谷物空调的设计与运维优化探究

温素珍，袁 杰，金阿龙，麻林海，周德强，金贤松，刘斌斌

（浙江青风环境股份有限公司，浙江 丽水 323000）

根据国家统计局公布数据显示，2021年全国粮食总产量6 828.5万吨，比上年增加133.5万吨，增长2.0%，全年粮食产量再创新高，连续7年保持在6 500万吨以上。其中，秋粮产量5 089万吨，比上年增加95.5万吨，增长1.9%。近年来我国粮食产量较高，整体呈现供大于需的形势，且在国家战略中历年均有粮油收购计划，由此出现了大量储粮需求。随着社会生活水平的提升，人们在饮食观念上提出了更高的要求，为了提高储粮的安全性和营养性，对于储存技术的要求也相应提高。谷物空调的产生，对于控制储粮温度、水分和空气环境等方面功能显著，可以进行技术调整以满足对不同害虫和霉菌抑制等需求。

1 谷物空调的设计需求分析

1.1 成本需求

在节能环保理念下，谷物空调的设计应重视控制以下成本：（1）生产成本。空调设计最终应转化为实物并进行大面积的使用推广，生产成本越高则储备粮食的基础建设成本相应增高，不利于和谐理念的贯彻落实。因此，设计时需要选择环保型的、低廉型的材料，并且材料应当满足环保节能和适宜批量化生产的条件。（2）运维成本。谷物空调在使用过程中，应尽量避免特殊化的运维策略和技术，降低运维难度和人工消耗，空调的运行应参照国家和行业节能指标，降低能源消耗，由此减少后期成本支出。

1.2 功能需求

谷物空调是储粮的关键设备，空调的功能须与被储藏粮食的质量特性相匹配，即能够高效保障粮食的基本温度，降低或消除季节性温湿差对粮堆的影响，主要表现为：（1）对粮堆生态的控制。强化谷物空调的温度、水分和气体等控制功能，将粮堆温度控制在保险温度内，抑制酶促反应，抑制粮食呼吸，保持粮堆干燥，延缓粮堆品质变质周期。通过精准的温度控制，抑制害虫、微生物生长，同时加强通风功能，降低粮堆内部温湿度。（2）粮食品质需求。谷物存放需要保证其基本质量，除生态条件控制外，遵循谷物的生长条件，抑制有害物质或不良质量变化，其中，发芽率是衡量谷物质量的关键性指标。依据生长条件，谷物常温状态中每年12月至次年3月发芽变化基本不见，但谷物内部活力依旧健在，3月至8月份为发芽活跃期，谷物种子发芽与环境温度之间的关系明显，如何能将谷物温度恒定保持在安全温度就是谷物空调设计的要点。（3）粮仓配置需求。现有谷物粮仓的设计和建设虽然具备较高的水平，但受粮仓建造技术、施工细节、材料科技和建设地环境等因素的影响，粮仓的综合功能有所欠缺，如自然通风条件不理想、粮仓所处环境昼夜温差过大以及粮仓规格较大内部温湿度不易控制等。谷物空调的设计应充分考虑应用粮仓的具体情况，实现技术互补[1]。

1.3 环保需求

为进一步贯彻可持续发展和生态发展理念，谷物空调设计必须考虑环保工艺，其中制冷剂的选择尤为关键，应考虑减少直接有害物质的排放，也要考虑制作制冷剂原材料生产中有害物质的排放，也包含自然环境热量交换技术、自动控制变频技术以及智能识别与自检技术等的运用。从多个方面提升空调运行和控制系统的效率与稳定性，保证空调基本功能优化效果。

2 谷物空调的设计优化与实现途径

2.1 设计依据

对储藏谷物的基本特性进行调研，结合调查档案资料对比现有谷物空调或同类储藏设备的特点，对设计方案进行优化。例如稻谷在相同水分条件中，温度与脂肪酸值上升速度成反比，脂肪酸数值升高或降低稻谷品质，若水分比例14.5%，储藏时间90 d，脂肪酸最终值储藏温度40℃比储藏温度5℃高了数倍；谷物中的害虫，如谷象虫、面象虫以及螨类害虫，其生长、繁殖和生存条件也与温度直接相关，大部分储粮害虫所能承受的低温限度为17℃，一旦温度在17℃以下则害虫可能出现生育受阻、冷麻痹等状态。其中螨类害虫在5℃以上还能进行繁殖，但长期在5℃以下则无法生存，由此可以通过空调的冷控效果实现对害虫的控制。常见谷物仓储害虫生长与温度关系如图1所示。

图1 常见谷物仓储害虫生长与温度关系

此外，常见的空调故障问题也应作为谷物空调的参考依据，以提高空调运行的效率降低运维成本。如空调长时间运行，散热效果不足，通信系统中断，甚至引发集控中心故障。空调排水系统设计不合理，管路过长、中转点较多、坡度过小将导致排水不畅。另外，空调机房积水、元件受潮故障等，需要在设计环境综合考虑和优化。

2.2 设计优化

2.2.1 基础设计

基础设计旨在增强谷物空调的基础出行和运行稳定性，参照常见空调故障和质量问题进行针对性设计：（1）防腐蚀设计。如一般空调采取的铜质蒸发器，在磷化氢类熏蒸气体的作用下容易受到腐蚀，考虑使用铝质材料制作蒸发器，并对相应部件浸涂防腐蚀保护剂；（2）防尘设计。对空调蒸发器翅片进行优化，增加翅片间距，可有效防止大功率和超时长运行下，灰尘堆积阻塞问题，同时考虑使用大功率风机送风，防止自然送风情况下的灰尘堵塞问题；（3）加大空调送风功率。通过扩大送风量增加空调的工作效果，确保空调能满足大规模仓库的储粮需求[2]。

2.2.2 参数控制

根据国家相关质量标准适用标准计算公式，对空调及其运行环境内的相关参数进行计算，计算结果作为空调设计的依据，关键公式如下：

（1）储藏仓围护结构传热系数（K）

式中：αw为围护结构的外表换热系数，αn为围护结构的内表换热系数，δi为围护结构材料厚度，λi为围护结构材料导热系数，i为围护结构的层数。

（2）风量计算（φ）

式中：S1为风量系数，取值1.16；ρ为风机电动机的功率；Qd为日最大冷负荷；cp为空气比热容，取值1.005，ΔT为仓内与仓外的温度差。

（3）负荷计算（Q）

a.启动冷负荷（Q）式中：ε为计算系数，取值1.2±0.1；Q1为围护结构与环境热交互形成的冷负荷；Q2为粮食降温冷负荷；Q3为粮食呼吸冷负荷；Q4为粮仓内空气温度降低的冷负荷；K为围护结构材料的热导系数；w为粮仓外面积；（T1-T2）为粮仓内外温度差；（T3-T4）为空气初始温度与预期温度差；G为粮食质量；C1为粮食比热容；q取值0.37 W/t；C2为空气比热容；M为粮仓内空气质量。

b.日常冷负荷（Q常）

日常冷负荷为粮仓空调长期正常运行下的冷负荷值，可忽略其他因素进行计算，参见式1。

2.2.3 技术优化

谷物空调设计参考当前业内先进主流技术，或在设计中进行改良优化，或在粮仓设计和建设中进行技术互补，以提高储粮效果。（1）自然通风降温技术。包括负压式通风系统等，利用温差促进空气流动，依靠自然空气的流通实现粮仓内部与外部温度交换，尤其是在低温干燥的季节效果显著，该技术的应用可以降低谷物空调运转压力。（2）机械通风降温技术。其一，与自然通风降温技术的原理相近，只是改由风机系统设备保障粮仓高效率通风；其二，冷却机补冷，由冷却机或冷却机组制冷，将冷风输送进粮仓中，达到通风降温的目的；其三，空调制冷，由谷物空调直接补冷。（3）其他降温技术。包括屋面喷淋降温技术、屋面反光隔热技术和压盖密封隔热技术等。

2.3 实物展示

传统民用空调的送风风程设计一般为5~12 m，这样的风程设计能够满足民用住宅及楼宇厅堂的使用要求，但是不能满足在粮仓的使用要求，因近年来随着建筑技术的不断提高粮仓的建设跨度也越来越大，目前我国粮仓的建筑跨度在24~30 m之间，5~12 m的设计风程显然不能够满足使用要求。谷物空调机组设计风程能够到达30 m左右，这样的风程设计可以把所有空调机组安装在粮仓的背阴面，经过测算空调机组安装在背阴面相对于日光暴晒的运行环境，能够节能10%左右，所以大风量送风设计在节能高效运行的同时又能够保证仓内温度均衡。目前，市场上粮库空间降温采用传统家用空调，存在冷凝水隐患，以及消毒防护需求；而青风粮库空调一体机，专用设计，无冷凝水隐患，运行能效比高，还可在夜间室外温度低时自动通风，降低能耗[3]，设计特点如图2所示。

图2 整仓降温设备——谷物空调设计基本特点

产品设计依据包括：GB/T 17758—2010《单元式空气调节机》、GB/T 18836—2017《风管送风式空调(热泵)机组》、GB/T 24855—2010《粮油机械 装配通用技术条件》、GB/T 24857—2010《粮油机械 板件、板型钢构件通用技术条件》、GB/T 25218—2010《粮油机械 产品涂装通用技术条件》、GB/T 29890—2013《粮油储藏技术规范》、LS 1207—2005《粮食仓库机电设备安装技术规程》、JB 8655—1997《单元式空气调节机 安全要求》以及JB/T 9066—1999《柜式风机盘管机组》。

产品主要性能：制冷系统各部分不应有制冷剂泄漏；各种阀门动作灵敏、可靠，保证空调设备正常工作；实测名义工况制冷量大于名义制冷量的95%；实测名义工况制冷消耗功率小于名义制冷消耗功率的110%；当空调机出口温度设定7～18℃时，控制精度：平均±0.3℃，最高±1℃；相对湿度设定在65%～90%时，控制精度：平均±30%，最高±6%；室内机具有排除凝结水的能力，没有水从空调机终端溢出或吹出；空调机的噪声小于85 dBA；制冷性能系数≥名义制冷性能系数的95%；蒸发器采用能减小或者避免粉尘对设备影响的制造工艺和材料进行加工，内机蒸发器采取措施防止粉尘附着；空调机采用能减少或降低滤网孔堵塞的工艺或材料加工；空调机性能在粮仓正常熏蒸后继续满足基本性能要求；空调机有方便操作的控制系统，宜安装远程控制模块。

产品防熏蒸、大风量送风，可针对粮仓的粮温，变风量送风送冷，实现了温湿度可调，从而为粮食品质提供了保证。

3 谷物空调的运维优化建议

3.1 工作环境优化

对谷物空调的运行工作环境进行优化，一方面需要提高空调控制系统的可靠性，空调中加装智能化和自动化控制系统，在既有空调自动控制技术的基础上，融入智能控制的相关技术，实现空调设备双机智能切换，两台设备或两套空调系统交替工作，并且能够实现自动切换、自动停启等，优化空调系统；另一方面，融入环境监测与报警系统，根据空调工作环境和工作参数设置警报标准，对出现空调温度过高、双机交互异常导致环境温度过低、内机漏水、通风异常、运行故障和系统通信不畅等进行实时警报，在大规模粮仓中设集控后台，利用智能系统为警报事项提供决策和远程控制。此外，需要优化空调设备的综合环境，如粮仓保温系统的建设与日常检查、空调外机的防护和检修等。

3.2 运维工作优化

建立谷物空调运维管理制度，开展定期巡查工作，制作检查笔录，并由相关人员签字负责，依据空调设计参数制定检查关键项目，具体包括：（1）对空调的元器件进行清理，去除表面灰尘；（2）对通风散热通道进行检查，清除积累的污垢和灰尘；（3）检查各个接口、插头，确保各个元器件、构件的稳定牢固，电路接触无异常；（4）检查各类阀门、启停器、控制器和开关的工作状态，查看是否受潮、失灵；（5）检查变压器的输出电压是否与需求电压一致，是否处于安全值域内；（6）检查风扇、风机和皮带等运动件的磨损状态，是否存在不良运作；（7）检查空调排水系统，排水管孔是否存在堵塞、变形和破损等问题，并定期对其进行清洗。对于发现的问题要及时进行处理。

4 结束语

低温技术的运用为粮食存储带来了保障，大量的实践和研究工作证明，谷物空调作为专用的储粮设备，在储粮工作中发挥重要作用，因此对谷物空调的设计至关重要。从现有理论经验看，谷物空调的设计应当参考储藏物的基本特点，在反复研究和试验下优化设计方案，保障谷物空调的节能、环保、实用功能，减少后期运维压力。