水源熱泵低溫儲糧技術的應用分析

楊曉帆，張文彥，李 輝，李 琛

（云南省糧油科學研究院，云南 昆明 650033）

水源熱泵技術屬于可再生能源利用技術，是直接利用地球表面淺層水源，如地下水、地表的河流和湖泊以及海洋等儲藏的太陽能資源進行能量轉(zhuǎn)換的熱泵技術[1-2]。水源熱泵技術用于糧食低溫儲藏，可以提供糧食儲藏所需的一定溫濕度環(huán)境，是一種綠色環(huán)保的低溫儲糧技術，主要包括地下水或地表水采集裝置、分配裝置、水冷式制冷機組、送回風管路及控制設備等。通過分析水源熱泵系統(tǒng)在低溫儲糧中的區(qū)域適用性、投資、運行情況等方面，為不同區(qū)域糧食倉儲企業(yè)在選擇水源熱泵進行低溫儲糧時提供理論依據(jù)。

1 水源熱泵低溫儲糧系統(tǒng)原理

水源熱泵低溫儲糧的工作原理[3]是通過水泵將地球淺表層水源，采集到水源熱泵制冷機組的冷凝端，與機組內(nèi)的制冷劑進行換熱降溫，降溫后冷卻的水通過熱泵轉(zhuǎn)換至蒸發(fā)端，糧倉內(nèi)高溫空氣通過風機作用不斷在蒸發(fā)端冷卻，再通過送風管，在糧堆內(nèi)自下而上穿過糧層，與糧食充分進行熱交換，最后到達糧堆上部，糧堆上部的空氣通過回風管送至蒸發(fā)端再次被處理到需要的低溫狀態(tài)，重新送入糧堆或糧面吸收熱量。糧食熱量被冷風傳遞給制冷劑，制冷劑再傳遞給循環(huán)水，最終實現(xiàn)糧食熱量向地下或地表水中的轉(zhuǎn)移過程，從而達到糧倉內(nèi)糧食降溫目的。水源熱泵低溫儲糧降溫系統(tǒng)主要包括整倉降溫與表層控溫。圖1為水源熱泵低溫儲糧原理示意圖。

圖1 水源熱泵低溫儲糧原理示意圖

2 水源熱泵儲糧技術適用性的影響因素

根據(jù)吳艷菊等[4]分析的水源熱泵在我國各典型氣候區(qū)的適用性可知，影響水源熱泵使用的關鍵因素包括水源、水量、水質(zhì)、水溫、氣候等。

2.1 水源

我國水資源分布極不平衡，總的分布范圍是東南多，西北少，由東南向西北逐漸遞減。我國主要水系分布見表1。

以上地區(qū)擁有安裝水源熱泵最基本的要素——水源，但是水溫、水質(zhì)、氣候等參數(shù)也是選擇水源熱泵技術必須評估的因素。

2.2 水量、水質(zhì)、水溫

水量要充足，水質(zhì)需符合《地源熱泵系統(tǒng)工程技術規(guī)范》（GB 50366—2005）的要求，否則應采取一定的清潔處理。根據(jù)ARJ 320標準，最適宜的水溫在10～22 ℃，5～38 ℃能滿足要求[5]。主要水系和湖泊水文特征如表2和表3。

表1 全國主要水系分布

表2 七大水系部分水文特征

表3 主要湖泊部分水文特征

2.3 典型氣候區(qū)水溫與氣候的關系

嚴寒地區(qū)如內(nèi)蒙、新疆、青海、西藏及東北等地區(qū)，屬夏季短促涼爽，或水資源貧乏，不適合水源熱泵技術進行低溫儲糧。

寒冷地區(qū)如黃河流域，夏熱冬冷，水量較豐富，但含沙量大，不符合開式系統(tǒng)的水質(zhì)要求；海河流域夏季水溫與氣溫相差不大，節(jié)能效率不顯著，且水資源缺乏，水質(zhì)污染重，不適合使用水源熱泵。

夏熱冬冷地區(qū)如長江流域，是我國水資源最豐富的地區(qū)，水質(zhì)相對較好；淮河流域地處我國南北氣候過渡帶，從氣候、氣溫和水溫分析，這兩個區(qū)域都適合水源熱泵進行低溫儲糧，但局部區(qū)域的水質(zhì)仍污染嚴重，需詳細的評估水質(zhì)。

夏熱冬暖地區(qū)如珠江流域，水質(zhì)較好，適合使用水源熱泵，但也需要結(jié)合投資、經(jīng)濟性方面綜合考量。

溫和地區(qū)如昆明的滇池，氣候?qū)俣瑴叵臎?，且考慮到水源熱泵投資大，滇池污染嚴重，水質(zhì)差，該地區(qū)不需要水源熱泵技術進行低溫儲糧。

3 水源熱泵技術低溫儲糧實際應用情況

根據(jù)本單位向成都某科技發(fā)展有限公司采集的低溫儲糧系統(tǒng)有關信息以及各項技術運行數(shù)據(jù)進行整理，分別對不同方式儲糧降溫系統(tǒng)的投資及投入使用情況進行比較，如表4～表6所示。

3.1 設備廠家

近年來，我國涌現(xiàn)出了眾多的水源熱泵生產(chǎn)廠商，如清華同方、福爾達、郎博旺、三星-貝萊特、北京恒有源、山東宏力等[6]，糧食行業(yè)利用水源熱泵系統(tǒng)進行低溫儲糧還處于起步階段，目前國內(nèi)較大的水源熱泵低溫儲糧設備生產(chǎn)企業(yè)主要包括成都朗博旺、無錫糧食設計院、江蘇永晟空調(diào)等，覆蓋范圍主要集中在江蘇省，如南京、常州、昆山、南通、番禺等地區(qū)的部分糧庫。

3.2 初始投資比較

由表4、表5可知，儲糧規(guī)模不同，不同低溫儲糧技術的初始投資情況不同。1萬t儲糧規(guī)模的初始投資大小依次為：谷冷機＞地下水源熱泵≈河水源熱泵＞空調(diào)；5萬t儲糧規(guī)模的初始投資大小依次為：地下水源熱泵=河水源熱泵＞谷冷機＞空調(diào)。由于谷冷機屬于移動式降溫設備，對糧倉降溫時可交替使用，因此，隨著儲糧規(guī)模增大，配備的谷冷機比例相應減?。欢鴥煞N水源熱泵系統(tǒng)初始投資相對較高，因為水源熱泵系統(tǒng)包含整倉降溫機組和表層控溫機組，設備價格高，配置數(shù)量多，另外還需配備多個水泵和水井，所以初期投入大，因此在選擇水源熱泵進行低溫儲糧時，尤其要考慮投資的經(jīng)濟性和適用性。

3.3 運行能耗

系統(tǒng)運行能耗是糧食倉儲企業(yè)在選擇低溫儲糧技術時考量的重要指標之一，對幾種低溫儲糧技術的運行能耗做了對比分析，如表6所示。

表4 低溫儲糧技術初始投資的對比（1萬t初始投資的條件）

表5 低溫儲糧技術初始投資的對比（5萬t初始投資的條件）

表6 低溫儲糧技術運行費用的對比（1萬t規(guī)模條件）

由表6可知，三項低溫儲糧技術的噸糧能耗由低到高依次為：空調(diào)＜地下水源熱泵=河水源熱泵＜谷冷機。在后期運行能耗上，水源熱泵系統(tǒng)相比谷冷機節(jié)能63%以上。水源熱泵系統(tǒng)由于運作方式比較復雜，通過整倉降溫（和谷冷機相同），將整倉溫度降至 20 ℃以下，再通過表層機組進行表層控溫，使倉內(nèi)溫度長期維持在穩(wěn)定狀態(tài)。谷冷機一次性降溫后，隨時間延長，倉內(nèi)溫度升高較快，尤其是在夏季，最短每周進行一次降溫，由于設備功率大，電耗較高導致后期運行成本高。普通空調(diào)由于不具備整倉降溫功效，僅對表層進行冷卻，冷卻深度為0.5 m，無法有效深入糧堆內(nèi)部進行降溫，因此降溫效果不理想。

3.4 對糧食的影響

傳統(tǒng)儲糧技術造成糧食水份損失較大，根據(jù)張錫賢[7]報道的江蘇常州某庫在傳統(tǒng)機械通風處理高溫糧的過程中，糧食水分損耗高達 0.8%左右，而采用水源熱泵低溫儲糧后，水分從 15.7%降到15.3%，僅降低了0.4%，有效地減少了糧食損耗，更好的保證了糧食品質(zhì)，減少了糧食倉儲企業(yè)的經(jīng)濟損失。

3.5 設備維護

水源熱泵系統(tǒng)總體結(jié)構較復雜，要有符合要求的地表水源，即便如此，水源熱泵機組冷凝器仍易產(chǎn)生結(jié)垢、腐蝕、藻類或微生物滋長，會影響機組運行效率，需要定期清洗。而谷冷機配套設備少，操作方便，易維護，但不能長時間連續(xù)工作，較適用于糧堆內(nèi)部發(fā)熱“救急”和局部降溫。

4 結(jié)論

不同地區(qū)應該根據(jù)投資、運行能耗以及當?shù)氐臍夂颉⒌乩憝h(huán)境、水源情況等因素進行綜合評估，判斷是否適合使用水源熱泵技術進行低溫儲糧。

糧倉低溫環(huán)境要靠制冷系統(tǒng)降溫，同時也必須做好糧倉的保溫隔熱[8]，以減少糧庫的冷負荷，因此，如何快速降溫和保溫并最大限度降低能耗是選擇水源熱泵低溫儲糧技術需要重點考慮的問題。

地表水源溫度常年變化不大，即水源熱泵技術的冷源較穩(wěn)定，運行起來比普通空調(diào)、谷冷機等制冷設備節(jié)省耗電量 60%～70%，因此在條件適宜的地區(qū)使用水源熱泵低溫儲糧具有廣闊的前景。