绿色免熏蒸低温储粮系统的研究与应用
时间：2023-01-22 20:15:05 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
夏佐强
(成都锦沅广智科技有限公司，四川 成都 610300)
温度是影响粮食品质的主要因素，低温储藏可延缓粮食品质陈化，减少干物质损耗，抑制虫害及霉变，保持粮食新鲜品质[1-3]。有研究表明，粮食低温储藏以15℃为临界线，在15℃以下，绝大多数害虫无法繁殖，最有利于粮食品质保鲜。低温储藏技术是全世界公认的安全、有效的绿色保质储粮技术[4-5]。
目前国内低温储粮技术大多停留在以谷冷机降温为主，利用空调设备控制粮堆表层空间温度，使粮堆平均温度低于15℃，表层空间温度维持在20℃以内，基本能实现准低温储粮。当夏季侧壁传热使粮堆平均温度高于15℃时，再利用谷冷机进行1～2次补冷，对于保温性能较差的旧仓房往往需要进行仓房保温改造，以降低储藏能耗。结合目前使用情况，如果全仓各点温度不能完全控制在15℃以下，由于局部粮食温度较高而没有得到有效降温，当害虫达到有效积温就能繁殖[6]，从而危害整仓粮食安全，因此在粮食保管期内还需进行熏蒸杀虫，只是相对减少熏蒸次数，无法完全实现低温免熏蒸。要实现低温免熏蒸，就需将粮堆整体温度降至15℃以下，即局部高温点也控制在15℃以内，这就需要更高效的方式解决局部高温难道，使整仓温度均匀维持在15℃，才能将整体能耗降低，否则采用传统谷冷机技术来解决局部高温问题势必造成很大能源浪费，且长时间低温除湿会造成更多水分流失。
对于解决粮堆局部高温问题，已有许多实际操作[7]，如通过在侧壁增加横向通风管网，夏季利用空调控温设备解决侧壁传热问题，可将局部高温点控制到18℃左右，基本实现低温储藏，但通风管网改造施工难度较高，且整体能耗过高，不便于大面积推广使用。
采用内环流结合制冷技术可使整仓粮温均匀，减少水分流失，其优点是充分利用冬季自然冷源，降低制冷能耗，国内有许多相关的实验研究和适用性探索[8-12]，但依然不能完全实现低温，只能将粮温控制在20℃以上，基本实现准低温，其主要问题是没有高效解决局部通风难题，只有一种通风模式不能将局部产生的热量快速带走。同时对使用地区气候条件及仓房保温要求较高，不能普遍推广使用。为此，我们研究了一种包括多参数粮情检测系统、精准通风系统、多功能储粮机和智能控制系统的绿色免熏蒸低温储粮系统。
1.1 系统原理
传统谷冷低温储粮是在地面或侧壁铺设地上笼通风道，利用仓外移动式谷冷机输入冷风对整仓粮堆进行通风降温，由于墙体传热、门窗渗透以及杂质等原因，使得粮仓内各区域粮食温度难以均匀，而传统的地上笼布置方式无法解决通风死角以及实现局部强化通风等问题，要维持低温环境就需采用其他方式降低局部高温点，如采用谷冷机对整仓进行通风降温势必造成较大的能源浪费，最终因为局部高温产生虫害而不得不进行整仓熏蒸杀虫。
绿色免熏蒸低温储粮系统通过在原有地上笼通风体系增加通风管网与控制模块，特别是墙体四周及大门通风薄弱部位，将仓房分成多个独立的通风单元及控温区域，并在粮仓通风薄弱部位增加布置粮情传感器感知粮食温湿度状态参数，利用多功能控温机组提供冷源，抵消外界传热及粮食自身呼吸热，解决局部通风降温难题。同时可对仓内湿度及气体成分进行调节，通过仓内多参数粮情传感器反馈，自动实现相应通风单元和制冷机组动作和模式切换，高效实现整仓粮温均匀保持在15℃以内，有效抑制虫害，最大保持粮食新鲜品质，达到绿色免熏蒸低温储粮目的。
1.2 系统组成
绿色免熏蒸低温储粮系统包括多参数粮情检测系统、精准通风系统、多功能储粮机和智能控制系统，如图1所示。
图1 绿色免熏蒸低温储粮系统组成示意图
其中，多参数粮情检测系统可对粮堆内部粮食水分、虫害、空气温度与空气相对湿度进行在线检测，以及仓内表层空间和仓外空气温湿度检测，为智能控制系统提供粮情感知及判断依据。
精准通风系统主要在现有平房仓或筒仓通风系统基础上进行整体加密和分区控制，通过改变通风道布局方式，充分利用原有粮库地上笼通风道，主要在四周侧壁、墙角及大门等区域增加通风道布置，分区增设精准通风控制单元，每个通风单元可单独定点精准通风控制，解决局部定点通风问题。
多功能储粮机为整个系统提供冷源，具有粮堆表层空间及粮堆整体内部控温控湿能力，配合精准通风系统，可实现对粮堆局部精准通风降温，或整仓粮堆通风降温功能，同时具有机械通风及定温定湿通风功能，为粮堆冬季蓄冷通风、内环流通风及缓苏出库调质通风提供多种功能选择。机组冷源形式有风冷、浅层地能及蒸发冷等多种选择，其中风冷结构形式简单，性价比高，设备成本低，浅层地能及蒸发冷具有较大节能优势。
智能控制系统实现对整个粮堆安全储藏提供专家决策，通过多参数粮情检测系统采集的数据反馈，准确判断粮仓进行何种通风需求，如是否进行局部精准通风或整仓通风或冬季蓄冷通风等，自动对相应精准通风控制单元风阀进行调节，并对多功能储粮机组运行参数进行控制及功能模式选择，当粮堆达到安全储藏所设定的参数时自动停止相关设备，实现整仓或局部粮堆通风需求。根据粮库运行条件需求，智能控制系统可实现自动节能控制和手动控制两种模式，并能实现远程操控。自动节能模式只需设置低温储粮相应主要参数，如温湿度等，系统自动实现相关设备及执行机构运行，并实时显示相关设备及粮食状态参数。手动控制模式可实现粮库工作人员依据粮情检测情况，人为对精准通风系统或多功能储粮机进行相应功能的启停控制，实现对设备使用灵活控制。如在入粮阶段，由于粮食经过烘干后粮温相对较高，且入仓时间较长，如在此期间不进行通风降温，容易引起品质变化，同时由于粮食覆盖通风管网情况不确定，以及缺少相应粮情参数在线感知条件，此时需要人为开启低温设备以及相应覆盖粮堆所对应的通风区域通风控制，实现粮食入仓过程边进粮边降温，较少后续大功率谷冷机整仓进行初始降温需求，降低能耗同时保持粮食新鲜品质及防止虫害发生。
2.1 实现整仓各点15℃低温储粮
在粮食低温储藏过程中，由于夏季维护结构传热及粮堆内部杂质分布不均等将引起局部粮温升高。当仓内多参数粮情传感器检测到局部粮温超过15℃时，智能控制柜中的PLC控制器首先对精准通风系统通风道进行调节，判断高温点所对应通风区域，并打开相应控制区域对应的精准通风控制单元风阀组件，同时关闭其他区域对应的风阀组件，精准通风系统调整到位后多功能储粮机开始运行制冷模式，机组产生的低温空气通过精准通风系统分配到所需通风区域，低温空气至下而上通过局部高温区域粮堆进行降温，温度回升后的空气再由粮堆上层空间经风道回到多功能储粮机，当仓内多参数粮情传感器反馈温度到达低温设定值后，设备进入待机模式，待温度回升或其他区域产生高温点后再启动设备，以此循环，使整仓粮堆维持低温15℃以内，实现绿色低温储粮。
2.2 节能增效
由于采用精准通风管网布置和通风单元控制，机组提供的冷空气可高效集中通过所需通风降温区域，对其他无需通风降温区域粮堆影响较小，理论上所配多功能储粮机冷量只需满足抵消仓体维护结构传热、门窗渗透热量以及粮食自身呼吸产生热量，即可维持粮堆低温储藏环境。对比传统采用谷冷机对整仓粮堆进行降温通风，消耗大量的电能用于无需通风区域的粮堆再降温，使得要实现低温储粮需要付出较大能耗。同时，利用多功能储粮机冬季通风模式可充分利用秋冬自然冷源，对粮堆进行蓄冷通风，当温度回升时可优先采用粮堆所蓄冷量实现整仓均温，当整仓温度超过15℃时，再启用制冷模式进行补冷，最大限度降低储藏能耗，高效节能实现绿色低温储粮。同时利用多功能储粮机控湿功能，可实现粮堆水分调节，降低粮食水分损失，减少干物质损耗，提高粮食保管单位经济收益。
2.3 实现边进粮边降温
现有粮仓通风管网无法解决入粮阶段通风降温需求，必须等到通风管网完全覆盖以后才能进行降温，在高温季节入粮时由于粮食温度不能较快降下来，使得粮食品质变差，即使后续通过低温保鲜手段延缓品质变差也无法达到最佳品质。如新粮入仓阶段，需对经烘干后较高温度粮食进行通风降温处理，防止粮食入仓阶段粮堆内部积热导致虫害与结露等引起粮食品质变化。由于粮食覆盖地面通风道情况不同，以及仓内粮情传感器需等粮食入仓完成后才能进行布置，缺少入粮阶段粮食参数感知条件，此时需手动进行入仓粮食通风降温，通过人员对已覆盖粮堆区域精准通风支风道判断，对相关区域风阀进行通断控制，防止送入仓内低温空气通过其他未覆盖区域流走，开启多功能储粮机选择新风降温功能模式，将室外新鲜空气经过制冷机组处理后送入粮仓，对已覆盖粮堆区域实现定向降温，提高粮堆降温效果，满足粮食边进粮边降温需求，限度保持粮食新鲜品质，解决入仓阶段通风降温问题。
以下结合江苏南京龙潭库3号仓实仓测试结果，验证绿色免熏蒸低温储粮系统使用效果及限制条件。
3.1 应用情况
江苏南京龙潭库3号仓于2021年7月6日完成小麦入粮工作，入仓小麦水分12.2%、杂质0.8%，总储量5 131.7 t。配套使用4台多功能储粮机，机组额定制冷量15 kW，制冷功率7 kW。实验仓精准通风系统管网布置如图2所示，多功能储粮机整仓送风口连接到仓体通风口处，对小麦进行初始降温和局部降温实验。
图2 实验仓精准通风布置平面图
由于入粮温度较高，平均温度超过30℃，初始采用粮库原有4台谷冷机进行整仓快速降温，通风360 h后整仓平均温度降至20.2℃。由于谷冷机能耗较高且回风低于20℃机组有结冰现象，故后续采用所配4台多功能储粮机进行整仓降温，整仓降温通风865 h后整仓平均温度降至13.4℃，局部最高温度19.5℃，高温点主要分布在四周墙壁附近，故调整通风模式为侧壁通风模式，即打开精准通风系统对应侧壁通风道控制单元，关闭中间其他风道支路，使多功能储粮机产生的冷量集中供给四周侧壁对应粮堆。通风380 h，局部最高温度降至15.6℃，整仓平均温度为11.3℃，通风降温阶段完成。降温完成后由于室外天气已经转冷，整仓各点温度趋于稳定，无需再进行通风。后续结合冬季通风进行蓄冷，充分利用自然冷源将粮堆温度降低至5～10℃，待气温回升后首先利用多功能机组内循环通风模式，结合精准通风系统，利用粮堆冬季所蓄冷量解决四周传热引起的局部温度回升，当整仓平均温度高于设定值时，开启制冷模式，对粮堆进行补冷，带走维护结构及门窗传入热量，使整仓各点温度维持在15℃。
通过精准通风系统对侧壁高温点进行准确降温后，超过16℃点位共计0个，低温保证率100%。由于来粮温度较高及可能带有虫卵，在初始降温阶段对虫粮筛检，虽然有少量害虫，但符合国家标准基本无虫粮等级[13]，未进行熏蒸杀虫，后续整仓温度均匀降低后害虫数量逐步降低，说明低温对虫害繁殖产生抑制作用，半年内测试结果到达免熏蒸效果。
降温期间谷冷机耗电量为43 504 kW·h，多功能储粮机耗电量为27 067 kW·h，以电费价格1.0元/(kW·h)计，3年保管期内低温储藏预估年平均能耗7～8元/(t·a)。
3.2 使用限制
对于高温季节入粮，由于粮食本身温度较高，如入仓时间短，采用多功能储粮机进行边进粮边降温尚不能将粮温降低至安全储藏温度范围时，还需大功率谷冷机配合进行整仓降温，将高温粮堆快速降低至准低温状态，防止入粮期间由于粮温过高引起虫害发生及品质较大变化。
采用绿色免熏蒸低温储粮系统可实现整仓粮温保持着均匀15℃以内，高效节能，解决了局部控温难题，使绿色低温储粮自动化、智能化。绿色免熏蒸低温储粮技术的实际应用，可为国家“优粮优储”提供技术应用途径，服务粮食产业高质量发展，实现更高水平保障粮食安全，促进绿色低温储粮技术应用进步和仓储功效升级、提质增效。
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