南亞熱帶地區稻谷立筒倉智能化降溫通風試驗

韓志強 林 乾 陳 亮 李興軍 吳子丹，3 何東升 王麗娜 吳曉明

(廣州嶺南穗糧谷物股份有限公司1，廣州 510800)(國家糧食局科學研究院2，北京 100037)(吉林大學生物與農業工程學院3，長春 130024)(天津市明倫電子科技有限公司4，天津 300384)

鋼筋混凝土立筒倉占地少，便于實現機械化和自動化操作，工作效率高，節省勞動力及減輕勞動強度；同時具備良好的密閉、防蟲鼠及防火性能。但立筒倉因糧堆厚，自動分級明顯，糧堆組成成分不均勻，糧層阻力大[1-3]。特別在南方沿海亞熱帶地區，冬季低溫時期較短，可通風時機不多，如何及時把握低溫時機進行降溫通風是我國糧食智能化機械通風研究的重要內容之一。

廣州市糧食集團下屬企業廣州嶺南穗糧谷物股份有限公司地處珠江出海口西岸，瀕臨南海，北回歸線以南，屬南亞熱帶海洋性季風氣候，12月下旬至次年2月上旬平均氣溫10 ℃，最低溫度6～7 ℃。如何利用這種自然的低溫空氣降低稻谷立筒倉糧溫，本研究采用國家糧食局科學研究院近年研發的我國稻谷平衡水分數據[4]及擬合方程[5]，以及與天津市明倫電子技術有限公司合作研發的智能化機械通風系統，試驗南亞熱帶地區稻谷立筒倉智能化降溫通風，以期對我國糧庫智能化建設有促進作用。

1 材料與方法

1.1 倉房條件及通風方法

廣州嶺南穗糧谷物股份有限公司6棟稻谷立筒倉2013年新建，內直徑10 m，高22.3 m (其中下錐體高5.1 m，圓柱體高17.2 m)，墻體厚度20 cm，每倉倉容650 t，每倉內體積1483.65 m3。沿錐斗放射狀布置臥式風道，單倉四條風道，地上籠開孔率30%。試驗倉房及稻谷糧情如表1所示，裝糧高度11 m。

表1 實驗稻谷立筒倉基本情況

將離心風機安裝在試驗倉房底部通風口上，采用正壓壓入式通風。打開天窗，啟動風機后外界的冷空氣由通風口進入，由下而上經過糧層，再由天窗排出倉外。智能化通風立筒倉選取501號和301號，使用的離心風機功率型號YX-90L-2 (2.2 kW)、YX-132S1-2 (5.5 kW)，它們的風管直徑各是320 mm和400 mm； 進風口風壓465和1520 Pa； 風量3 040和5 881 m3·h-1；風速10.5 m·s-1和13 m·s-1。對照倉302號的離心風機功率型號是4-72-5A (15 kW)。風機2.2、5.5 kW及15 kW的轉速各是2 840、2 900、2 900 r/min。

智能化通風系統由糧堆平衡絕對濕度曲線圖及露點查定軟件、糧情檢測系統、風機控制系統組成，采用了數字溫度傳感器、計算機網絡技術、糧情檢測技術及儲糧通風控制技術[6]。在通風過程中，系統實時跟蹤糧堆與大氣溫濕度變化，依據“儲糧通風窗口模型”判斷分析(圖1)，控制通風作業的開啟與關閉。該糧庫地處南亞熱帶，按機械通風儲糧技術規程(LS/T 1202—2002)規定，允許降溫通風的條件：糧堆溫度(tg)-大氣溫度(ta)≥3 ℃，糧堆平衡絕對濕度(EAHg)≤大氣平衡絕對濕度(AHa)，風機就被啟動。如圖1所示，根據稻谷糧食狀態點A(★)、吸附濕度線和RH=100%飽和濕度線確定降溫通風窗口區域，大氣狀態點(◆)可在BCDFG窗口區域移動。糧堆平衡絕對濕度，即糧堆濕含量，單位是g·m-3或者毫米汞柱[8]。

圖1 通風窗口區

1.2 測定指標及方法

1.2.1 糧堆溫度

智能化糧情檢測系統檢測大氣溫度和相對濕度、倉溫倉濕，還有糧堆各點的溫度。在智能化通風倉房501號和301號倉中，沿著糧堆中心和距離中心3 m布置2組測溫電纜，縱深每隔1 m為一層，11層共計21個點的糧堆溫度。對照302號倉沿著糧堆中心和距離中心3 m共布置3組測溫電纜，縱深每隔1 m為一層，11層共計31個點的糧堆溫度。

1.2.2 單位通風效率計算

1.2.3 糧堆水分及稻谷出米率、加工品質

在智能化降溫通風之前，單倉糧堆扦樣是在糧面取5個點，每個點縱深每隔1 m取一樣，共計50個樣品。智能化降溫通風結束后，單倉沿著糧面中心縱深每隔1 m取一樣，共10個樣品。樣品含水率采用國標GB 5497—1985和LDS-1G 谷物水分測定儀測定。出米率測定采用LTJM—2008精米機。稻谷加工品質測定采用JMWT12大米外觀品質檢測儀。

1.3 數據處理

采用隨機區組試驗設計，同一數據三個平行測定，數據以平均值±標準差表示。LSD檢驗中同一列不相同小寫字母表示樣品之間差異顯著(P<0.05)。

2 結果分析

2.1 稻谷立筒倉智能化降溫通風期間糧堆溫度變化

圖2 智能化降溫通風期間大氣溫濕度和試驗倉倉濕的變化

圖2顯示了智能化機械通風期間大氣溫濕度和倉濕的變化。本次試驗期間(1月11日～2月7日)，智能化糧情巡檢系統記錄的大氣溫度和相對濕度(RH)及智能化通風倉501號和301號的倉濕大多數在夜間。1月14日～1月26日期間，大氣夜間溫度在18 ℃左右變動，1月26日之后，大氣溫度低于15 ℃。1月11日～2月7日期間301號倉的RH始終低于60%，而501號倉的RH在1月28日～2月6日期間高于60%。這可能是由于301倉采用5.5 kW的離心風機，與501號倉2.2 kW的離心風機比較，容易將糧面濕空氣吹走。

圖3是501號倉降溫通風期間糧堆溫度的變化。稻谷501號立筒倉采用2.2 kW的離心風機智能化通風，在1月23日～2月7日期間降低糧堆均溫。且1月16日～2月7日期間糧堆最高與最低溫度之差平均4.1 ℃。此通風系統抓住了降溫通風時機，快速地將糧堆均溫降到12.4 ℃，且整個糧堆溫度差小而濕熱分布均勻。盡管1月19日～2月1日夜間大氣相對濕度高于70%，但是采用小功率的離心風機通風，糧堆平均水分保持不變，且從糧堆底部到糧面，相鄰兩層之間的水分之差為0.12%～0.70%。

通風結束時(2月7)，501號倉的頂層(1 m)、中間層(5 m)、底層(10 m)的平均溫度分別是12.3、13.4 ℃及10.6 ℃，底層與頂層溫度之差顯著低于我國糧食機械通風技術規程行業標準(LS/T 1202—2002)規定的淺圓倉10 ℃。這表明糧堆濕熱分布均勻，無水分遷移現象發生，與糧堆扦樣水分檢測的結果是一致的。

圖3 智能化降溫通風期間501號倉(2.2 kW風機)糧堆溫度變化

圖4是301倉降溫通風期間糧堆溫度的變化。采用5.5 kW的離心風機智能化降溫通風，在1月22日～2月2日期間降低糧堆均溫。且1月16日～2月2日期間糧堆最高與最低溫度之差平均3.2 ℃。此智能化通風控制系統抓住了降溫通風時機，快速地將糧堆溫度降到13.8 ℃，且整個糧堆溫度差小而濕熱分布均勻。1月19日～2月1日夜間大氣相對濕度高于70%，糧堆平均水分不顯著地增加了0.2%，且從糧堆底部到糧面，相鄰兩層之間的水分之差為0.04%～0.88%。通風結束時(2月2)，301倉的頂層(1 m)、中間層(5 m)、底層(10 m)的平均溫度分別是13.0、15.1 ℃及11.5 ℃。

圖4 智能化降溫通風期間301倉(5.5 kW風機)糧堆溫度變化

圖5是試驗對照倉302降溫通風期間糧堆溫度的變化。采用15 kW的離心風機12月初、1月下旬各降溫通風一次，每次風機運轉20 h，2月5日糧堆最高、最低及平均溫度各是20.2 ℃、15.6 ℃及18.0 ℃；糧堆頂層(1 m)、中間層(5 m)、底層(10 m)的平均溫度分別是16.8 ℃、18.9 ℃及18.0 ℃。

圖6是501號倉和301號倉降溫通風期間糧堆平均溫度與大氣溫度的比較。從1月16日至2月7日之間，大氣溫度由21.8 ℃降到12 ℃，采用5.5 kW離心風機的301號倉糧堆降溫速率快于采用2.2 kW離心風機的501號倉。表2和表3是兩個智能化降溫通風試驗倉風機運轉時數。采用智能化通風控制系統，301號倉糧堆平均溫度由19.2 ℃降到13.8 ℃，風機運轉了72.9 h；501號倉糧堆平均溫度由20.9 ℃降到12.4 ℃，風機運轉了148.6 h。

圖5 冬季降溫通風期間對照倉(302號)糧堆溫度變化

圖6 智能化降溫通風期間兩個倉糧堆平均溫度與氣溫變化

表2 稻谷立筒倉301號5.5 kW離心風機運行時間

表3 稻谷立筒倉501號2.2 kW離心風機運行時間

2.2 稻谷立筒倉智能化降溫通風效果

2.2.1 降溫通風能耗

從表4看出，裝糧高度11 m的稻谷立筒倉(約650 t)，分別采用5.5 kW和2.2 kW的離心風機上行式智能化降溫通風，風機運轉主要在夜間，在同樣大氣溫度和相對濕度條件下，當糧堆與大氣溫差較小時，5.5 kW離心風機較2.2 kW的離心風機對糧堆降溫快。當大氣溫度越低，糧堆與大氣溫差較大時，且通風窗口期足夠長的情況下，不同功率離心風機對立筒倉稻谷柱形糧堆的降溫速率是一樣的。采用5.5 kW和2.2 kW離心風機的單位能耗，分別是0.087和0.047 kWh t-1℃-1。尤其是采用2.2 kW離心風機的單位能耗遠遠低于對照倉房302單位能耗0.351 kWh t-1℃-1，有效地利用了南亞熱帶地區夜間低溫空氣和低價格的電能。

表4 稻谷立筒倉智能化降溫通風效果

2.2.2 糧堆水分變化

智能化降溫機械通風前后，稻谷501立筒倉糧堆平均含水率保持不變，且各層水分分布均勻(表5)。而稻谷301立筒倉糧堆平均含水率不顯著地增加了0.2%，各層水分也分布均勻(表6)。對照倉房302號立筒倉糧堆平均水分減少了0.06%，各層水分分布均勻(表7)。

表5 稻谷501號立筒倉智能化降溫通風前后糧堆含水率

注：采用“十”字形扦樣，1A是糧面中心點，2A、3A、4A及5A各距離中心點4.5 m。以下同。

表6 稻谷301號立筒倉智能化降溫通風前后糧堆含水率

表7 稻谷302號立筒倉1月和2月糧堆含水率/%

2.2.3 稻谷加工品質

進一步分析稻谷加工品質，如表8～表9，與對照倉房302立筒倉內稻谷比較，智能化降溫通風倉301、501內稻谷出米率均呈現增加趨勢，增加不顯著。籽粒長寬比增加，不完善率、黃粒米率、堊白度呈現減少趨勢。

表8 稻谷立筒倉智能化降溫通風前后

3 討論與結論

到20世紀 60 年代中期，在濕熱氣候如澳大利亞、巴西、印度、以色列也試驗降溫通風技術，充分利用亞熱帶地區冬季和夜間的陰涼，冬季冷卻的糧堆能夠保持低溫幾個月，延續到次年夏季[7-9]。降溫通風技術在亞熱帶一些國家已經成為常規儲糧技術[7]。我國許多學者認為南方沿海高溫高濕地區無雪無霜，如何在有限的低溫期快速降低糧溫，確保立筒倉儲糧安全過冬是一難題。謝維治等[2]在2009年11月5～22日期間對珠海庫中3棟1 000 t玉米立筒倉采用3 kW的離心風機進行人工控制的吸出式降溫通風，降低溫度3.5～5.2 ℃，單位能耗是0.123～0.254 kW h t-1℃-1。本研究在2018年1月16日～2月7日期間對廣州南沙區2棟650 t稻谷立筒倉采用2.2～5.5 kW的離心風機進行智能化的壓入式降溫通風，降低溫度5.6～8.5 ℃，單位能耗是0.047～0.087 kWh t-1℃-1，與當地人工控制的吸出式降溫通風單位能耗(0.127 kWh t-1℃-1)比較，顯著節約電能54%～75%。基于稻谷CAE方程和降溫通風窗口模型的智能化通風系統，可充分利用廣州地區冬季(約2個月)最低溫度(6～7 ℃)，把糧堆冷卻下來。

稻谷冬季降溫通風是糧堆放熱過程，本研究中智能化通風風機共計運轉72.9 h或148.6 h，經歷了20多天或1個月，每天循環發生糧堆放熱-靜止平衡這一過程，與大功率風機比較糧堆放熱過程不劇烈，對籽粒脅迫作用小，籽粒品質指標變化小。

本研究的結論是，與15 kW離心風機比較，在廣州南沙區稻谷立筒倉，冬季智能化降溫通風采用2.2 kW和5.5 kW的離心風機顯著節省了耗電，充分利用了夜間低電價。在同樣大氣溫度和相對濕度條件下，當糧堆與大氣溫差較小時，5.5 kW的風機降低稻谷柱形糧堆的溫度快于2.2 kW的風機。但是大氣溫度越低，糧堆與大氣溫差較大時，且通風窗口期足夠長的情況下，不同功率離心風機對立筒倉稻谷柱形糧堆的降溫速率是一樣的，從節約能耗的角度考慮盡可能選擇小功率風機。

表9 稻谷立筒倉智能化降溫通風前后加工品質變化

注：同一列相同小寫字母表示通風前后樣品差異不顯著。劃線表示測試指標有改善的趨勢或改善顯著。