高温高湿地区平房仓横向分区谷冷技术应用研究

李倩倩，杨冬平，黄呈兵，石天玉，刘惠标

（1. 国家粮食和物资储备局科学研究院，北京 100037；2. 北京东方孚德技术发展中心，北京 100037；3. 福建省储备粮管理有限公司漳州直属库，福建 漳州 363000）

低温储粮作为我国粮食储藏的有效技术手段，可以减少粮食颗粒的呼吸作用，延缓品质劣变的速度，减少储粮害虫的活动并抑制其繁殖，减少熏蒸气体的用量，减缓粮食的脂肪酸值增加速度，防止粮粒发霉[1]。我国常用的低温储粮技术包括隔热保冷、谷物冷却、空调制冷和内循环等技术[2]。为了绿色生态储粮保鲜技术发展，实现我国低温储粮，谷冷通风工艺已成为必要储粮手段。谷物冷却技术是指采用谷冷机对空气进行冷却降温和调湿，并将恒温恒湿的空气吹入粮堆，对粮堆进行冷却降温的一项先进适用的控温和低温储藏技术[3]。

随着横向通风储粮技术开发应用，横向负压谷冷通风技术也被同步开发应用，环境适应性强，尤其在南方高温高湿地区，均可以对粮堆进行快速冷却通风降温，基本不受环境气候条件的影响，可实现粮堆长期保持在低温或准低温状态。

横向谷冷通风技术是在配置有横向通风系统的平房仓，采用分体式谷冷机的制冷机组与吸风系统分置在仓房两侧，分别连接仓房两侧对应的通风口，冷风通过横向通风管道被吸风系统吸入，横向穿过粮面覆膜下的粮堆进行热交换，达到降低粮温的目的[4]。横向谷物冷却技术可以减少能量损失，提高降温效率，降低储粮成本。

目前横向谷物冷却技术已在部分仓房应用，但是适用于大跨度平房仓粮堆横向制冷通风工艺研究薄弱和设备缺少。本文采用了新研制的专用横向谷冷设备，对高温高湿地区24 m大跨度平房仓的储藏稻谷进行了应用研究，采用分区域谷冷通风方式，探讨横向谷冷通风技术的应用效果，为我国低温储粮技术提供应用基础。

1 材料与方法

1.1 实验材料

实验粮种优质晚籼稻：安徽徐州。实验粮种基本信息见表1。

表1 实验粮种基本粮情表Table 1 Basic situation of experimental grains

1.2 实验仪器与设备

1.2.1 实验仓房

福建省储备粮管理有限公司漳州直属库的P3号仓，实验仓东西向，规格42 m*24 m，设计仓容4 600 t、堆粮线高6 m，实际散装稻谷3 400 t、粮堆高度5.82 m，仓房气密性93 s。安装有粮情检测系统和横向通风系统，仓墙为混砖结构，厚度0.49 m，粮面用PE五层共挤复合尼龙薄膜双槽管单面密封。

1.2.2 通风系统

采用横向通风系统，南北檐墙每侧布置主风道和14条呈梳形对称固定的支风道，通风系统示意图见图1。主风道规格2 200*580*420 mm，横截面为直角梯形，位于檐墙内壁底部。支风道规格1 000*400*260 mm，开有竖向条形孔，位于檐墙内壁。支风道底部距地面高5.7 m，距离山墙1 m，仓门中间的支风道间距3.2 m，其余支风道间距2.4 m，通风途径比1∶1.06。檐墙南北侧各设置有4个通风口，直径500 mm。

图1 横向通风系统示意图Fig. 1 Schematic diagram of transverse ventilation system

1.2.3 通风设备

2台GLA 55f分体式谷冷机，标准工况制冷量55 kW，标准工况风量3 500 m³/h，制冷系统功率20 kW，风机功率15 kW：北京东方孚德技术发展中心生产。

1.2.4 粮情检测系统

嘉华粮情检测系统，分4层，每层60个点，共 240个测点，检测精度为±0.2 ℃，参照 GB/T 26882.1—2011[5]、GBT29890—2013[6]布点，布点方式见图2。具体情况如下：分四层、六个垂直截面，布点表层距粮面0.5 m，下层距仓底0.3 m，层层之间1.67 m。粮堆水平截面四周的温度检测点距墙 1.0 m，其余各点等距离设置，每行间距4.40 m，每列间距4.44 m。

图2 谷冷机和粮情测温系统检测点布置示意图Fig. 2 Layout of detection points of grain cooler and grain condition temperature measurement system

1.3 实验方法

检测粮面和仓门气密性，记录仓外及粮堆温度粮情数据、风机电表读数，并进行通风前粮情分析。在粮仓东侧两通风口分别连接2台分体式谷冷机，对东侧粮堆进行通风。设置谷冷机出风湿度85%。间隔4 h采集粮情数据，3 h测试记录谷冷机进出风的温湿度等参数。当东侧区域粮堆的平均温度降到 15 ℃以下，冷却峰面已移出出风口，暂停冷却通风实验，记录电表读数。更换分体式谷冷机到仓房西侧两个通风口，重复上述步骤对西侧粮堆进行通风。通风前后分层取样，检测粮堆水分。

本次通风从2020年12月16日开始，期间检查粮面和仓门密封情况及环境温度过低等情况停机，其它时间保持通风，2020年12月23日结束通风。谷冷机出风温度：谷冷通风前40 h设置为14 ℃、谷冷通风41～51 h设置为11 ℃、谷冷通风52～85 h设置为10 ℃。总计通风时长85 h，总耗电量 3 068.5 kW·h。通风期间环境温度 13.3～23.7 ℃，相对湿度52.4%～95.5%。

1.4 数据分析

文章中数据采用Microsoft Excel软件进行统计和分析。

2 结果与分析

2.1 实验仓水平层及粮堆温度变化

通风前后整仓各水平层及粮堆温度如表2所示，通风期间整仓各水平层及粮堆温度变化情况如图3所示。本次谷冷通风，第一层温度平均降低4.5 ℃，第二层平均温度降低9.9 ℃，第三层温度平均降低10.2 ℃，第四层温度平均降低10.9 ℃，全仓平均温度降低 8.9 ℃。通风结束后水平截面之间的温度梯度差不大于 1.38 ℃/m，符合 LS/T 1202—2002[7]的规范要求。四层的粮温均随通风时间的增加而逐渐下降，1层粮温降温速度较慢，2、3、4层和整仓粮温降温速率变化基本一致。1层粮温高于其他3层粮温，原因是1层粮面离粮堆表层较近，粮面只用塑料薄膜覆盖，没有采用其他保温隔热措施，受环境气候影响较大。

表2 通风前后整仓各水平截面及粮堆温度Table 2 Temperature of each horizontal section and grain pile before and after ventilation ℃

图3 整仓各水平截面及粮堆温度变化图Fig. 3 Temperature variation of each horizontal section and grain pile in the whole warehouse

通风后东半仓和西半仓各水平层及粮堆温度如表3所示，通风期间东半仓各水平层及粮堆温度变化情况如图4所示，通风期间西半仓各水平层及粮堆温度变化情况如图5所示。本次谷冷是分区域进行通风，东半仓通风51 h后西半仓通风34 h。从表3、图4和图5分析可知，各层粮温及粮堆温度均随通风时间的延长而下降，通风前期51 h东半仓的降温速率0.000 104 ℃/(t·h)、西半仓的降温速率0.000 050 ℃/(t·h)，通风后期34 h东半仓的降温速率0.000 017 ℃/(t·h)、西半仓的降温速率0.000 059 ℃/(t·h)。通风前期东半仓粮温下降速率明显高于西半仓，通风后期东半仓粮温下降速率明显低于西半仓，这与谷冷机与仓房连接位置有直接关系。通风结束后，东半仓和西半仓的各水平截面和粮堆的温差不大于 0.5 ℃，粮堆平均温度在 15 ℃以内，说明东西半仓水平层粮温相对均匀，分区域谷冷通风已达到降温目的。

表3 通风后东半仓和西半仓各水平截面及粮堆温度Table 3 Temperature of each horizontal section and grain pile in East and West silos after ventilation ℃

图4 东半仓各水平截面及粮堆温度变化图Fig. 4 Temperature change of each horizontal section and grain pile in east half warehouse

图5 西半仓各水平截面及粮堆温度变化图Fig. 5 Temperature change of each horizontal section and grain pile in west half warehouse

2.2 实验仓垂直面粮温变化

通风前后整仓各垂直截面粮温如表4所示，通风期间整仓各垂直截面粮温变化情况如图6所示。本次谷冷通风，冷风从北侧的谷冷机端向南侧的风机端逐渐推进。从表4和图6分析，各垂直截面的粮温均随通风时间的增加而逐渐下降，冷锋面从北向南逐渐推移，降温效果：北1截面>北2截面>北3截面>南3截面>南2截面>南1截面。北1截面温度平均降低7.4 ℃，北2截面温度平均降低10.9 ℃，北3截面温度平均降低9.6 ℃，南3截面温度平均降低8.8℃，南2截面温度平均降低8.5 ℃，南1截面温度平均降低8.0 ℃。通风目标温度设定(15±3) ℃，当截面平均温度降到18 ℃时，通风时间：北 1截面 5 h、北 2截面18.3 h、北3截面30.5 h、南3截面45 h、南2截面60 h、南1截面74.5 h。设定冷锋面的降温效果是18 ℃，冷锋面的迁移距离L(m)与通风时间T(h)的拟合方程为：L = –0.000 5T2+ 0.355 6T–0.788 1 (R2= 0.999 7)。通风后各垂直截面之间的温度梯度差不大于 0.23 ℃/m，通风效果相对均匀。其中北1截面在通风38～42 h之间温度回升0.2 ℃，可能是受外界气温影响。

表4 通风前后整仓粮堆各垂直截面温度Table 4 Temperature of each vertical section of whole grain pile before and after ventilation ℃

图6 整仓粮堆各垂直截面及整仓平均温度变化图Fig. 6 Vertical sections and average temperature variation of the whole warehouse

通风后东半仓和西半仓各垂直截面粮温如表5所示，通风期间东半仓各垂直截面粮温变化情况如图7所示，通风期间西半仓各垂直截面粮温变化情况如图8所示。从表5、图7和图8分析可知，东半仓各垂直截面的降温速率高于西半仓各垂直截面的降温速率，冷锋面的推移方向均是由北向南推移。各垂直截面通风效果从北向南截面逐渐降低。通风结束后，东西半仓各截面温差≤1.3 ℃，东半仓各截面温度梯度差最高为0.20 ℃/m，西半仓各截面温度梯度差最高为0.26 ℃/m，通风均匀性较好。

表5 通风后东半仓和西半仓各垂直截面温度Table 5 Temperature of each vertical section of East and West silos after ventilation ℃

图7 东半仓各垂直截面温度变化图Fig. 7 Temperature variation of each vertical section in east half warehouse

图8 西半仓各垂直截面温度变化图Fig. 8 Temperature variation of each vertical section in west half warehouse

2.3 实验仓各监测点水分变化

水分取样布点按照距通风口处檐墙2 m及中间位置取点，每层取点9个；分上中下3层，上层距粮面0.5 m，中层距粮面2.9 m，下层距底层粮面0.5 m；每点混样测水。通风前后的粮食水分数据如表6所示。

表6 通风前后粮堆水分数据Table 6 Moisture data of grain pile before and after ventilation %

从表6分析可知，通风前粮堆平均水分是13.6%，通风后粮堆平均水分是13.5%，通风后通风失水率为 0.1%，通风单位水耗为 0.011%/℃，通风失水速率为 0.001%/h，郭辉[8]等竖向谷冷通风试验通风失水率不低于 0.16%，表明横向谷冷通风保水效果好。通风后整个粮堆水分的变异系数不大于2%，说明粮堆水分非常均匀。

2.4 能耗评价

本次横向谷冷通风总计通风时长85 h，总耗电量 3 068.5 kW·h。根据 GB/T 29374—2012[9]规程公式，本次谷冷通风的单位能耗为0.1 kw·h/(t·℃)，低于于素平[10]、杨冬平[11]、陈昌勇[12]等横向整仓谷冷通风试验结果，仅为规程中限定的最大能耗指标0.5 kw·h/(t·℃)的20%。通过对稻谷平房仓竖向谷冷通风研究，郭辉[8]等试验结果表明谷冷通风能耗不低于 0.172 kw·h/(t·℃)，周又杰[13]等试验结果表明谷冷通风能耗不低于0.143 kw·h/(t·℃)，朱清峰[14]等试验结果表明谷冷通风能耗不低于1.790 kw·h/(t·℃)。通过以上对比，说明横向谷冷通风能耗低，新研制的横向通风专用谷冷设备的应用效果理想。

3 结论与讨论

通过本次横向谷冷通风，粮堆均温由23.6 ℃下降到14.7 ℃，下降幅度8.9 ℃，冷风推进方向粮堆之间的温度梯度差不大于0.23 ℃/m，通风失水率 0.1%，单位能耗为 0.1 kw·h/(t·℃)，仅为规程中限定的最大能耗指标0.5 kw·h/(t·℃)的20%，说明横向谷冷通风具有降温速率快、通风均匀性好、保水效果显著和能耗低等特点，分区域横向谷冷通风工艺应用于 24 m跨度稻谷高大平房仓是可行的。

横向谷冷通风是在负压状态下进行，通风作业前应仔细检查风道、粮面和仓门密封情况，保证仓房的气密性。通风期间粮面表层粮温较高，建议通风初期粮面应采用保温隔热毯压盖或开启空调等措施。提高仓房的气密性和保温隔热效果，可更好的保证降温效果、降低储粮成本，使横向谷冷通风技术在绿色生态储粮发挥更大作用。