不同糧倉(cāng)內(nèi)環(huán)流應(yīng)用效果及能耗比較*

樊 星 祝子菁 李 超 常春立 陳聰聰 王爭(zhēng)艷

(1 河南工業(yè)大學(xué)糧油食品學(xué)院 450001) (2 中央儲(chǔ)備糧新鄉(xiāng)直屬庫(kù)有限公司 453200)

糧食低溫儲(chǔ)藏利用低溫條件或機(jī)械制冷設(shè)備，降低倉(cāng)內(nèi)溫度并進(jìn)行隔熱保冷，實(shí)現(xiàn)糧食低溫[1]，從而延緩糧食品質(zhì)劣變，抑制害蟲(chóng)種群增長(zhǎng)。低溫儲(chǔ)藏技術(shù)有自然低溫、機(jī)械通風(fēng)、機(jī)械制冷3種。自然低溫對(duì)冷源的依賴(lài)性較大，限用于北方地區(qū)；機(jī)械制冷不受地域限制，但運(yùn)行成本較高；機(jī)械通風(fēng)利用冬季低溫蓄冷，結(jié)合夏季保溫壓蓋，可長(zhǎng)期將糧堆控制在較低溫度，電耗不高，應(yīng)用廣泛[2]。

內(nèi)環(huán)流控溫技術(shù)是近些年發(fā)展起來(lái)的新型低溫儲(chǔ)糧技術(shù)，通過(guò)冬季機(jī)械通風(fēng)蓄冷，夏季借助環(huán)流風(fēng)機(jī)和管道，將糧堆內(nèi)部冷空氣抽出，與糧面上方空氣進(jìn)行熱交換，延緩表層糧溫升高[3]。內(nèi)環(huán)流技術(shù)應(yīng)用的關(guān)鍵在于冬季冷源的充足儲(chǔ)蓄和夏季的高效利用[4]。在生產(chǎn)實(shí)踐中，糧倉(cāng)的圍護(hù)結(jié)構(gòu)[5]、糧食種類(lèi)[6]、風(fēng)機(jī)的選擇[7]均會(huì)影響機(jī)械通風(fēng)蓄冷的能耗和低溫儲(chǔ)藏的控溫效果。

因此，本文通過(guò)采集不同糧倉(cāng)冬季機(jī)械通風(fēng)蓄冷階段和夏季內(nèi)環(huán)流控溫階段的溫度和電耗數(shù)據(jù)，對(duì)比分析圍護(hù)結(jié)構(gòu)、風(fēng)機(jī)配置和糧食種類(lèi)不同時(shí)，冬季蓄冷電耗、內(nèi)環(huán)流時(shí)的糧溫、電耗和冷源損耗，以及內(nèi)環(huán)流對(duì)糧食品質(zhì)的影響，以期為內(nèi)環(huán)流技術(shù)的提升和推廣提供參考。

1 材料和方法

1.1 倉(cāng)房情況

共選取10個(gè)高大平房倉(cāng)(表1)進(jìn)行機(jī)械通風(fēng)蓄冷和內(nèi)環(huán)流控溫試驗(yàn)，存放的糧食有小麥、玉米和稻谷。倉(cāng)頂結(jié)構(gòu)有2種：(1)彩鋼倉(cāng)頂。雙層夾心彩鋼板，夾心巖棉厚約10 cm。彩鋼板下層噴涂4 cm厚的聚氨酯保溫層；(2)預(yù)制板倉(cāng)頂。倉(cāng)頂結(jié)構(gòu)從下至上依次為10 cm～15 cm厚的混凝土預(yù)制板、10 cm～15 cm厚的珍珠巖水泥沙漿隔熱層和SBS防水卷材。

表1 試驗(yàn)倉(cāng)房基本參數(shù)

1.2 冬季機(jī)械通風(fēng)蓄冷

機(jī)械通風(fēng)蓄冷使用的風(fēng)機(jī)有2種：(1)軸流風(fēng)機(jī)。額定功率有1.5 kW和2.2 kW兩種，采取吸出式通風(fēng)；(2)離心風(fēng)機(jī)。額定功率7.5 kW，采取壓入式通風(fēng)。分三階段進(jìn)行通風(fēng)蓄冷，通風(fēng)時(shí)間為2019年11月23日～11月30日、2019年12月14日～12月18日和2019年12月28日～2020年1月4日。三階段通風(fēng)期間倉(cāng)外均溫分別為7.9℃、4.2℃、6.5℃。由于8、9號(hào)倉(cāng)初始糧溫超過(guò)20℃，在通風(fēng)降溫作業(yè)中加入了離心風(fēng)機(jī)以提高通風(fēng)效率。

1.3 夏季內(nèi)環(huán)流控溫

夏季，當(dāng)最高糧溫接近25℃(23.5℃～27℃)時(shí)，開(kāi)啟內(nèi)環(huán)流控溫。1號(hào)倉(cāng)在2019年內(nèi)環(huán)流期間糧面未覆膜，2020年內(nèi)環(huán)流期間在糧面上50 cm處借助鋼絲網(wǎng)安裝一層牛津布覆膜，進(jìn)行膜下內(nèi)環(huán)流。通過(guò)對(duì)比1號(hào)倉(cāng)2019年和2020年內(nèi)環(huán)流期間的相關(guān)數(shù)據(jù)評(píng)價(jià)糧堆覆膜與否對(duì)內(nèi)環(huán)流控溫效果的影響。通過(guò)對(duì)比2020年1號(hào)倉(cāng)(玉米倉(cāng))和2021年10號(hào)倉(cāng)(稻谷倉(cāng))內(nèi)環(huán)流期間的相關(guān)數(shù)據(jù)評(píng)價(jià)糧食種類(lèi)對(duì)內(nèi)環(huán)流控溫效果的影響。

1.4 糧食品質(zhì)測(cè)定

為評(píng)價(jià)內(nèi)環(huán)流控溫對(duì)糧食品質(zhì)的影響，測(cè)定1號(hào)倉(cāng)(玉米倉(cāng))和10號(hào)倉(cāng)(稻谷倉(cāng))內(nèi)環(huán)流前(2021年4月)和內(nèi)環(huán)流后(2021年9月)糧食的水分含量(GB/T 5009.3-2016)、脂肪酸值(GB/T 5510-2011)、品嘗評(píng)分值(GB/T 20570-2015、GB/T 20569-2006)和整精米率(GB/T 21719-2008)。以未進(jìn)行內(nèi)環(huán)流的倉(cāng)房?jī)?chǔ)存的同種糧食為對(duì)照，每個(gè)處理重復(fù)3次。

1.5 數(shù)據(jù)分析與處理

在機(jī)械通風(fēng)蓄冷階段和內(nèi)環(huán)流控溫階段，控溫的對(duì)象分別是糧食和糧面上方空氣，因此分別以單位質(zhì)量的糧食和糧面上方空氣溫度降低1℃風(fēng)機(jī)所消耗的電量評(píng)價(jià)兩個(gè)階段的電耗。

蓄冷電耗=耗電量÷糧食總質(zhì)量÷糧溫溫差

內(nèi)環(huán)流電耗=耗電量÷糧倉(cāng)上方空間空氣總質(zhì)量÷倉(cāng)溫溫差

其中，糧溫取平均糧溫，糧面上方空氣的溫度即倉(cāng)溫。

以冷源損耗評(píng)價(jià)內(nèi)環(huán)流的熱交換效率。冷源損耗指糧面上方空間單位質(zhì)量的空氣溫度降低1℃需要從糧堆中移除的熱量。

冷源損耗=糧溫溫差×(糧食總質(zhì)量×糧食比熱+糧堆孔隙氣體總質(zhì)量×空氣比熱)÷糧面上方空間空氣總質(zhì)量÷倉(cāng)溫溫差

①

由于糧食總質(zhì)量與比熱之積遠(yuǎn)大于糧堆孔隙氣體總質(zhì)量與比熱之積，所以將①簡(jiǎn)化為：

冷源損耗=平均糧溫差×糧食總質(zhì)量×糧食比熱÷糧面上方空間空氣總質(zhì)量÷倉(cāng)溫溫差

其中，糧溫取平均糧溫，玉米比熱值取2.818 kJ/(kg·K)，稻谷比熱值取1.562 kJ/(kg·K)[8]。

冷源損耗越大，熱交換效率越低。

利用單因素方差分析(ANOVA)比較內(nèi)環(huán)流對(duì)糧食品質(zhì)的影響，在P=0.05水平上評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)差異的顯著性。利用SPSS16.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同倉(cāng)房機(jī)械通風(fēng)蓄冷電耗比較

從表2可以看出，在其他條件相同的情況下，1號(hào)倉(cāng)的蓄冷電耗高于2、3、4號(hào)倉(cāng)，說(shuō)明玉米倉(cāng)的蓄冷電耗高于小麥倉(cāng)；5、6、7號(hào)倉(cāng)的蓄冷電耗高于2、3、4號(hào)倉(cāng)，說(shuō)明預(yù)制板頂倉(cāng)房的蓄冷電耗高于彩鋼頂倉(cāng)；盡管加入離心風(fēng)機(jī)能縮短通風(fēng)工作時(shí)間，8號(hào)倉(cāng)的蓄冷電耗遠(yuǎn)高于2、3、4號(hào)倉(cāng)，9號(hào)倉(cāng)的蓄冷電耗遠(yuǎn)高于5、6、7號(hào)倉(cāng)，說(shuō)明軸流風(fēng)機(jī)和離心風(fēng)機(jī)聯(lián)用快速降溫的蓄冷電耗遠(yuǎn)高于緩慢降溫的軸流風(fēng)機(jī)。

表2 不同倉(cāng)房通風(fēng)參數(shù)及蓄冷電耗比較

2.2 覆膜對(duì)內(nèi)環(huán)流控溫效果的影響

1號(hào)倉(cāng)2020年夏季膜下內(nèi)環(huán)流時(shí)，膜上溫度普遍高于膜下，膜上下日溫差最高為2.3℃(圖1)，這說(shuō)明糧面覆膜可以降低與冷源進(jìn)行熱交換的空間空氣質(zhì)量，從而減少內(nèi)環(huán)流的冷源損耗。

圖1 1號(hào)倉(cāng)2020年內(nèi)環(huán)流時(shí)倉(cāng)膜上下溫度比較

在內(nèi)環(huán)流期間，2019年、2020年1號(hào)倉(cāng)倉(cāng)溫幾乎同步上升，相差不大，糧溫的變化就只受覆膜與否這唯一變量的影響。在5月13日～8月6日期間，2020年平均糧溫上升6.2℃，低于2019年同期的6.9℃(圖2)，說(shuō)明覆膜能延緩平均糧溫的上升。

圖2 1號(hào)倉(cāng)2019～2020年內(nèi)環(huán)流期間倉(cāng)溫和平均糧溫比較

2.3 糧食種類(lèi)對(duì)內(nèi)環(huán)流降溫效果的影響

1號(hào)倉(cāng)與10號(hào)倉(cāng)試驗(yàn)設(shè)置的差異在于：1號(hào)倉(cāng)儲(chǔ)存的玉米，10號(hào)倉(cāng)儲(chǔ)存的稻谷；1號(hào)倉(cāng)為彩鋼頂，10號(hào)倉(cāng)為預(yù)制板頂；1號(hào)倉(cāng)糧面覆牛津布膜，10號(hào)倉(cāng)糧面稻殼壓蓋。受外界環(huán)境影響，糧倉(cāng)內(nèi)環(huán)流控溫階段的冷源損耗和電耗隨著時(shí)間出現(xiàn)波動(dòng)(圖3)。但是，仍能發(fā)現(xiàn)玉米倉(cāng)的平均冷源損耗[3.9×106kJ/(噸空氣·℃)]高于稻谷倉(cāng)[2.4×104kJ/(噸空氣·℃)]，玉米倉(cāng)的平均內(nèi)環(huán)流電耗[120.4 kW·h/(噸空氣·℃)]高于稻谷倉(cāng)[28.0 kW·h/(噸空氣·℃)]。由于玉米倉(cāng)為膜下內(nèi)環(huán)流，可以排除彩鋼倉(cāng)頂隔熱性能差造成的冷源損耗，這更加肯定玉米倉(cāng)的冷源損耗較高。此外，由于稻谷倉(cāng)糧面壓蓋20 cm厚的稻殼，增加了風(fēng)阻和內(nèi)環(huán)流電耗，導(dǎo)致玉米倉(cāng)的內(nèi)環(huán)流電耗較高。

圖3 玉米倉(cāng)和稻谷倉(cāng)同期內(nèi)環(huán)流冷源損耗和電耗比較

2.4 糧食品質(zhì)變化

從表3可以看出，2021年4月與9月測(cè)定的玉米水分含量、脂肪酸值和品嘗評(píng)分值存在顯著差異。隨著儲(chǔ)藏時(shí)間延長(zhǎng)，玉米的水分含量降低，脂肪酸值增加，品嘗評(píng)分值降低。在2021年4月，內(nèi)環(huán)流倉(cāng)和對(duì)照倉(cāng)玉米的品質(zhì)指標(biāo)相似，但在9月，內(nèi)環(huán)流倉(cāng)和對(duì)照倉(cāng)玉米品質(zhì)指標(biāo)的差異顯著，表現(xiàn)為內(nèi)環(huán)流倉(cāng)玉米的水分含量較高，脂肪酸值較低，品嘗評(píng)分值較高。這表明內(nèi)環(huán)流能有效延緩玉米品質(zhì)的劣變。

表3 玉米品質(zhì)指標(biāo)變化情況(n=3)

從表4可以看出，在稻谷儲(chǔ)藏過(guò)程中也發(fā)現(xiàn)類(lèi)似的規(guī)律，但糧面壓蓋的稻殼為害蟲(chóng)的繁衍提供了有利條件，試驗(yàn)期間發(fā)現(xiàn)稻谷倉(cāng)有大量書(shū)虱發(fā)生，因此不建議使用稻殼壓蓋。

表4 稻谷品質(zhì)指標(biāo)變化情況(n=3)

3 討論與總結(jié)

3.1 冬季機(jī)械通風(fēng)蓄冷時(shí)，不同類(lèi)型風(fēng)機(jī)的電耗、對(duì)糧食儲(chǔ)藏特性的影響不同，如離心風(fēng)機(jī)耗能大，通風(fēng)降溫速度快，導(dǎo)致糧食水分散失和質(zhì)量損失較大；軸流風(fēng)機(jī)能耗低，有均衡糧溫的效果，糧食水分散失少，糧食儲(chǔ)藏穩(wěn)定性較好[9]。但考慮到降溫效果相當(dāng)時(shí)，離心風(fēng)機(jī)的電耗遠(yuǎn)高于軸流風(fēng)機(jī)，建議在機(jī)械通風(fēng)蓄冷時(shí)優(yōu)先選用小功率軸流風(fēng)機(jī)，緩慢通風(fēng)，減少糧食水分散失，降低作業(yè)成本。

3.2 彩鋼頂?shù)脑靸r(jià)低于預(yù)制板頂，隔熱保溫效果相對(duì)較差[10]，導(dǎo)致降溫效果相當(dāng)時(shí)，彩鋼頂倉(cāng)房蓄冷階段的電耗較低，在內(nèi)環(huán)流階段的冷源損耗較高。因此對(duì)于稻谷、玉米等孔隙度大的糧食[11]，建議用隔熱效果好的預(yù)制板頂，一方面較大的糧食孔隙度可以縮短通風(fēng)時(shí)間，降低蓄冷階段電耗；另一方面較好的隔熱圍護(hù)結(jié)構(gòu)可以降低內(nèi)環(huán)流階段的冷源損耗。當(dāng)然，也可以通過(guò)糧堆覆膜進(jìn)一步降低內(nèi)環(huán)流階段的冷源損耗。

3.3 與小麥[1.809 kJ/(kg·K)]和稻谷[1.562 kJ/(kg·K)]相比，玉米的比熱較高[2.818 kJ/(kg·K)][8]，熱交換時(shí)糧溫變化較慢，熱交換時(shí)間較長(zhǎng)，故降溫效果相當(dāng)時(shí)玉米倉(cāng)的電耗和冷源損耗均較高。此外，在安全水分糧食儲(chǔ)藏過(guò)程中，玉米的呼吸強(qiáng)度大于小麥和稻谷，產(chǎn)生更多的代謝熱量[12]，加大了控溫電耗和冷源損耗。在本次試驗(yàn)中，使用無(wú)紡布覆蓋玉米糧堆，仍可能出現(xiàn)膜上下空氣的熱量交換，而計(jì)算內(nèi)環(huán)流電耗和冷源損耗使用的是糧面和膜間空間(50 cm高)空氣的總質(zhì)量，會(huì)導(dǎo)致計(jì)算值偏大，因此仍需進(jìn)一步的試驗(yàn)驗(yàn)證該結(jié)論。對(duì)于玉米儲(chǔ)藏，建議加大冬季機(jī)械蓄冷強(qiáng)度，儲(chǔ)存足夠的冷源，以應(yīng)對(duì)夏季內(nèi)環(huán)流時(shí)的冷源損耗。