4℃，局部最高溫度19.5℃，高溫點主要分布在四周墻壁附近，故調(diào)整通風(fēng)模式為側(cè)壁通風(fēng)模式，即打開精準(zhǔn)通風(fēng)系統(tǒng)對應(yīng)側(cè)壁通風(fēng)道控制單元，關(guān)閉中間其他風(fēng)道支路，使多功能儲糧機(jī)產(chǎn)生的冷量集中供給四周側(cè)壁對應(yīng)糧堆。通風(fēng)380 h，局部最高溫度降至15.6℃，整倉平均溫度為11.3℃，通風(fēng)降溫階段完成。降溫完成后由于室外天氣已經(jīng)轉(zhuǎn)冷，整倉各點溫度趨于穩(wěn)定，無需再進(jìn)行通風(fēng)。后續(xù)結(jié)合冬季通風(fēng)進(jìn)行蓄冷，充分利用自然冷源將糧堆溫度降低至5～10℃，待氣溫回升后首先利用多功能機(jī)組內(nèi)循環(huán)通風(fēng)模式，結(jié)合精準(zhǔn)通風(fēng)系統(tǒng)，利用糧堆冬季所蓄冷量解決四周傳熱引起的局部溫度回升，當(dāng)整倉平均溫度高于設(shè)定值時，開啟制冷模式，對糧堆進(jìn)行補(bǔ)冷，帶走維護(hù)結(jié)構(gòu)及門窗傳入熱量，使整倉各點溫度維持在15℃。

通過精準(zhǔn)通風(fēng)系統(tǒng)對側(cè)壁高溫點進(jìn)行準(zhǔn)確降溫后，超過16℃點位共計0個，低溫保證率100%。由于來糧溫度較高及可能帶有蟲卵，在初始降溫階段對蟲糧篩檢，雖然有少量害蟲，但符合國家標(biāo)準(zhǔn)基本無蟲糧等級[13]，未進(jìn)行熏蒸殺蟲，后續(xù)整倉溫度均勻降低后害蟲數(shù)量逐步降低，說明低溫對蟲害繁殖產(chǎn)生抑制作用，半年內(nèi)測試結(jié)果到達(dá)免熏蒸效果。

降溫期間谷冷機(jī)耗電量為43 504 kW·h，多功能儲糧機(jī)耗電量為27 067 kW·h，以電費(fèi)價格1.0元/(kW·h)計，3年保管期內(nèi)低溫儲藏預(yù)估年平均能耗7～8元/(t·a)。

3.2 使用限制

對于高溫季節(jié)入糧，由于糧食本身溫度較高，如入倉時間短，采用多功能儲糧機(jī)進(jìn)行邊進(jìn)糧邊降溫尚不能將糧溫降低至安全儲藏溫度范圍時，還需大功率谷冷機(jī)配合進(jìn)行整倉降溫，將高溫糧堆快速降低至準(zhǔn)低溫狀態(tài)，防止入糧期間由于糧溫過高引起蟲害發(fā)生及品質(zhì)較大變化。

4 結(jié)論及展望

采用綠色免熏蒸低溫儲糧系統(tǒng)可實現(xiàn)整倉糧溫保持著均勻15℃以內(nèi)，高效節(jié)能，解決了局部控溫難題，使綠色低溫儲糧自動化、智能化。綠色免熏蒸低溫儲糧技術(shù)的實際應(yīng)用，可為國家“優(yōu)糧優(yōu)儲”提供技術(shù)應(yīng)用途徑，服務(wù)糧食產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展，實現(xiàn)更高水平保障糧食安全，促進(jìn)綠色低溫儲糧技術(shù)應(yīng)用進(jìn)步和倉儲功效升級、提質(zhì)增效。