低溫儲糧關鍵技術研究現(xiàn)狀及發(fā)展前景

張兵，劉博*，周濤，甘平洋，陳渠玲，李娜

1. 中南糧油食品科學研究院有限公司（長沙 410008）；2. 湖南糧食集團有限責任公司（長沙 410008）；3. 湖南農(nóng)業(yè)大學食品科學技術學院（長沙 410128）

中國是世界上人口最多的國家，糧食總產(chǎn)量大，但人均糧食占有量少，原糧日需量大，糧食安全問題嚴峻[1]。糧食在儲藏期間易受非生物因子（O2、溫度、水分等）和生物因子（蟲、霉、鼠）的影響，如何安全有效地儲藏小麥、稻谷和玉米等原糧，延長其儲藏期，并在儲藏期間保持其良好品質是儲糧工作人員的重點研究方向[2]。溫度是決定儲糧穩(wěn)定性的重要因素，在各種科學保糧活動中，低溫儲糧無疑是首要手段，且低溫儲糧作為一種綠色儲糧技術一直備受國內(nèi)外儲糧界重視[3]。低溫儲糧技術不僅能限制有害生物因子的生命活動，避免糧食劣變、陳化，還可有效保障糧食的加工和食用品質。此外，低溫儲糧可有效減少甚至避免化學藥劑的使用，既解決糧食表面藥物殘留的問題，又降低環(huán)境污染，是糧食行業(yè)最具發(fā)展前景的綠色儲糧技術之一[4]。

1 低溫儲糧關鍵技術

1.1 隔熱保冷技術

糧倉的隔熱性能直接關系到糧食儲存的難易程度，通過加強糧倉圍護結構的隔熱性能，能夠達到節(jié)約能耗、維持糧倉溫度的效果。據(jù)相關資料顯示，倉房維護結構能夠減少機械制冷中30%～35%的冷量被消耗[5]。常用的隔熱保冷技術主要包括糧面壓蓋和倉房改造。冷本好等[6]通過對高大平房倉散裝玉米采取稻殼包壓蓋、保溫棉毯壓蓋和無壓蓋3種方式對比得出，使用稻殼包壓蓋經(jīng)濟合理，對延緩糧溫升高、保持糧食品質相對穩(wěn)定能起到更好作用。丁光志等[7]采用聚苯乙烯（EPS）泡沫板進行糧面壓蓋試驗表明，試驗倉的糧溫要比對照倉的糧溫上升幅度低3～4 ℃。孫振北[8]研究證明高大平房倉中采用倉頂菱鎂板隔熱和倉內(nèi)吊頂?shù)母魺峒夹g，能夠有效緩解倉頂熱量向倉內(nèi)的傳遞及抑制害蟲的生長繁殖。

糧面壓蓋技術效果明顯，但存在一定弊端，每次通風時需掀開壓蓋材料，增加儲糧成本和人員勞動強度；壓蓋材料與糧面接觸處易滋生蟲霉，且一旦發(fā)熱霉變不易被發(fā)現(xiàn)，未來儲糧中可尋求新型壓蓋材料和改進通風方法來降低儲糧成本。

1.2 機械通風技術

機械通風技術是指通過風機產(chǎn)生的壓力，將外界低溫干燥的空氣與糧堆內(nèi)熱空氣進行交換，從而達到降溫、降水的目的。儲糧機械通風是最常用的控溫儲糧技術，不僅控溫效果好，而且費用低廉、操作簡單、容易掌握[4]，其主要用途有：創(chuàng)造低溫儲糧環(huán)境、均衡糧堆溫度、高水分糧降水、低水分糧調(diào)質、排除儲糧異味、環(huán)流熏蒸殺蟲和排積熱通風。王平等[9]分階段進行膜下橫向通風降溫試驗，糧溫由29 ℃降至12.5 ℃，降溫效果明顯。實際儲糧過程中應根據(jù)需求進行通風才能達到最好的效果，避免做無用功而增加儲糧成本[10]。

機械通風技術如果應用不當會造成糧食水分損失、通風效果適得其反、儲糧成本增加等后果。機械通風時應合理選擇通風時機、確定目標糧溫、選用節(jié)能保水雙向風機、逆溫度梯度通風、及時判斷通風狀態(tài)、控制糧堆通風量小于臨界單位通風量、控制氣流溫差等[11]。

1.3 谷物冷卻技術

谷物冷卻機低溫儲糧是通過向糧堆通入一定溫度、濕度的空氣，使糧堆溫度降至低溫（或準低溫）狀態(tài)，從而有效控制糧堆水分，實現(xiàn)安全儲糧的一種技術措施[12]。馮燕等[13]對現(xiàn)有谷物冷卻技術進行改造，在糧堆上方布置22個送風口，倉房東側布置4個回風口，采用底送側回的方式使倉內(nèi)空氣更加充分地進行濕熱交換，保證儲糧安全同時，又達到節(jié)能降耗的目的。

谷物冷卻技術不受區(qū)域氣候的限制，可根據(jù)實際情況調(diào)節(jié)所輸送空氣的溫濕度，確保糧堆處于低溫（或準低溫）狀態(tài)，但其存在能耗大、溫度易回升的缺點，需要間歇性的進行復冷作業(yè)[14]。

1.4 空調(diào)制冷技術

空調(diào)控溫具有安裝便捷、操作簡單、溫控精準等優(yōu)點，此前常用于成品糧油的保管，隨著科技與經(jīng)濟不斷進步，空調(diào)控溫逐漸走入糧食儲藏行業(yè)，越來越多的糧庫實施空調(diào)控溫技術。張慧敏等[15]對福建省1998年以后建成的100余座倉廒進行空調(diào)控溫實驗，結果發(fā)現(xiàn)空調(diào)控溫持久，適用于高大平房倉。程永仙等[16]夏季采取倉內(nèi)空調(diào)、局部揭膜和壁角埋入畢托管的“立體式”控溫方式，將倉溫控制在23 ℃以下，平均糧溫控制在準低溫儲藏范圍內(nèi)，明顯減緩稻谷脂肪酸值的上升速率，延長安全儲存期。

空調(diào)功率大且需長時間運行，如何設置好溫控閾值和空調(diào)開啟時間，對于節(jié)約儲糧成本方面意義重大。另外，糧倉空調(diào)易受粉塵和熏蒸藥劑腐蝕，需要注意保養(yǎng)并預防火災發(fā)生。此外，空調(diào)控溫在實施過程中應注意風向往遠上方吹，預防冷空氣長時間與糧堆表面直接接觸引起的結露現(xiàn)象的發(fā)生和糧堆表面的水分損失[17]。

1.5 內(nèi)環(huán)流技術

內(nèi)環(huán)流低溫儲糧技術主要是利用糧堆冬季儲存的冷心，通過內(nèi)循環(huán)的方式平衡糧堆內(nèi)的其他高溫部分，使整個糧堆處于低溫或準低溫環(huán)境[18]。根據(jù)不同地域和實際儲糧需求，可將內(nèi)環(huán)流低溫儲糧技術分為整倉環(huán)流、膜下環(huán)流和局部環(huán)流。陳明偉等[19]研究發(fā)現(xiàn)，整倉內(nèi)環(huán)流可以明顯降低倉溫、倉濕，有效抑制書虱等儲糧害蟲，減少熏蒸用藥，延緩糧食品質劣變。王興周等[20]探索應用平房倉整倉內(nèi)環(huán)流保管玉米時發(fā)現(xiàn)，內(nèi)環(huán)流控溫能使倉濕控制在40%以下，一定程度上抑制書虱生長。膜下環(huán)流主要是通過表面覆蓋薄膜并增加風管的方式，避免內(nèi)環(huán)流過程中倉內(nèi)空間積熱與糧堆的接觸，降低冷心損失，使內(nèi)環(huán)流降溫效果持續(xù)更久[21]。除此之外，膜下內(nèi)環(huán)流技術降溫均勻性好，且能夠有效降低糧食表面的水分損失[22]。許發(fā)兵[23]采用糧面壓蓋結合膜下內(nèi)環(huán)流的方式進行夏季儲糧時發(fā)現(xiàn)：膜下內(nèi)環(huán)流可使糧堆表層溫度降低至12.3 ℃，平均糧溫較對照倉低3.5 ℃。局部內(nèi)環(huán)流操作簡捷、降溫效果明顯且受外界影響小[24]。

內(nèi)環(huán)流技術儲糧成本低，但對于倉房隔熱保冷性能要求較高，且受地域氣候影響較大，適用于北方冷源充足的地區(qū)，南方地區(qū)夏季長，冷源缺乏，若采用此技術則需要制冷設備輔助進行。

2 低溫儲糧優(yōu)化組合技術

近年來，研究人員開始嘗試多種低溫儲糧技術綜合應用，探索既能低溫儲糧又符合節(jié)能綠色的儲糧新技術。因為單一儲糧技術在實倉應用中受地域氣候和環(huán)境等因素影響，難免會存在不足，如谷物冷卻制冷技術存在耗電高、糧溫易反彈的問題[14]；空調(diào)制冷技術受粉塵和熏蒸影響較大，壽命短、安全隱患高[25]；內(nèi)環(huán)流技術對蓄冷要求較高，可能存在冷源不充足導致整倉糧溫異常升高，造成發(fā)熱結露現(xiàn)象的發(fā)生[26]。因此，將不同制冷技術結合應用來達到更好的儲糧效果將會成為低溫儲糧的研究方向。

2.1 空調(diào)結合內(nèi)環(huán)流技術

內(nèi)環(huán)流技術較為適合北方夏季短、冬季長且冷源充足的地區(qū)，對于南方地區(qū)，采取內(nèi)環(huán)流結合空調(diào)的方式來彌補其夏季長、冷源不夠用的缺點，從而達到低溫儲糧的目的。賀光輝等[27]采用內(nèi)環(huán)流結合空調(diào)的方式使糧食安全度夏，且在維持糧食品質、節(jié)能降耗方面要優(yōu)于單一空調(diào)控溫的倉房。王進衛(wèi)等[28]研究發(fā)現(xiàn)，內(nèi)環(huán)流結合空調(diào)控溫技術不受高溫多雨天氣影響，能有效抑制害蟲生長且能耗低。此技術解決冷源不足和氣候影響的問題，但空調(diào)和內(nèi)環(huán)流的開啟時間和溫度閾值尚未確定，冷氣環(huán)流均勻性及環(huán)流路徑也有待研究。

2.2 太陽能光伏發(fā)電結合空調(diào)制冷技術

太陽能光伏發(fā)電是一種綠色無污染技術，符合綠色儲糧的理念，結合空調(diào)使用，不僅可以有效利用倉頂面積，降低倉頂傳熱對倉溫的影響，還可以獲得額外的經(jīng)濟效益。劉東方[29]研究光伏發(fā)電結合空調(diào)時得出，盡管光伏發(fā)電系統(tǒng)建設初期投資高，但從儲糧損失和節(jié)能降耗等方面來算，每年帶來的額外經(jīng)濟效益2 011.5萬元。2017年，張紅建等[30]結合海南高溫高濕且日光充足的地理特點設計一個倉頂面積270 m2光伏發(fā)電系統(tǒng)，該系統(tǒng)總輸出功率29 160 W，能夠24 h為2臺功率為5 500 W左右的空調(diào)供電。光伏發(fā)電系統(tǒng)前期建設投入大、年折舊費用高，如何延長系統(tǒng)使用年限、提高光電轉換效率是未來此技術的前進方向。

2.3 儲糧“四合一”升級新技術

儲糧“四合一”升級新技術基于橫向通風系統(tǒng)，采取橫向通風蓄冷，谷物冷卻制冷、多介質環(huán)流防蟲和多參數(shù)糧情檢測的方式，使糧食常年處于較低溫無蟲狀態(tài)，能有效保障糧食品質。儲糧“四合一”新技術不僅能夠使進出糧效率得到有效提升，還能使糧食處于安全儲存狀態(tài)，為糧庫走向智能化低溫綠色儲糧奠定基礎[31]。穆俊偉等[32]進行“四合一”新技術實倉應用發(fā)現(xiàn)，該技術能有效降低糧溫，且抑蟲、殺蟲效果明顯，能有效延緩糧食品質變化。但該技術需要對倉房供電系統(tǒng)、環(huán)流熏蒸系統(tǒng)、通風系統(tǒng)等進行改造，工程量大，且不適用于隔熱保溫性能差的倉房。

3 新技術、新冷源開發(fā)

3.1 重力熱管技術

重力熱管具有單向傳熱、傳熱效率高、等溫性好及溫度范圍廣等特點，在中國航天、電子等領域應用，并逐漸推廣于低溫儲糧方向，但在糧堆中的實際效果有待進一步研究[33]。張巖等[34]試驗發(fā)現(xiàn)，熱管技術應用過程中可實現(xiàn)無能耗，60 d內(nèi)蓄冷量為6.36 MJ，單位降溫速度0.2 ℃/d。程小麗等[35]研究單根反重力熱管對糧堆溫度的影響時發(fā)現(xiàn)，單根熱管可對1.6 m的糧堆溫度產(chǎn)生影響，上層糧溫可降低10 ℃。

3.2 相變儲能技術

相變儲能技術是基于相變材料在相變過程中吸熱和釋熱的原理發(fā)展的一項技術，因相變材料經(jīng)濟實用且在隔熱保溫和能量轉化效率方面比較優(yōu)秀，故適用于低溫綠色儲糧[36]。王赫等[37]設計相變材料和空調(diào)組合的溫控系統(tǒng)，在夏季儲糧試驗中發(fā)現(xiàn)，試驗倉能夠達到準低溫儲糧要求，且儲糧能耗較空調(diào)倉低25%。

3.3 液化天然氣（LNG）

液化天然氣（LNG）的溫度在-162 ℃，其氣化時會產(chǎn)生大量的冷能，而生產(chǎn)應用中的冷能不能完全被利用，就會造成大量資源浪費。LNG接收站一般建設在港口等交通便利地區(qū)，與部分大型糧庫比鄰，可將LNG低溫液體氣化后產(chǎn)生的冷能，經(jīng)保溫管道引進糧庫，替代空調(diào)、谷物冷卻機等大型耗電機械制冷設備，達到低溫綠色儲糧目的[38]。熊永強等[39]提出2種利用LNG冷能儲存糧食的方案：一是直接利用冷能；二是利用LNG冷能空分裝置副產(chǎn)的低溫干燥氮氣。中央儲備糧莆田直屬庫，發(fā)揮其與LNG接收站相近的優(yōu)勢，利用LNG的冷能實現(xiàn)低溫儲糧的目的[38]。利用液化天然氣冷能進行儲糧，不僅促進能源的高效利用，還能帶來較好經(jīng)濟效益。但其適用區(qū)域有限且冷量傳輸耗能等問題尚需進一步完善優(yōu)化。

3.4 低溫地下水

低溫地下水是一種自然冷源，儲量豐富，是近年來低溫儲糧的研究熱點之一[40]。周福生等[41]以地下水作冷源，借助潛水泵和水溫調(diào)節(jié)器將一定溫濕度氣體引進糧倉，循環(huán)降溫后倉溫下降9～10 ℃、糧溫降低7～10 ℃，且有效抑制害蟲生長，達到低溫儲糧目的。此技術不適宜水資源稀缺地區(qū)，且尚存在回灌技術難等問題。

3.5 風能

風能源不僅清潔低碳且安全高效，近年來已成為新能源重點開發(fā)對象之一，而中國沿海地區(qū)風能資源豐富，具有較高開發(fā)潛力，且預計在“十三五”規(guī)劃結束前，風電裝機總容量3 000萬 kW[42]。但是如何將風能有效運用于低溫儲糧技術有待進一步探索。

4 結語

根據(jù)不同地域及氣候情況，采用相應的低溫儲糧技術。如北方冬長夏短且冷源充足，可采取內(nèi)環(huán)流技術和機械通風技術進行儲糧，能有效降低儲糧成本；南方高溫高濕糧食較難保管，可借助空調(diào)和谷物冷卻機進行低溫儲糧。

單一低溫儲糧技術受氣候、成本等方面因素限制較多，可采取多種技術組合的方式，減少外界干擾，降低儲糧成本。應用的組合技術較少，可適當開發(fā)更多儲糧技術組合以達到最佳儲糧目的。

糧食倉儲行業(yè)正在朝現(xiàn)代化、智能化、綠色化方向發(fā)展，開發(fā)低廉、高效且無污染的低溫儲糧新技術和新能源更加適應時代需求。不同地區(qū)應借助新技術、新能源，并結合自身實際，發(fā)展特色低溫儲糧技術，最終形成有中國特色的儲糧技術體系。