山東農(nóng)作物種質(zhì)資源中期庫(kù)制冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)與建設(shè)

李湛　張曉冬　李潤(rùn)芳　王棟　劉世華　李娜娜　丁漢鳳

摘要：農(nóng)作物種質(zhì)資源是新品種選育的物質(zhì)基礎(chǔ)，是事關(guān)糧食生產(chǎn)、生態(tài)安全與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略資源。建設(shè)科學(xué)、環(huán)保、節(jié)能的中期庫(kù)對(duì)于種質(zhì)資源保護(hù)至關(guān)重要。由于中期庫(kù)建設(shè)涉及學(xué)科廣且沒(méi)有統(tǒng)一的設(shè)計(jì)規(guī)范，因此其建設(shè)與應(yīng)用困難重重。本文從中期庫(kù)制冷系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)入手，計(jì)算了省級(jí)中期庫(kù)制冷負(fù)荷，確定了關(guān)鍵系統(tǒng)方案，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果與設(shè)計(jì)方案，探討了中期庫(kù)設(shè)備選型，同時(shí)對(duì)庫(kù)體及監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的構(gòu)建提出了具體要求，以期為種質(zhì)庫(kù)的設(shè)計(jì)和設(shè)備選型提供參考與借鑒。

關(guān)鍵詞：農(nóng)作物；種質(zhì)資源；中期庫(kù)；制冷負(fù)荷；設(shè)備選型；山東

中圖分類(lèi)號(hào)：S502.4文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)號(hào)：A文章編號(hào)：1001-4942（2014）12-0011-04

農(nóng)作物種質(zhì)資源是寶貴的基因資源、遺傳資源，既包括地方品種和育成品種，也包括重要遺傳材料和野生近緣植物。低溫種質(zhì)庫(kù)是種質(zhì)資源保存的主要途徑之一，其保存的種質(zhì)材料屬于耐低溫、耐干燥的正常型種子[1]。美國(guó)于1958年在科羅拉多州建成的“美國(guó)國(guó)家種質(zhì)庫(kù)”是世界上第一座現(xiàn)代種質(zhì)庫(kù)。至2010年底，全世界已建成了1 750多座種質(zhì)庫(kù)，共保存740多萬(wàn)份農(nóng)作物種質(zhì)資源[2]。1986年，中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院建成了庫(kù)容為40萬(wàn)份的國(guó)家作物種質(zhì)庫(kù)；2002年，“國(guó)家農(nóng)作物種質(zhì)保存中心”建成并投入使用，貯存容量為60萬(wàn)份以上，其主要任務(wù)是負(fù)責(zé)作物種質(zhì)資源的中期保存與分發(fā)利用[3]。2010年，山東省農(nóng)作物種質(zhì)資源中心建成了庫(kù)容為20萬(wàn)份的低溫種質(zhì)庫(kù)，該庫(kù)的投入使用為山東農(nóng)作物種質(zhì)資源的保存和研究提供了重要的條件平臺(tái)。

中期庫(kù)是保存應(yīng)用收集品材料的低溫種質(zhì)庫(kù)，貯存溫度-4～4℃，相對(duì)濕度<65%，種質(zhì)含水量6%±2%，貯存壽命10～20年[1，4]。中期庫(kù)的主要任務(wù)是種質(zhì)收集、鑒定、編目保存、分發(fā)交換、繁殖更新及信息匯編，并對(duì)接長(zhǎng)期庫(kù)和短期庫(kù)，因此，中期庫(kù)是種質(zhì)資源非原生境保護(hù)的重要方式之一。中期庫(kù)建設(shè)是一項(xiàng)涉及多學(xué)科的系統(tǒng)工程，目前國(guó)內(nèi)外還沒(méi)有統(tǒng)一的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范，特別是關(guān)于制冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)建設(shè)的研究更是鮮見(jiàn)報(bào)道。針對(duì)這一問(wèn)題，本文從設(shè)計(jì)角度出發(fā)，對(duì)山東農(nóng)作物種質(zhì)資源中期庫(kù)的制冷參數(shù)進(jìn)行了理論計(jì)算，并結(jié)合計(jì)算結(jié)果對(duì)中期庫(kù)建設(shè)的具體要求進(jìn)行了系統(tǒng)論述，旨在為中期庫(kù)建設(shè)提供理論參考和實(shí)踐指導(dǎo)。

1制冷負(fù)荷參數(shù)的確定與計(jì)算

制冷系統(tǒng)是中期庫(kù)的核心部分，其制冷和除濕性能的優(yōu)劣決定了種質(zhì)資源保存時(shí)間的長(zhǎng)短，因此，需要根據(jù)中期庫(kù)的建設(shè)規(guī)模和當(dāng)?shù)丨h(huán)境對(duì)系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行科學(xué)計(jì)算，以便選用合理的制冷設(shè)備。

1.1制冷負(fù)荷參數(shù)確定

中期庫(kù)的制冷負(fù)荷是指在單位時(shí)間內(nèi)從庫(kù)房?jī)?nèi)移走的熱量。根據(jù)熱源的不同，庫(kù)房的熱量來(lái)源由以下五項(xiàng)組成[5]：

Φ1=圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱量（W）

Φ2=貨物（種質(zhì)資源）熱量（W）

Φ3=通風(fēng)換氣熱量（W）

Φ4=電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)熱量（W）

Φ5=操作熱量（W）

由于能量平衡，中期庫(kù)制冷負(fù)荷等于熱源負(fù)荷，即：

式中，Φs為中期庫(kù)冷卻設(shè)備的制冷負(fù)荷，單位W；P為負(fù)荷系數(shù)；Φ1～Φ5計(jì)算公式如表1所示。

1.2制冷負(fù)荷參數(shù)計(jì)算

根據(jù)《實(shí)用制冷與空調(diào)工程手冊(cè)》[6]，可得濟(jì)南室外設(shè)計(jì)參數(shù)如下：

室外計(jì)算干球溫度：夏季空氣調(diào)節(jié)日平均溫度tw=34.8℃；室外計(jì)算濕球溫度：歷年平均不保證50 h的濕球溫度26.7℃。山東中期庫(kù)庫(kù)內(nèi)平均溫度-5℃，室外散熱溫度45℃，凈容積180 m3，負(fù)荷系數(shù)1.3，由式（1）及表1的公式計(jì)算得山東中期庫(kù)冷卻設(shè)備制冷負(fù)荷Φs=9.04 kW。

2制冷除濕方案與設(shè)備選型

2.1制冷方案選擇

機(jī)組制冷主要有風(fēng)冷和水冷兩種方式[7]，風(fēng)冷方式由于造價(jià)低、維護(hù)簡(jiǎn)單、安裝方便等原因，已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)外種質(zhì)庫(kù)的首選制冷方式[8]。此外，在選擇風(fēng)冷機(jī)組時(shí)，制冷劑的選擇也至關(guān)重要，優(yōu)選R404A、R410A、R134A等環(huán)保型制冷劑，禁用R502、R12、R22等制冷劑[9]。若中期庫(kù)建在居民文教區(qū)，其設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)參照GB-12348《工業(yè)企業(yè)廠界環(huán)境噪聲排放標(biāo)準(zhǔn)》執(zhí)行。

2.2除濕方案選擇

目前國(guó)內(nèi)外種質(zhì)庫(kù)采用的除濕技術(shù)包括：輪轉(zhuǎn)除濕、冷凍熱回收除濕、電加熱除濕、化學(xué)溶液除濕、熱氟回收除濕等[7]。相比而言，冷凍熱回收除濕系統(tǒng)采用無(wú)級(jí)熱流量控制方式，溫濕度聯(lián)合控制，可根據(jù)庫(kù)內(nèi)溫度變化，無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)冷凝器的加熱量，節(jié)能效果明顯。考慮到高溫高濕或長(zhǎng)期停機(jī)再啟時(shí)的惡劣工況，系統(tǒng)應(yīng)設(shè)計(jì)適合惡劣工況條件的化霜頻率及自動(dòng)控制程序，當(dāng)達(dá)到設(shè)計(jì)要求時(shí)自動(dòng)切換到標(biāo)準(zhǔn)程序運(yùn)行。冷凍熱回收除濕方式耗能小，不需要大功率再生電加熱，裝機(jī)功率僅為其他形式的20%，節(jié)能優(yōu)勢(shì)明顯。與此同時(shí)，該方式使用壽命長(zhǎng)，易損部件造價(jià)低，更換成本小，維護(hù)簡(jiǎn)便，因此，投資相對(duì)較少，具有明顯的成本優(yōu)勢(shì)[10]。

2.3設(shè)備選型

考慮長(zhǎng)期運(yùn)轉(zhuǎn)、設(shè)備壽命及設(shè)計(jì)制冷量等問(wèn)題，山東中期庫(kù)每庫(kù)配備制冷機(jī)2臺(tái)（1用1備），每臺(tái)制冷量要求為理論制冷負(fù)荷的1.56倍，即為14.1 kW，此外必須保證系統(tǒng)設(shè)備的壽命不低于20年。山東中期庫(kù)選用的制冷除濕機(jī)型號(hào)為尤尼布FM0100D，主機(jī)選用美優(yōu)樂(lè)MTZ100型，溫濕度控制器及傳感器為意大利伊利威生產(chǎn)，電氣元件由法國(guó)施耐德生產(chǎn)，冷媒采用R404A環(huán)保制冷劑。根據(jù)制冷機(jī)容量，風(fēng)機(jī)干燥風(fēng)量配套為4 500 m3/h，總裝機(jī)功率46 kW。最終實(shí)現(xiàn)中期庫(kù)庫(kù)溫（-4±2）℃，相對(duì)濕度≤45%，完全滿足種質(zhì)資源中期保存的要求。

3庫(kù)體構(gòu)建

3.1保溫構(gòu)建

中期庫(kù)庫(kù)體包括墻體與地坪，為減少庫(kù)體內(nèi)外熱量交換、保持穩(wěn)定的庫(kù)內(nèi)溫度，同時(shí)減少能源消耗，必須做好庫(kù)體的保溫構(gòu)建。根據(jù)山東中期庫(kù)的設(shè)計(jì)要求與實(shí)際情況，庫(kù)板選用150 mm硬質(zhì)聚氨酯泡沫板，密度41 kg/m3，導(dǎo)熱系數(shù)0.022 W/（m·K），吸水率2.4% （V/V）；庫(kù)板內(nèi)層表面為不銹鋼，外層表面為聚酯涂層彩鋼板，彩鋼板基板熱鍍鋅，涂層干膜總厚度≥25 μm，聚酯涂層厚度≥20 μm，鋼板厚度≥0.6 mm。地坪使用擠出型聚苯乙烯板（XPS）作為隔熱材料，3層錯(cuò)縫鋪設(shè)，設(shè)上下雙層防潮層。XPS板厚度150 mm，抗壓度353 kPa，吸水率0.5%（V/V）。板面平整，無(wú)碰傷、劃痕、凹凸坑和翅曲現(xiàn)象。保溫夾層與面板粘結(jié)均勻牢固，無(wú)穿透性空洞和局部斷裂現(xiàn)象。

3.2密封構(gòu)建

在做好中期庫(kù)保溫構(gòu)建的同時(shí)也需做好密封構(gòu)建。山東中期庫(kù)每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)門(mén)均裝有單轉(zhuǎn)軸（鉸鏈門(mén)），開(kāi)關(guān)靈活、無(wú)變形、密封良好，同時(shí)加裝電熱線以防結(jié)露和凍粘。接縫處板間錯(cuò)位不大于2 mm，庫(kù)體每個(gè)表面對(duì)角線之差不大于理論值的1.5‰，保證接縫嚴(yán)密可靠。地坪保溫材料與立板接縫處澆筑PU料密封，無(wú)毒、耐老化、耐低溫、有良好的彈性和隔熱隔潮性能。庫(kù)內(nèi)地面鋪設(shè)鋼筋混凝土層，并符合圍護(hù)結(jié)構(gòu)密封處理標(biāo)準(zhǔn)。

4計(jì)算機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)構(gòu)建

中期庫(kù)監(jiān)測(cè)分為人工與智能兩種方式[7]，人工監(jiān)測(cè)需工作人員實(shí)時(shí)在線工作，并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)調(diào)控操作，因此不僅浪費(fèi)人力物力而且調(diào)控效率低，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)調(diào)控延誤。山東中期庫(kù)采用智能監(jiān)控方式，即構(gòu)建計(jì)算機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)時(shí)對(duì)庫(kù)內(nèi)溫度、濕度進(jìn)行調(diào)控，工作連續(xù)、穩(wěn)定、可靠。該庫(kù)配備溫濕度運(yùn)行顯示、故障報(bào)警顯示、打印存儲(chǔ)數(shù)據(jù)等功能的硬件和軟件系統(tǒng)。溫濕度調(diào)控采用意大利伊利威溫濕度轉(zhuǎn)化系統(tǒng)，溫度控制精度優(yōu)于滿刻度的0.5%，濕度控制精度為3%。

5結(jié)語(yǔ)

山東農(nóng)作物種質(zhì)資源中期庫(kù)建設(shè)有力地推動(dòng)了全省種質(zhì)資源的保存及研究工作，該庫(kù)的建設(shè)是涉及能源、材料、機(jī)械等多學(xué)科的專(zhuān)業(yè)性系統(tǒng)工程。本文計(jì)算了制冷系統(tǒng)參數(shù)并探討了設(shè)備選型，主要結(jié)論如下：

（1）制冷系統(tǒng)是中期庫(kù)的核心部分，需要根據(jù)中期庫(kù)建設(shè)規(guī)模和當(dāng)?shù)丨h(huán)境，對(duì)系統(tǒng)重要參數(shù)進(jìn)行科學(xué)計(jì)算。根據(jù)濟(jì)南市的環(huán)境參數(shù)，山東中期庫(kù)的室外散熱溫度45℃，庫(kù)內(nèi)設(shè)定溫度-5℃，凈容積180 m3，計(jì)算得制冷負(fù)荷為9.04 kW。

（2）考慮系統(tǒng)節(jié)能性、經(jīng)濟(jì)性、環(huán)保性，山東中期庫(kù)選用風(fēng)冷方式，采用冷凍熱回收除濕和無(wú)級(jí)熱流量控制，可根據(jù)工況條件自動(dòng)切換運(yùn)行程序。

（3）設(shè)備制冷量要求為理論制冷負(fù)荷的1.56倍，即為14.1 kW。為此，制冷除濕機(jī)選用尤尼布FM0100D型，主機(jī)選用美優(yōu)樂(lè)MTZ100型，其他控制及監(jiān)測(cè)部件均為國(guó)外進(jìn)口，提高了系統(tǒng)使用壽命，最終實(shí)現(xiàn)了中期庫(kù)庫(kù)溫（-4±2）℃，相對(duì)濕度≤45%。

（4）做好中期庫(kù)的保溫構(gòu)建和密封構(gòu)建，配合使用智能監(jiān)控系統(tǒng)，可以減少庫(kù)體、地坪與外界的熱量交換，穩(wěn)定庫(kù)內(nèi)溫度，提高調(diào)控效率，減少資源浪費(fèi)。

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