馬鈴薯太陽能風(fēng)補發(fā)電控溫土窖的設(shè)計及效果分析

王 潔，李喜宏，賈曉昱

（1.天津科技大學(xué)食品工程與生物技術(shù)學(xué)院，天津 300457；2.天津捷盛東輝保鮮科技有限公司，天津 300399）

馬鈴薯又稱地蛋、土豆、洋山芋等，是茄科植物的塊莖，具有很高的食用價值和保健功能。鮮薯中約含有9%～20%的淀粉、1.5%～2.3%的蛋白質(zhì)、0.1%～1.1%的脂肪和0.6%～0.8%的粗纖維。中國是世界馬鈴薯產(chǎn)量最高的國家，年產(chǎn)近7 500 萬t。目前多數(shù)農(nóng)戶特別是經(jīng)濟欠發(fā)達的山區(qū)，主要用自家的土窖來貯藏馬鈴薯。傳統(tǒng)馬鈴薯土窖由于設(shè)施過于簡陋，通風(fēng)不暢，貯存溫度難以控制，采后預(yù)處理配套技術(shù)不足，貯存后期馬鈴薯損耗高達50%，造成農(nóng)民增產(chǎn)不增收，影響正常市場供應(yīng)。因此，馬鈴薯窖藏保鮮設(shè)施亟待升級。

隨著農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)型、節(jié)能減排策略的實施以及居民綠色建筑意識的加強，普通農(nóng)業(yè)設(shè)施向高效、節(jié)能、環(huán)保低碳的綠色建筑轉(zhuǎn)型已成必然趨勢。針對傳統(tǒng)馬鈴薯土窖秋季降溫慢馬鈴薯難以及時入貯、冬季保溫差凍害普遍和春季溫度回升快馬鈴薯易發(fā)芽腐爛等3 大產(chǎn)業(yè)難題，本課題組響應(yīng)國家“十二五”規(guī)劃綱要提出的節(jié)能環(huán)保減排號召，率先開展國內(nèi)土窖體形系數(shù)、通風(fēng)體系、熱工性能、土壤冷源高效蓄冷取冷技術(shù)等研究，配套太陽能風(fēng)補發(fā)電蓄電、控制軸流風(fēng)機強制通風(fēng)等，開發(fā)適合農(nóng)村使用的低成本的特色馬鈴薯微型節(jié)能改良土窖，提高了馬鈴薯貯藏保鮮效果。本文主要介紹馬鈴薯太陽能風(fēng)補發(fā)電控溫土窖的設(shè)計方案，并對其效果進行分析。

1 馬鈴薯庫房的設(shè)計

1.1 庫房設(shè)計的性能要求

在對傳統(tǒng)土窖、冷庫等薯類貯藏設(shè)施[1]調(diào)研的基礎(chǔ)上，以節(jié)能、高效、方便、實用為原則，對窖體構(gòu)造、保溫結(jié)構(gòu)、通風(fēng)換氣、太陽能風(fēng)輔發(fā)電控溫系統(tǒng)等進行創(chuàng)新性優(yōu)化設(shè)計，確定的設(shè)計目標為：土窖馬鈴薯貯藏量5～6 t，可周年使用，耗電量為零，造價低于標準冷庫50%、運行費用減少90%。

馬鈴薯不耐低溫貯藏，它的貯藏條件為：溫度3～5 ℃，相對濕度 80%～85%[2]，避光貯藏。該庫要求溫度控制范圍-1～5 ℃，精度0.1 ℃，相對濕度變化范圍45%～98%，精度3%。馬鈴薯貯藏設(shè)施的保溫要求參照國家標準GB 50072—2001《冷庫設(shè)計規(guī)范》中的庫體保溫指標，并參考了王日葵等[3]和李喜宏等[4]研究成果進行設(shè)計。

以窖容為32 m3的貯藏間為例，建筑參考規(guī)格為：長4.5 m、寬2.7 m、高2.7 m。采用半地下式，庫內(nèi)地面低于地面1.6 m，南北走向。建筑平面圖、剖面圖如圖 1、2 所示。

1.2 隔熱材料的選用與維護結(jié)構(gòu)的熱工指標

隔熱材料選材本著因地制宜、經(jīng)濟適用[4-6]的原則。維護結(jié)構(gòu)為240 mm 厚磚混水泥，內(nèi)貼爐渣隔熱。外墻涂淺藍色，減少太陽輻射。庫頂以鋼管做頂梁，依次鋪蓋木板、磚混水泥、保溫棉、塑料膜等保溫防潮材料，頂棚保溫層厚度為200 mm，呈一定坡度以利排水。窖底為毛砂水泥地面，素土鋪實。保溫門用苯板制成，與防鼠門之間掛一個棉門簾，以減少外界空氣對庫溫的侵擾。

1.3 通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計

馬鈴薯屬氧呼吸活性蔬菜，貯藏期需足夠通風(fēng)換氣[7]。通風(fēng)系統(tǒng)由地下風(fēng)道、屋頂排氣筒、強制送風(fēng)機、對流窗口、保溫門和勻風(fēng)空間等組成。安裝軸流風(fēng)機進行強制通風(fēng)，風(fēng)量500～700 m3/h。南北墻各設(shè)置兩個對流窗口，風(fēng)口面積均為20 mm×20 mm。通風(fēng)窗設(shè)置活動通風(fēng)管，可靈活調(diào)節(jié)通風(fēng)高度與風(fēng)量；周圍包保溫材料，防止結(jié)霜阻礙空氣流通。設(shè)置南北方向地下通風(fēng)道，可通向庫外。窖頂排氣筒高出頂部1.5～2 m,風(fēng)口面積均為80 mm×80 mm。

1.4 太陽能風(fēng)補發(fā)電控溫系統(tǒng)

作為新能源的太陽能和風(fēng)能儲量豐富，安全干凈，太陽能光伏發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電在我國已成快速發(fā)展的趨勢[8]。本土窖太陽能風(fēng)補發(fā)電系統(tǒng)由光伏電池陣列、小型風(fēng)力發(fā)電機組、系統(tǒng)控制器、蓄電池組和逆變器（表1）等幾部分組成。根據(jù)貯藏環(huán)境條件需要，通過控制風(fēng)機開關(guān)來調(diào)節(jié)溫濕度。

表1 太陽能電池組件的技術(shù)參數(shù)Table 1 The technical parameters of solar energy battery components

2 馬鈴薯土窖庫內(nèi)的貯藏管理

貯存前土窖用硫磺熏蒸消毒，清掃干凈，保持低溫。收獲的薯塊散熱形成愈傷組織后，選取大小一致無傷病的馬鈴薯裝筐進行試驗，采用α-萘乙酸甲酯對馬鈴薯進行抑芽處理。裝筐碼放成高0.4 m、寬1.5 m 的立垛。薯堆中設(shè)通風(fēng)管道，以便散熱。為了維持馬鈴薯的貯存濕度條件，秋冬季干燥時，可以在窖內(nèi)地面灑水降溫加濕。以改良窖內(nèi)貯藏為處理Ⅰ，傳統(tǒng)窖內(nèi)貯藏為處理Ⅱ（CK 處理），測試馬鈴薯的貯藏指標[9]。

3 效果分析

3.1 保溫效果

華北、西北、東北等地區(qū)冬季低溫在-10 ℃以下，此時貯藏馬鈴薯的主要問題是庫體保溫差，窖內(nèi)結(jié)霜，產(chǎn)生凍害[10]。本土窖隔熱層參數(shù)如表2，總熱阻大于 2.84 m2·℃/W，符合 ZBJ73043—90 中的規(guī)定。實際觀測效果表明，該馬鈴薯土窖庫保溫與結(jié)構(gòu)設(shè)計科學(xué)，冬季窖內(nèi)不會結(jié)霜，窖溫可以穩(wěn)定控制在3～5 ℃之間。

表2 維護結(jié)構(gòu)保溫設(shè)計與熱工指標Table 2 Maintenance structure insulation design and thermal index

3.2 降溫速度

該馬鈴薯土窖庫在傳統(tǒng)土窖基礎(chǔ)上優(yōu)化設(shè)計，采用強制通風(fēng)，充分利用自然冷源，降溫速度明顯快于傳統(tǒng)土窖。9 月中旬氣溫連續(xù)下降的兩個晚上的通風(fēng)降溫實測結(jié)果見圖3 和圖4。第1 天晚上7 h 內(nèi)，庫外氣溫由18.5 ℃降到17.5 ℃；改良窖內(nèi)溫度由19.5 ℃降到18.5 ℃；而傳統(tǒng)土窖依靠自然通風(fēng)，庫溫21 ℃不變。第2 天晚上，庫外氣溫由15 ℃降到12 ℃；改良窖內(nèi)用風(fēng)機強制排風(fēng)，溫度由18 ℃降到13 ℃；而傳統(tǒng)土窖依靠自然通風(fēng)，溫度由20 ℃降到18.5 ℃，僅降1.5 ℃。由此可見，改良窖經(jīng)兩晚上通風(fēng)（白天閉窖），庫溫下降速度明顯快于傳統(tǒng)土窖。

3.3 節(jié)能分析

馬鈴薯太陽能風(fēng)補發(fā)電土窖充分利用了豐富的太陽能、風(fēng)能、土壤冷源等自然能源，利用太陽能、風(fēng)能在時間上的互補性，蓄能方式可以合二為一、有機結(jié)合，構(gòu)成風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)，提高了系統(tǒng)供電控制和軸流風(fēng)機通風(fēng)的穩(wěn)定性。該土窖實現(xiàn)零耗電，年電費節(jié)省約5 000 元左右；薯塊在冬季也處于平穩(wěn)的貯藏環(huán)境，基本不用人工增溫，運行費用減少90%。

3.4 貯藏效果分析

馬鈴薯貯藏120 d，改良庫貯藏的馬鈴薯VC 損失率小于傳統(tǒng)土窖，腐爛率為2.4%，硬度為63.16 kg/cm2，失重率為5.20%，效果均明顯好于CK 組（表3）。

表3 改良土窖與傳統(tǒng)土窖對馬鈴薯貯藏效果的影響Table 3 Storage effect of improved cellar and traditional cellar for potato

4 結(jié)論

（1）馬鈴薯太陽能風(fēng)補發(fā)電控溫土窖庫，充分利用自然冷源，將自然通風(fēng)與機械通風(fēng)相結(jié)合，降溫速度明顯快于傳統(tǒng)土窖；隔熱材料總熱阻大于2.84 m·2℃/W，冬季無結(jié)霜現(xiàn)象，保溫效果好。太陽能風(fēng)補發(fā)電控溫系統(tǒng)的建立使土窖運行費用常規(guī)比冷庫減少90%，具有較強的推廣價值。

（2）窖溫可以穩(wěn)定控制在3～5 ℃之間，創(chuàng)造了適宜的環(huán)境條件。馬鈴薯的腐爛率明顯降低，VC 損失率減小，硬度、失重率等綜合指標均明顯優(yōu)于傳統(tǒng)土窖。