水源热泵低温储粮技术的应用分析

杨晓帆，张文彦，李 辉，李 琛

（云南省粮油科学研究院，云南 昆明 650033）

水源热泵技术属于可再生能源利用技术，是直接利用地球表面浅层水源，如地下水、地表的河流和湖泊以及海洋等储藏的太阳能资源进行能量转换的热泵技术[1-2]。水源热泵技术用于粮食低温储藏，可以提供粮食储藏所需的一定温湿度环境，是一种绿色环保的低温储粮技术，主要包括地下水或地表水采集装置、分配装置、水冷式制冷机组、送回风管路及控制设备等。通过分析水源热泵系统在低温储粮中的区域适用性、投资、运行情况等方面，为不同区域粮食仓储企业在选择水源热泵进行低温储粮时提供理论依据。

1 水源热泵低温储粮系统原理

水源热泵低温储粮的工作原理[3]是通过水泵将地球浅表层水源，采集到水源热泵制冷机组的冷凝端，与机组内的制冷剂进行换热降温，降温后冷却的水通过热泵转换至蒸发端，粮仓内高温空气通过风机作用不断在蒸发端冷却，再通过送风管，在粮堆内自下而上穿过粮层，与粮食充分进行热交换，最后到达粮堆上部，粮堆上部的空气通过回风管送至蒸发端再次被处理到需要的低温状态，重新送入粮堆或粮面吸收热量。粮食热量被冷风传递给制冷剂，制冷剂再传递给循环水，最终实现粮食热量向地下或地表水中的转移过程，从而达到粮仓内粮食降温目的。水源热泵低温储粮降温系统主要包括整仓降温与表层控温。图1为水源热泵低温储粮原理示意图。

图1 水源热泵低温储粮原理示意图

2 水源热泵储粮技术适用性的影响因素

根据吴艳菊等[4]分析的水源热泵在我国各典型气候区的适用性可知，影响水源热泵使用的关键因素包括水源、水量、水质、水温、气候等。

2.1 水源

我国水资源分布极不平衡，总的分布范围是东南多，西北少，由东南向西北逐渐递减。我国主要水系分布见表1。

以上地区拥有安装水源热泵最基本的要素——水源，但是水温、水质、气候等参数也是选择水源热泵技术必须评估的因素。

2.2 水量、水质、水温

水量要充足，水质需符合《地源热泵系统工程技术规范》（GB 50366—2005）的要求，否则应采取一定的清洁处理。根据ARJ 320标准，最适宜的水温在10～22 ℃，5～38 ℃能满足要求[5]。主要水系和湖泊水文特征如表2和表3。

表1 全国主要水系分布

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 典型气候区水温与气候的关系

严寒地区如内蒙、新疆、青海、西藏及东北等地区，属夏季短促凉爽，或水资源贫乏，不适合水源热泵技术进行低温储粮。

寒冷地区如黄河流域，夏热冬冷，水量较丰富，但含沙量大，不符合开式系统的水质要求；海河流域夏季水温与气温相差不大，节能效率不显著，且水资源缺乏，水质污染重，不适合使用水源热泵。

夏热冬冷地区如长江流域，是我国水资源最丰富的地区，水质相对较好；淮河流域地处我国南北气候过渡带，从气候、气温和水温分析，这两个区域都适合水源热泵进行低温储粮，但局部区域的水质仍污染严重，需详细的评估水质。

夏热冬暖地区如珠江流域，水质较好，适合使用水源热泵，但也需要结合投资、经济性方面综合考量。

温和地区如昆明的滇池，气候属冬温夏凉，且考虑到水源热泵投资大，滇池污染严重，水质差，该地区不需要水源热泵技术进行低温储粮。

3 水源热泵技术低温储粮实际应用情况

根据本单位向成都某科技发展有限公司采集的低温储粮系统有关信息以及各项技术运行数据进行整理，分别对不同方式储粮降温系统的投资及投入使用情况进行比较，如表4～表6所示。

3.1 设备厂家

近年来，我国涌现出了众多的水源热泵生产厂商，如清华同方、福尔达、郎博旺、三星-贝莱特、北京恒有源、山东宏力等[6]，粮食行业利用水源热泵系统进行低温储粮还处于起步阶段，目前国内较大的水源热泵低温储粮设备生产企业主要包括成都朗博旺、无锡粮食设计院、江苏永晟空调等，覆盖范围主要集中在江苏省，如南京、常州、昆山、南通、番禺等地区的部分粮库。

3.2 初始投资比较

由表4、表5可知，储粮规模不同，不同低温储粮技术的初始投资情况不同。1万t储粮规模的初始投资大小依次为：谷冷机＞地下水源热泵≈河水源热泵＞空调；5万t储粮规模的初始投资大小依次为：地下水源热泵=河水源热泵＞谷冷机＞空调。由于谷冷机属于移动式降温设备，对粮仓降温时可交替使用，因此，随着储粮规模增大，配备的谷冷机比例相应减小；而两种水源热泵系统初始投资相对较高，因为水源热泵系统包含整仓降温机组和表层控温机组，设备价格高，配置数量多，另外还需配备多个水泵和水井，所以初期投入大，因此在选择水源热泵进行低温储粮时，尤其要考虑投资的经济性和适用性。

3.3 运行能耗

系统运行能耗是粮食仓储企业在选择低温储粮技术时考量的重要指标之一，对几种低温储粮技术的运行能耗做了对比分析，如表6所示。

表4 低温储粮技术初始投资的对比（1万t初始投资的条件）

表5 低温储粮技术初始投资的对比（5万t初始投资的条件）

表6 低温储粮技术运行费用的对比（1万t规模条件）

由表6可知，三项低温储粮技术的吨粮能耗由低到高依次为：空调＜地下水源热泵=河水源热泵＜谷冷机。在后期运行能耗上，水源热泵系统相比谷冷机节能63%以上。水源热泵系统由于运作方式比较复杂，通过整仓降温（和谷冷机相同），将整仓温度降至 20 ℃以下，再通过表层机组进行表层控温，使仓内温度长期维持在稳定状态。谷冷机一次性降温后，随时间延长，仓内温度升高较快，尤其是在夏季，最短每周进行一次降温，由于设备功率大，电耗较高导致后期运行成本高。普通空调由于不具备整仓降温功效，仅对表层进行冷却，冷却深度为0.5 m，无法有效深入粮堆内部进行降温，因此降温效果不理想。

3.4 对粮食的影响

传统储粮技术造成粮食水份损失较大，根据张锡贤[7]报道的江苏常州某库在传统机械通风处理高温粮的过程中，粮食水分损耗高达 0.8%左右，而采用水源热泵低温储粮后，水分从 15.7%降到15.3%，仅降低了0.4%，有效地减少了粮食损耗，更好的保证了粮食品质，减少了粮食仓储企业的经济损失。

3.5 设备维护

水源热泵系统总体结构较复杂，要有符合要求的地表水源，即便如此，水源热泵机组冷凝器仍易产生结垢、腐蚀、藻类或微生物滋长，会影响机组运行效率，需要定期清洗。而谷冷机配套设备少，操作方便，易维护，但不能长时间连续工作，较适用于粮堆内部发热“救急”和局部降温。

4 结论

不同地区应该根据投资、运行能耗以及当地的气候、地理环境、水源情况等因素进行综合评估，判断是否适合使用水源热泵技术进行低温储粮。

粮仓低温环境要靠制冷系统降温，同时也必须做好粮仓的保温隔热[8]，以减少粮库的冷负荷，因此，如何快速降温和保温并最大限度降低能耗是选择水源热泵低温储粮技术需要重点考虑的问题。

地表水源温度常年变化不大，即水源热泵技术的冷源较稳定，运行起来比普通空调、谷冷机等制冷设备节省耗电量 60%～70%，因此在条件适宜的地区使用水源热泵低温储粮具有广阔的前景。