低溫儲糧技術研究進展*

黃 宏 張緒坤 李 俊 張雪龍馮健雄 袁林峰 何家林 周巾英*

(1 南昌航空大學 機械電子工程系 330063)(2 江西省農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)產(chǎn)品加工研究所 330020)

低溫儲藏(low temperature storage)是c15℃及以下，局部最高糧溫不超過20℃的儲藏方式。研究發(fā)現(xiàn)糧堆中害蟲生長的環(huán)境溫度普遍比較高，在糧堆溫度低于15℃的情況下，大部分害蟲不能進行正常的生命活動；在5℃～10℃的糧堆溫度下，經(jīng)過一段時間后，發(fā)現(xiàn)大多數(shù)種類的害蟲存活數(shù)幾乎為零；針對糧堆內(nèi)部的微生物在15℃以下時，其生長繁殖受到了抑制，尤其是在10℃以下甚至陷入停滯[1]。目前國內(nèi)大多數(shù)糧倉氣密性比較差，使用藥劑和氣調(diào)儲糧費用比較高。同時現(xiàn)階段人民對生活品質(zhì)的追求，對藥物殘留都有嚴格要求。低溫儲藏不需要進行頻繁氣調(diào)、減少了化學藥劑使用，同時可以有效延緩糧食品質(zhì)劣變。

糧堆是由糧食顆粒堆積而成的多孔介質(zhì)。對糧堆進行控溫控濕的過程實質(zhì)上是糧食顆粒與空氣之間進行的熱濕耦合傳遞過程，也就是多孔介質(zhì)的傳熱傳質(zhì)過程。通過對糧堆對流換熱，從而達到降溫或者降濕目的。目前，針對儲糧的控溫技術國內(nèi)外均進行了大量研究。隨著谷冷機、空調(diào)控溫、智能通風技術等控溫技術的發(fā)展，對不同地域氣候的儲糧區(qū)域進行針對性建設儲糧設施、采用相應的控溫技術體系。本文通過綜述國內(nèi)外主流的控溫技術及保溫技術，分析了低溫儲藏技術未來發(fā)展方向。

1 低溫儲藏在儲糧中的應用研究

1.1 自然低溫儲藏技術

自然低溫儲糧是利用天然冷氣資源(秋冬季節(jié)的低溫干冷空氣)通過開窗通風、軸流風機送風等方式，讓外界的低溫干冷空氣與糧堆進行熱交換，從而使糧堆溫度處于低溫狀態(tài)。同時通過糧面覆膜、鋪設保溫墻體等保冷措施，降低糧堆與外界熱交換速率，延緩糧堆溫度上升，繼而達到延長糧食儲存時間的目的。我國氣候環(huán)境多樣，自然低溫儲糧技術在華北、東北、西北等低溫天氣時間長的地區(qū)擁有廣泛前景[2]。長江中下游流域在冬季也有較長的低溫期，在冬季干燥的天氣時可以對糧倉進行谷冷作業(yè)。周建新[3]通過研究發(fā)現(xiàn)在進行自然冷源作業(yè)之后，通過增加保冷隔熱措施及科學優(yōu)化儲糧工藝管理，糧堆最高月平均溫度能夠處于準低溫狀態(tài)。試驗同時發(fā)現(xiàn)自然低溫儲藏對糧堆病蟲害發(fā)生有一定抑制作用，有利于保持糧食品質(zhì)，減少糧食因病蟲害的損失。在春季環(huán)境溫度逐漸上升期間，對糧倉進行保冷作業(yè)：如關閉通風窗口，在糧面壓蓋保溫材料、通過屋頂噴涂高反射率保溫涂料、糧倉外壁鋪設隔熱材料、糧倉頂部改為雙層通風屋頂?shù)?，降低外界熱傳導對糧堆的影響；同時對糧倉進行密封作業(yè)，如：糧面覆膜，對平房倉氣密性改造，減少糧堆內(nèi)部與外界氣流熱交換，提高保冷效果。

1.2 機械通風控溫儲糧技術

針對外界環(huán)境溫度高于糧堆溫度，通過機械通風或谷物冷卻機來降低糧溫、實現(xiàn)控溫儲藏。

1.2.1 垂直通風 對糧堆進行機械通風，就必須對糧倉的通風系統(tǒng)進行合理設計，同時針對不同需求如：降溫、降水、保水，采取不同通風方式。針對不同糧情，利用糧堆通風窗口理論對糧堆進行通風控制，保障儲糧安全與減少能耗[4]。通過對垂直通風系統(tǒng)進行研究發(fā)現(xiàn)，地上籠通風能耗比地槽低，鋼板通風籠比竹籠材質(zhì)能耗低；軸流風機比混流風機節(jié)能，而混流風機比離心風機節(jié)能，但是使用離心風機壓入再用混流風機吸出的組合方式進行通風較單純壓入或者吸出通風的保水效果更好[5]。

隨著國家對儲糧安全提出了更高要求，國內(nèi)研究人員對不同糧倉通風系統(tǒng)進行了進一步研究。目前國內(nèi)實倉試驗的研究對象多集中在風機和通風方向，缺少對風網(wǎng)系統(tǒng)的研究。吳瓊[6]對糧倉通風管網(wǎng)系統(tǒng)進行了研究完善。在高大平房倉“圭”字形通風地籠基礎上，合理安排內(nèi)環(huán)流管網(wǎng)系統(tǒng)，調(diào)節(jié)糧堆溫濕度的均勻性；對筒倉則大部分采用地槽方便出料和清理，同時通過改進已有的放射型與梳型風道，對其支風道進行加密；還開發(fā)了“圭”字形、環(huán)形、“豐”形風道，增大風網(wǎng)出風面積降低通風阻力。吳瓊與鄭頌[7]通過研究淺圓倉的風速、風壓對風道設計的影響，根據(jù)試驗結(jié)果可知：相同風機參數(shù)下，風機臺數(shù)越多通風阻力越大，對比的幾種風道中“圭”字形風道較為合適。

綜上所述，在垂直通風過程中，合理選用風機類型及適當?shù)耐L方式，同時合理設計風道可以有效提高通風效率，節(jié)約能源，保持水分均勻。在風道設計方面，依然可以進行優(yōu)化升級，以改進通風熱濕傳遞效果。

1.2.2 徑向通風 目前國內(nèi)主流倉型為高大平房倉、立筒倉、淺圓倉，裝糧高度越來越高，傳統(tǒng)垂直通風模式越來越無法快速高效地將高溫糧堆溫度降至安全儲糧溫度，而且在垂直通風過程中，糧堆內(nèi)部溫度與水分梯度仍然明顯。在耗能方面，垂直通風由于存在通風阻力，耗能加大，經(jīng)濟效益不佳。國內(nèi)外對糧堆通風阻力進行了研究，研究成果如表1。

表1 垂直/水平通風單位阻力比

由表1可以看出，水平通風阻力低于垂直通風，尤其是在玉米儲藏過程中垂直通風阻力為水平通風的2.6倍。由通風基本原理可以知道，在相同的傳熱傳質(zhì)速率情況下，徑向通風風速比縱向通風低。平房倉雖然水平通風時長較垂直通風長一倍，但是通風能耗相差不大，不用揭膜封膜、拆裝風籠，同時可以采用小功率軸流風機通風，保水效果顯著提高[8]。由于筒倉糧堆高度遠高于平房倉，垂直通風路徑長，通風阻力大，溫度下降速率慢，劉天壽[9]把筒倉垂直通風改為徑向通風，同時利用活塞控制風道的關閉與隔離，達到減少通風阻力和防止氣流短路的目的，但是通風管路控制復雜。通過進一步研究水平通風與垂直通風兩種風網(wǎng)的通風效果，發(fā)現(xiàn)水平通風形式能夠減少通風阻力、提高溫濕度均勻性。在筒倉水平通風風網(wǎng)的設計中，未加設垂直支風道風網(wǎng)的氣流不能像平房倉那樣近乎水平，通風路徑長，在保證氣流不短路的情況下，支風道高度對筒倉水平通風效果有明顯影響。李杰[10]針對不同高度的支風道進行研究，結(jié)果表明增加支風道能夠加快氣流速度，但糧堆中心風管頂部流速變化不明顯。杜傳致[11]通過對小麥橫向通風與豎向通風的溫濕度變化情況進行研究，發(fā)現(xiàn)橫向通風的溫度不僅變化趨勢比豎向通風快，而且變化幅度也比豎向通風大。張修霖[12]對淺圓倉徑向通風進行了模擬研究，發(fā)現(xiàn)在一定范圍內(nèi)增加支風道高度，會降低糧堆通風阻力和通風均勻性；中心風管的形狀也會影響糧堆內(nèi)部氣流的流動，進一步影響通風效率和糧倉高溫區(qū)域的位置及規(guī)模。姜俊伊[13]利用兩個尺寸基本相同的平房倉分別進行水平通風和垂直通風試驗，發(fā)現(xiàn)橫向通風均勻性更好，間隔為1 m的通風截面上溫差約為0.25℃，而縱向通風則為0.49℃，另外橫向通風使用2臺3 kW的小功率軸流風機通風效果較使用3臺豎向通風的對照倉好。楊泰[14]對淺圓倉三種不同形式的通風管網(wǎng)進行14 h的通風效果試驗，發(fā)現(xiàn)在試驗糧堆高度下：垂直通風速率快，但通風均勻性相差不大，聯(lián)合通風形式的耗能更低。

綜上所述，利用水平通風，同時合理設計通風管路能夠提高通風效率、在保證糧堆儲藏安全的情況下，能夠降低設備成本和能源消耗。雖然水平通風技術研究取得了一定進展，但是還有很多待研究的部分。水平通風與其他通風技術，如與谷冷機、空調(diào)降溫、環(huán)流、熏蒸等的結(jié)合應用還有待研究。還要進一步優(yōu)化通風管網(wǎng)系統(tǒng)的設計，提高通風均勻性，消除通風死角，提高通風效率。

1.2.3 機械通風數(shù)值模擬技術 由于進行實倉試驗需要耗費大量人力物力，通過數(shù)值模擬技術可以驗證通風系統(tǒng)的合理性，節(jié)約試驗成本。國內(nèi)外學者利用數(shù)值模擬技術對糧倉通風進行模擬。

Chang和Converse[15]等人利用兩個直徑6.6 m的筒倉進行機械通風與自然儲藏糧食試驗，建立了一種預測儲藏期間籽粒水分含量及其在籽粒內(nèi)部分布的模型，該模型和所確定的參數(shù)值可用于預測在機械通風和無機械通風儲藏小麥的水分含量和分布。Chen和Wang[16]等根據(jù)靜態(tài)儲存散糧的特點和虛擬連續(xù)介質(zhì)的假設，采用局部熱平衡方法，選取散糧中具有代表性的基本體積，建立了散糧傳熱傳質(zhì)模型，建立了小麥靜態(tài)儲藏過程的傳熱傳質(zhì)耦合模型。Abbouds和Chung[17]利用有限差分法建立了糧堆的熱濕傳遞數(shù)學模型，同時考慮了水分擴散、熱對流、熱傳導、熱源的影響，特別是熱對流對模型精度影響很大。王遠成團隊[18-19]在研究糧食儲藏過程中的熱濕傳遞規(guī)律做了許多探索，利用數(shù)值模擬與試驗相結(jié)合的方法，對糧堆自然儲藏及機械通風過程的溫度水分變化規(guī)律進行了研究，同時探索了垂直通風與水平通風的效果對比。張淑紅[23]以“U”形地槽平房倉作為模型對機械通風降溫效果進行模擬研究，取得與實倉相符合的結(jié)果，對進一步改進平房倉機械通風系統(tǒng)有重要意義。

綜上所述，利用數(shù)值模擬的辦法探究糧堆內(nèi)部熱濕傳遞規(guī)律，是切實可行的。通過國內(nèi)外對糧堆內(nèi)部熱濕耦合規(guī)律的研究成果，為研究糧堆的結(jié)露現(xiàn)象提供了可用的預警模型，為分析及預測糧食儲藏規(guī)律與優(yōu)化儲藏工藝提供了工具。雖然糧堆儲存過程中的傳熱傳質(zhì)機理取得了相當大的進展，但是在對一個儲糧周期內(nèi)的模擬研究還比較少。

1.3 機械制冷控溫技術

1.3.1 空調(diào)控溫技術 空調(diào)控溫技術是將糧倉上部空間空氣通過空調(diào)機進行制冷，然后再通入糧倉，達到降低糧倉上部溫度的目的。糧倉上部的空氣再與糧堆進行換熱，進一步使糧堆溫度由表層到底層逐次降低，最后使糧堆處于低溫狀態(tài)，達到低溫儲糧的目的。家用空調(diào)或工業(yè)用空調(diào)對糧倉進行降溫容易導致以下問題：不防塵防爆、不耐腐蝕，降水明顯等[24]，近年來都使用專用空調(diào)來解決上述問題。單獨使用空調(diào)對糧倉進行降溫，會導致能耗大、容易結(jié)露，采用內(nèi)環(huán)流與空調(diào)控溫結(jié)合的技術，能夠有效減少空調(diào)開啟時間，而且比單獨使用空調(diào)減少62%的能耗，同時能夠有效避免糧溫過高，結(jié)露現(xiàn)象[25]。研究空調(diào)控溫與其他通風技術結(jié)合，對提高儲糧安全，達到科學、經(jīng)濟的目的具有重大意義。

1.3.2 谷物冷卻機控溫技術 谷冷機控溫技術是利用可調(diào)節(jié)出風溫度與濕度的谷冷機，將滿足儲糧需要的溫度、濕度的空氣輸送到糧堆中。通過與糧堆進行熱濕交換，達到低溫儲糧，保水降溫的目的。另外谷冷機能夠控制送風溫濕度，可以不受環(huán)境影響，達到使糧溫下降的目的，同時糧堆的水分損失較普通通風少[26]。我國幅員遼闊，氣溫差別明顯，北方部分地區(qū)高溫天氣維持時間短，導致谷冷機的需求不強烈；南方高溫天氣持續(xù)時間長，谷冷機作業(yè)時間長、使用頻繁，能耗過高，李杰[27]研究了谷冷機與空調(diào)制冷控溫成本，發(fā)現(xiàn)谷冷機制冷成本高于空調(diào)制冷。其主要原因是糧堆是熱的不良導體，糧堆表層溫度超過安全溫度，而糧堆內(nèi)部依然保持低溫狀態(tài)，利用空調(diào)控溫僅需要對表層糧堆降溫，故能耗低。張淑珍[28]根據(jù)以往谷冷機的應用經(jīng)驗，總結(jié)出合理配置谷冷機、合理計劃儲糧溫度、充分利用糧堆蓄熱特性、合理規(guī)劃通風時機、分段冷卻通風和科學制定通風參數(shù)六個方面來降低谷冷機作業(yè)的能耗。另外，也可以利用內(nèi)環(huán)流通風技術與谷冷機控溫技術相結(jié)合的方法，優(yōu)化谷冷工藝，在一次作業(yè)期間噸糧電耗能夠減少46%[29]。通過結(jié)合不同區(qū)域的氣候特點，科學合理利用谷冷機，實現(xiàn)控溫保水的要求下，減少能耗。

1.3.3 其它制冷控溫技術 熱泵技術與太陽能制冷控溫技術是新型控溫技術，綠色環(huán)保，對環(huán)境沒有污染，符合綠色生態(tài)、節(jié)能低碳的要求，雖然技術門檻高，使用成本大，但隨著技術發(fā)展，在糧倉制冷控溫應用前景良好。

2 糧倉的保溫隔熱技術

當外界溫度高于糧堆溫度時，熱量將通過倉頂、倉壁等傳進糧堆，由于糧倉的密封性較好，無法及時將外部傳入的熱量排出倉外，導致熱量堆積在糧堆表層及近壁面，從而形成“熱皮”現(xiàn)象。高大平房倉糧堆“熱皮”主要來源于倉頂、倉墻四周和門窗，其中以倉頂輻射熱量最多，約占70%[30]。王薇[31]對淺圓倉進行實測也發(fā)現(xiàn)70%左右的熱量是由倉頂傳入。

由此可見，解決好倉體的隔熱問題是糧倉保溫隔熱的關鍵。袁育芬[32]通過熱平衡計算的方法，提出不同糧區(qū)采用的糧倉保溫隔熱方法?！都Z油儲藏技術規(guī)范》[33]對糧倉隔熱性能在不同區(qū)域范圍提出了相關要求，具體措施如表2所示。

表2 不同區(qū)域糧倉保溫隔熱方法

在對糧倉圍護結(jié)構保溫隔熱的條件下，還要進一步對糧堆進行保溫隔熱。對糧面一般采取覆膜和加隔熱板等壓蓋措施，減少熱量傳遞[41]。在建設糧倉選用隔熱措施的時候，應該根據(jù)不同需求，按熱平衡計算結(jié)果，選用合適的保溫結(jié)構和保溫材料，實現(xiàn)安全、節(jié)能儲糧的目的。

3 內(nèi)環(huán)流技術

由于在自然低溫儲藏過程中糧堆內(nèi)部存在冷心，可以使用內(nèi)環(huán)流技術，降低糧面溫度，減少糧堆溫度梯度，達到均溫保水作用。吳鎮(zhèn)等[42]通過對高大平房倉進行內(nèi)環(huán)流控溫試驗，在7～9月溫度超過25℃、糧堆內(nèi)部溫度梯度大于4℃或者水分梯度大于0.5%的情況下開啟內(nèi)環(huán)流系統(tǒng)。試驗發(fā)現(xiàn)：試驗倉糧堆中下部溫度相比對照倉溫度高，而頂層溫度低于對照倉溫度。而且在氣溫逐漸上升的7月、8月試驗倉仍能保持整體溫度低于對照倉，9月隨著氣溫轉(zhuǎn)涼，試驗倉表層高溫區(qū)域溫度在15℃～20℃，對照倉由于沒有采用內(nèi)環(huán)流技術，無法利用中下層低溫冷源，表層溫度在20℃～30℃。故采用內(nèi)環(huán)流技術，可以徹底消除“冷心熱皮”現(xiàn)象，有效降低表層近壁側(cè)的溫度，保證低溫儲糧環(huán)境；另外，內(nèi)循環(huán)不會帶走糧堆內(nèi)部的水分，并且可以降低水分梯度，進一步達到低溫儲糧、保質(zhì)保水目的。使用內(nèi)環(huán)流控溫技術可以降低制冷能耗，達到節(jié)能減排的作用[43]。但是內(nèi)環(huán)流技術在高溫天氣不能降低糧堆整體平均溫度，為了保證儲糧安全應該在內(nèi)環(huán)流過程中進行補冷作業(yè)，降低糧堆整體溫度，達到低溫儲糧要求。王遠成等[30]將糧堆視為可吸濕性多孔介質(zhì)，基于局部熱平衡假設及谷物等溫吸附原理建立糧堆的熱濕耦合數(shù)學模型。研究了淺圓倉稻谷在自然對流狀態(tài)下，全年糧堆內(nèi)部熱量及水分變化情況。通過對糧堆內(nèi)部溫度變化規(guī)律的研究，選擇合適時機對糧堆進行科學降溫補冷作業(yè)，最大化做到節(jié)能與安全儲糧。

4 糧食低溫儲藏技術總結(jié)與展望

低溫儲藏技術是多種控溫措施集成的一種儲糧技術，主要是利用多種控溫措施將糧堆溫度保持在安全儲糧溫度之下，從而延長糧食保質(zhì)期，減少儲糧損失；同時減少化學藥劑的對糧食本身的污染，保證食品安全，是綠色的儲存技術。目前，全國各個地區(qū)針對各自環(huán)境特點，開展各具特色的儲糧方式，取得了很好的儲糧效果。然而在實際生產(chǎn)中還有一些問題待優(yōu)化：在倉房的結(jié)構方面，為了增加保冷隔熱效果，大都是從建筑材料上進行改進，如墻體采用空心磚及氣磚隔熱層、墻壁鋪貼保溫隔熱涂層、倉頂鋪設反光材料，缺乏對這些措施實際參數(shù)的研究，特別是對改造后的傳熱系數(shù)等重要參數(shù)進行實驗論證。應該對保溫材料及其施工工藝進行標準化、規(guī)范化操作。在倉房改造過程中，氣密性仍然是需重點關注的問題，糧倉依然存在漏氣問題，尤其是還未進行改造的舊糧倉。即使是新建糧倉，其氣密性也會隨著時間慢慢下降，所以要定期對糧倉展開氣密性檢查。針對國家節(jié)能減排的要求，還可將太陽能、地熱能、風能等可再生能源應用于儲糧，進一步提高儲糧經(jīng)濟性。尤其是對倉頂應用太陽能制冷技術的研究，既可以為制冷提供能源，也可以減少太陽輻射對糧面的溫度傳遞，減少“熱皮”的范圍和高溫程度。

要進一步對糧倉通風制冷的基礎理論進行研究。利用計算機模擬仿真技術建立更加精確的數(shù)學模型，然后對現(xiàn)有的通風技術進行優(yōu)化。目前儲糧傳熱傳質(zhì)機理研究正在逐步完善，現(xiàn)行的傳熱傳質(zhì)數(shù)學模型基本上能夠準確預測糧堆在通風與自然儲藏狀態(tài)下的溫度濕度變化。但是大多數(shù)研究忽略了糧堆是一個生態(tài)系統(tǒng)，糧食顆粒呼吸作用，病蟲害的生物作用，都會引起糧堆溫度變化，而溫度變化又會進一步影響糧堆的儲藏安全。將整個糧堆看作多孔介質(zhì)，在模型當中大多數(shù)都將多孔介質(zhì)孔隙率視為不變，在實際儲藏中，糧堆是含有雜質(zhì)的，在布料過程中，糧堆是不均勻的。這些都會導致孔隙率的改變，進一步影響模型的精確度。在引入環(huán)境溫度作為邊界條件加入模型當中，并沒有考慮到倉壁物理特性的影響，而直接利用倉壁外側(cè)溫度作為倉壁內(nèi)側(cè)溫度作為邊界條件。在未來的研究中，進一步完善糧食儲藏過程中的數(shù)學模型，從糧堆的生物特性和物理特性進行研究，各參數(shù)設置對模型精確度影響開展實驗并找到最適值。

針對糧倉進行智能化控制，降低勞動強度達到實時迅速控制儲糧安全，要從生物、機械通風原理、檢測設備和編程四個方向共同研究。合理控制糧堆溫度濕度以及調(diào)控糧堆生態(tài)系統(tǒng)，以求達到延長糧食保質(zhì)期和降低能耗的目的。加大對糧情控制系統(tǒng)的投入，引進云平臺，對糧倉進行遠程實時監(jiān)管，能夠?qū)Z情變化做到自動控制?？梢詫⒓Z情實時匯總到國家主管單位，主管單位能夠?qū)θ珖Z庫進行線上核查，線上監(jiān)督，對糧食儲存依照實時反饋的信息予以指導。