我國低溫儲糧技術的應用與發(fā)展*

項寬寬 吳東亮 張愛強 周小堅 簡冠熾 彭燦杰

(1 廣東省儲備糧管理總公司東莞直屬庫 523145)(2 中央儲備糧廈門直屬庫有限公司 361026)

溫度是儲糧生態(tài)系統(tǒng)中重要的非生物因子，對糧食儲藏的穩(wěn)定具有很大的影響。低溫情況下可以抑制儲糧的呼吸作用與新陳代謝活動，提高儲糧穩(wěn)定性，延緩儲糧的劣變速度，保持糧食的新鮮品質(zhì)，還可以在不使用化學藥劑的情況下抑制蟲霉的孳生。低溫儲藏不僅能實現(xiàn)安全儲糧的目的，而且還具有綠色環(huán)保的特點，是糧食行業(yè)比較推崇的一項儲糧技術。低溫儲糧技術指使糧堆溫度常年保持在15℃及以下，局部最高糧溫不超過20℃的儲糧技術。本文主要介紹了我國常用的幾種低溫儲糧技術在近些年的研究與應用，分析了不同低溫儲糧技術的特點，并展望了未來我國低溫儲糧技術的發(fā)展趨勢。

1 自然低溫儲藏技術的研究與應用

自然低溫儲藏技術是一項古老的儲糧技術，有研究[1]發(fā)現(xiàn)在我國隋唐時期就有建造地窖，利用地下自然冷源對糧食進行儲藏。自然低溫儲藏技術主要是利用自然冷源對糧食降溫和維持糧溫并輔助隔熱保冷的技術，防止儲糧溫度隨外界氣溫的升高而升高，使糧食在一定時間內(nèi)處于低溫狀態(tài)。自然低溫儲藏技術的關鍵點在于冷源的獲取和倉房的密閉隔熱。因為冷源能借助地理環(huán)境和氣候條件獲得，如冬季的寒冷空氣、地下淺層低溫以及地下水冷源等，所以自然低溫儲藏技術具有經(jīng)濟節(jié)能、綠色環(huán)保的特點。

自然低溫儲藏技術在發(fā)展過程中形成了地上自然低溫儲糧、地下自然低溫儲糧以及水下自然低溫儲糧幾種形式，應用最廣泛的是地上自然低溫儲糧技術。在我國北方的冬季，氣溫可以達到0℃以下，可以選擇在冬季最寒冷的時期進行糧食入倉，這樣可以很大程度上利用冷空氣進行低溫儲藏，在儲藏期間打開倉房的門窗和通風口，使冷空氣進入倉內(nèi)對儲糧進行自然冷卻通風，維持儲糧的低溫狀態(tài)。趙興元[2]等人通過對儲藏稻谷秋冬季自然通風試驗發(fā)現(xiàn)，在秋冬季采取自然通風冷凍降溫，可實現(xiàn)自然低溫儲糧；王瑞元[3]等人發(fā)現(xiàn)利用北方壩上地區(qū)氣候條件能夠使儲糧常年保持在低溫或準低溫狀態(tài)，而且在防蟲、防品質(zhì)下降以及抑制蟲霉孳生方面具有顯著的效果。雖然在冬季自然通風具有一定的效果，但自然通風對高大糧倉中部或底部的效果并不太明顯，所以通常采取機械通風或者機械制冷設備進行輔助降溫，如羅家賓[4]等人對淺圓倉低溫儲糧技術進行探究，發(fā)現(xiàn)利用自然冷源結(jié)合機械制冷低溫儲藏，能使糧堆長期保持在15℃以下，維持儲糧的品質(zhì)穩(wěn)定，還避免使用化學藥劑，具有很好的經(jīng)濟效益和社會效益。

地下自然低溫儲糧是利用土層等自然低溫冷源實現(xiàn)儲糧低溫儲藏的一種方式。地下的溫度比較穩(wěn)定，地下1 m到地下20 m，被稱為地殼的溫度年變化帶，此溫度帶的溫度變化幅度不大，20 m以下的深度稱為恒溫帶，不受地面氣溫變化影響。地下倉是根據(jù)地形建造的倉型，具有低溫、密閉、隔熱、機械操作方便、能耗少等特點，科研人員結(jié)合地下倉的特點對其儲糧技術進行了一系列的探索。楊航柱[5]等以機械通風和自動補冷低溫為主，輔以隔熱密閉的地下倉低溫綜合儲糧的技術路線，實現(xiàn)了地下倉儲糧無污染、無公害、綠色節(jié)能的目的；張祥祥[6]等人研究地下倉通風對糧堆溫度場變化的影響，發(fā)現(xiàn)在相同時間內(nèi)豎向通風比橫向通風的降溫效果更好。雖然地下倉具有很多優(yōu)點，但仍有很多的局限性，比如建倉易受地形等自然條件影響，對防潮具有較高要求，機械化程度還較低等。

2 機械通風低溫儲藏技術的研究與應用

機械通風低溫儲藏技術是通過利用機械風機產(chǎn)生的壓力差將自然冷源——冷空氣輸入糧層，強行對糧堆進行通風降溫，達到低溫儲藏的目的。機械通風低溫儲藏仍然屬于利用自然冷源的范疇，所以同樣受氣溫條件和季節(jié)性的限制，但不同的是配置了機械風機和風道，因而其降溫效果要優(yōu)于自然低溫儲藏。機械通風不僅能降低糧食的溫度，還能平衡糧食水分，消除糧堆異味，改善糧堆生態(tài)環(huán)境等，從而達到延緩糧食品質(zhì)劣變、抑制蟲霉孳生的目的。

早在20世紀50年代，我國便開始進行儲糧機械通風技術應用研究，目前的研究主要圍繞節(jié)能和高效來開展，包括風機的選擇、通風方式的選擇以及智能化通風技術。

2.1 風機的選擇

風機為儲糧機械通風提供動力，合理的風機選擇能夠在保證通風效果的前提下，降低儲存成本，提高經(jīng)濟效益。機械通風設備根據(jù)原理分為離心式風機和軸流式風機。離心式風機與軸流式風機相比，在同樣的風量下風機壓力較高，且能保持相對穩(wěn)定的風速與流量，快速降溫，因此，深層的糧堆一般選擇離心式風機通風降溫。但離心式風機的能耗較大，使用成本較高。軸流式風機適合用于儲糧的表面通風或中小型糧庫，其功耗低，成本較低。喬東升[7]等人研究了離心風機和軸流風機對淺圓倉的降溫效果和能耗對比，發(fā)現(xiàn)離心風機的降溫效果優(yōu)于軸流風機，離心風機通風的倉房噸糧電費為0.71元/t，軸流風機通風的倉房噸糧電費為0.32元/t。因為兩種風機的特點不同，所以應根據(jù)實際情況選擇，對于需要快速降溫的儲糧可以使用離心風機快速降溫，在氣溫較低、通風時間足夠的情形下可以使用軸流風機通風降溫。

2.2 通風方式的選擇

通風方式的選擇對降溫效果的影響也很大，有研究[8]對不同糧堆橫向和豎向通風的效果進行對比，發(fā)現(xiàn)壓入式送風比吸出式送風效果好，橫向通風比豎向通風(大豆例外)效果好，豎向壓入式通風比橫向吸出式通風效果好。姜俊伊[9]等人在相同儲藏條件下使用橫向和豎向的通風方式對倉房進行通風，并對降溫效果分析發(fā)現(xiàn)橫向通風系統(tǒng)截面間每米溫度差約為0.25℃，小于豎向通風系統(tǒng)中糧堆間每米溫度差約0.49℃，通風操作結(jié)束時，橫向倉整倉平均糧溫為5℃，豎向倉整倉平均糧溫為8℃，橫向通風系統(tǒng)具有降溫速度較快、降溫幅度較大、作用效率較高等特點。丁江濤[10]等人使用壓入式、吸出式、壓入與吸出相結(jié)合的通風方式進行降溫試驗發(fā)現(xiàn)，吸出式通風對儲糧進行降溫處理，水分流失少；壓入吸出相結(jié)合通風在整體降溫方面具有一定優(yōu)勢；壓入式通風對處理高水分糧效果比較明顯。張云峰[11]等人對平房倉橫向與豎向通風降溫失水率研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，采用橫向通風系統(tǒng)可以以較低的單位通風量達到較好的降溫保水效果，通風失水率、單位能耗低于豎向通風。王遠成[12]等人使用計算機流體力學的方法對橫向谷冷通風過程的數(shù)值模擬研究發(fā)現(xiàn)，橫向通風與垂直通風相比，橫向通風時糧堆內(nèi)部速度分布均勻、溫度梯度較小，且具有降溫速度快，冷卻效率高的特點。

2.3 智能通風技術

近年來，隨著計算機技術、智能傳感器技術、物聯(lián)網(wǎng)技術等智能化信息技術的發(fā)展，智能化技術在儲糧通風中也得到了研究與應用，極大地提高了工作效率，與傳統(tǒng)機械通風技術相比具有降溫效果好、能耗低、勞動強度低的優(yōu)點。智能通風技術通過布置多個傳感器來獲取儲糧的糧情數(shù)據(jù)，然后根據(jù)儲糧知識和專家經(jīng)驗建立的數(shù)學模型對數(shù)據(jù)進行分析，自動判斷是否通風或者通風類型[13]，來達到智能化通風的目的。李文泉[14]等人研究了智能通風技術在儲存大豆的淺圓倉中的應用效果，并與傳統(tǒng)的機械通風效果進行對比，發(fā)現(xiàn)智能通風技術可充分地均衡糧溫，能夠有效地控制倉溫、糧溫，而且還具有顯著的經(jīng)濟效益。羅智洪[15]等人研究了智能通風技術在保水降溫通風中的實踐應用，發(fā)現(xiàn)智能通風系統(tǒng)能準確捕捉通風時機，避免無效通風和有害通風的發(fā)生，不僅在低耗能的情況下控制內(nèi)外溫差在8℃以內(nèi)，還可以避免儲糧水分大量流失。

3 機械制冷低溫儲藏技術的研究與應用

機械制冷低溫儲藏是指利用機械制冷設備所產(chǎn)生的冷源來降低糧溫，達到低溫儲藏的一種技術。此低溫儲藏技術是利用人工冷源，因此不受地理位置以及氣候的限制與影響，是儲糧安全度夏的一種有效方法，可以有效解決糧堆發(fā)熱，延緩糧食品質(zhì)劣變，保持糧食的新鮮度。常用的機械制冷設備通常有空調(diào)和谷物冷卻機等。

3.1 空調(diào)制冷低溫儲藏技術

空調(diào)制冷低溫儲糧技術主要應用于華南地區(qū)及夏季高溫季節(jié)，通過空調(diào)的作用人工制造冷源達到控制糧溫的目的，空調(diào)制冷低溫儲糧技術不僅能實現(xiàn)對儲糧的低溫控制，而且還可以控制儲糧的濕度，所以比較適合在南方使用。

傳統(tǒng)的空調(diào)制冷低溫儲糧技術使用的是民用分體式空調(diào)，但隨著儲糧技術的發(fā)展，普通民用分體式空調(diào)的不足也逐漸暴露，比如在進行熏蒸時還需要對倉內(nèi)空調(diào)內(nèi)機的銅管、換熱器、電路板和排水管等進行保護；無遠程控制接口，不能實現(xiàn)與智能化系統(tǒng)的互聯(lián)；在運行時存在除濕結(jié)水作用降低儲糧水分。針對這些問題研究者改進開發(fā)出糧倉專用新型空調(diào)[16]，張杰[17]等人使用糧倉專用空調(diào)對儲存玉米進行控溫發(fā)現(xiàn)，糧倉專用空調(diào)具有安全性高、損耗降低、操作方便、控溫持久等優(yōu)點。盧全祥[18]等人通過對糧倉專用空調(diào)控溫儲糧進行試驗，結(jié)果表明糧倉專用空調(diào)控溫效果要優(yōu)于民用分體式空調(diào)，而且糧倉專用空調(diào)的安裝更符合氣調(diào)儲藏的相關要求。為降低空調(diào)控溫的能耗，賀光輝[19]等人開展利用糧堆的冷心進行環(huán)流輔助空調(diào)控溫的技術研究，不僅實現(xiàn)了快速有效控制糧食溫度而且降低了能耗。為提高設備利用率，安曉鵬[20]等人采用移動式空調(diào)控溫法，靈活實現(xiàn)了一機多用，從而減少了投入成本。

空調(diào)制冷低溫儲糧技術雖然具有諸多優(yōu)點，但其相對于其他儲糧技術的耗電量較高，而且還易造成儲糧的水分散失，造成糧食的損耗。為達到既能有效控制溫度，又能節(jié)約能源降低水分損失，近年來一些新型的空調(diào)被人們開發(fā)與使用，劉東方[21]設計了糧倉補空間空調(diào)系統(tǒng)和倉頂光伏發(fā)電系統(tǒng)，借用太陽能為空調(diào)提供動力，具有顯著的節(jié)能減排效益；方志杰[22]等人使用水冷空調(diào)對低溫儲糧技術進行研究，結(jié)果表明水冷空調(diào)與同樣功率的風冷空調(diào)能耗降低27.4%，而且運行穩(wěn)定效益明顯；曹景華[23]等人利用蒸發(fā)冷卻空調(diào)進行控溫儲糧試驗，結(jié)果表明蒸發(fā)冷卻空調(diào)可以對儲糧有效進行降溫，并具有節(jié)能環(huán)保的特點。

3.2 谷物冷卻機低溫儲藏技術

谷物冷卻機低溫儲糧技術是綜合了機械通風技術、機械制冷技術、自動控制技術于一體的儲糧新技術，是儲糧四項新技術之一。谷物冷卻機技術最早是德國在20世紀50年代開始研究和應用，我國是在21世紀初開始使用谷物冷卻機，直到現(xiàn)在因其良好的降溫效果，使用不受地域與氣候條件限制的特點，仍在廣泛使用，谷物冷卻機低溫儲糧技術適用于玉米[24]、稻谷[25]、大豆[26]等易受溫度影響的糧食種類。經(jīng)過多年的科學研究與實踐應用，谷物冷卻機低溫儲糧技術在低溫儲糧的優(yōu)勢受到了我國儲糧企業(yè)的廣泛認同，余軍林[27]使用冬季自然通風與谷物冷卻機低溫儲糧技術相結(jié)合的方式，實現(xiàn)了糧溫常年在20℃以下；劉進吉[28]等人使用谷物冷卻機對大直徑筒倉進行谷冷作業(yè)，有效降低糧堆的溫度，確保儲糧安全度夏。

雖然谷物冷卻機低溫儲糧技術具有很好的降溫效果，但其在應用過程中的高能耗讓很多企業(yè)望而卻步，這極大限制了谷物冷卻機在低溫儲糧技術中的應用，為降低能耗廣大研究者與從業(yè)者進行了相關研究，徐玉斌[29]等人對單冷水源熱泵谷冷機和風冷谷冷機進行分析比較，結(jié)果表明單冷水源熱泵谷冷機具有能耗低，使用率高、運行穩(wěn)定等優(yōu)點；溫素珍[30]等人將多級控溫冷卻技術在谷物冷卻機中應用，不僅有效降低了系統(tǒng)能耗，而且可實現(xiàn)送風相對濕度的精確控制；許海峰[31]對谷物冷卻機增設環(huán)流冷卻系統(tǒng)并進行改造，發(fā)現(xiàn)在降溫幅度相同時噸糧運行成本費用節(jié)約了46%，與改造前相比單位能耗降低了0.18 kW·h/℃·t；周敏[32]等人利用自主研發(fā)多功能變頻小型倉儲谷物冷卻機對庫存玉米進行度夏降溫研究，冷卻通風77 h，實現(xiàn)平均降溫15℃，單位能耗為0.12 kW·h/℃·t，為國家規(guī)定的15%，大大節(jié)省了能耗。

4 思考與展望

低溫儲糧是生態(tài)儲糧的重要手段，經(jīng)過多年的實踐證明，低溫儲糧技術具有可行性、實用性，是今后我國糧食儲藏行業(yè)中具有發(fā)展前景的技術。雖然我國已經(jīng)在低溫儲糧方面取得了巨大的成就，但目前仍存在一些問題：第一，國家還需要出臺相關政策進一步鼓勵各地因地制宜，結(jié)合本地的氣候地理條件，積極探索適合當?shù)氐牡蜏貎Z技術；第二，綠色環(huán)保低能耗的儲糧技術是低溫儲糧發(fā)展的永恒主題，太陽能、風能、水源熱泵等新能源技術已在低溫儲糧技術中得到應用，可有效降低低溫儲糧能耗，但還需進一步深入研究更加節(jié)能，效率更高的低溫儲糧技術；第三，信息化、智能化儲糧技術是未來低溫儲糧技術的發(fā)展方向，低溫儲糧技術的智能化可以大大減輕工作人員的勞動強度，還需要建設一批符合當前和未來發(fā)展的、機械化程度高的低溫儲糧倉庫，提高我國儲糧技術的智能化水平。