谷物空調的設計與運維優化探究

溫素珍，袁 杰，金阿龍，麻林海，周德強，金賢松，劉斌斌

（浙江青風環境股份有限公司，浙江 麗水 323000）

根據國家統計局公布數據顯示，2021年全國糧食總產量6 828.5萬噸，比上年增加133.5萬噸，增長2.0%，全年糧食產量再創新高，連續7年保持在6 500萬噸以上。其中，秋糧產量5 089萬噸，比上年增加95.5萬噸，增長1.9%。近年來我國糧食產量較高，整體呈現供大于需的形勢，且在國家戰略中歷年均有糧油收購計劃，由此出現了大量儲糧需求。隨著社會生活水平的提升，人們在飲食觀念上提出了更高的要求，為了提高儲糧的安全性和營養性，對于儲存技術的要求也相應提高。谷物空調的產生，對于控制儲糧溫度、水分和空氣環境等方面功能顯著，可以進行技術調整以滿足對不同害蟲和霉菌抑制等需求。

1 谷物空調的設計需求分析

1.1 成本需求

在節能環保理念下，谷物空調的設計應重視控制以下成本：（1）生產成本。空調設計最終應轉化為實物并進行大面積的使用推廣，生產成本越高則儲備糧食的基礎建設成本相應增高，不利于和諧理念的貫徹落實。因此，設計時需要選擇環保型的、低廉型的材料，并且材料應當滿足環保節能和適宜批量化生產的條件。（2）運維成本。谷物空調在使用過程中，應盡量避免特殊化的運維策略和技術，降低運維難度和人工消耗，空調的運行應參照國家和行業節能指標，降低能源消耗，由此減少后期成本支出。

1.2 功能需求

谷物空調是儲糧的關鍵設備，空調的功能須與被儲藏糧食的質量特性相匹配，即能夠高效保障糧食的基本溫度，降低或消除季節性溫濕差對糧堆的影響，主要表現為：（1）對糧堆生態的控制。強化谷物空調的溫度、水分和氣體等控制功能，將糧堆溫度控制在保險溫度內，抑制酶促反應，抑制糧食呼吸，保持糧堆干燥，延緩糧堆品質變質周期。通過精準的溫度控制，抑制害蟲、微生物生長，同時加強通風功能，降低糧堆內部溫濕度。（2）糧食品質需求。谷物存放需要保證其基本質量，除生態條件控制外，遵循谷物的生長條件，抑制有害物質或不良質量變化，其中，發芽率是衡量谷物質量的關鍵性指標。依據生長條件，谷物常溫狀態中每年12月至次年3月發芽變化基本不見，但谷物內部活力依舊健在，3月至8月份為發芽活躍期，谷物種子發芽與環境溫度之間的關系明顯，如何能將谷物溫度恒定保持在安全溫度就是谷物空調設計的要點。（3）糧倉配置需求。現有谷物糧倉的設計和建設雖然具備較高的水平，但受糧倉建造技術、施工細節、材料科技和建設地環境等因素的影響，糧倉的綜合功能有所欠缺，如自然通風條件不理想、糧倉所處環境晝夜溫差過大以及糧倉規格較大內部溫濕度不易控制等。谷物空調的設計應充分考慮應用糧倉的具體情況，實現技術互補[1]。

1.3 環保需求

為進一步貫徹可持續發展和生態發展理念，谷物空調設計必須考慮環保工藝，其中制冷劑的選擇尤為關鍵，應考慮減少直接有害物質的排放，也要考慮制作制冷劑原材料生產中有害物質的排放，也包含自然環境熱量交換技術、自動控制變頻技術以及智能識別與自檢技術等的運用。從多個方面提升空調運行和控制系統的效率與穩定性，保證空調基本功能優化效果。

2 谷物空調的設計優化與實現途徑

2.1 設計依據

對儲藏谷物的基本特性進行調研，結合調查檔案資料對比現有谷物空調或同類儲藏設備的特點，對設計方案進行優化。例如稻谷在相同水分條件中，溫度與脂肪酸值上升速度成反比，脂肪酸數值升高或降低稻谷品質，若水分比例14.5%，儲藏時間90 d，脂肪酸最終值儲藏溫度40℃比儲藏溫度5℃高了數倍；谷物中的害蟲，如谷象蟲、面象蟲以及螨類害蟲，其生長、繁殖和生存條件也與溫度直接相關，大部分儲糧害蟲所能承受的低溫限度為17℃，一旦溫度在17℃以下則害蟲可能出現生育受阻、冷麻痹等狀態。其中螨類害蟲在5℃以上還能進行繁殖，但長期在5℃以下則無法生存，由此可以通過空調的冷控效果實現對害蟲的控制。常見谷物倉儲害蟲生長與溫度關系如圖1所示。

圖1 常見谷物倉儲害蟲生長與溫度關系

此外，常見的空調故障問題也應作為谷物空調的參考依據，以提高空調運行的效率降低運維成本。如空調長時間運行，散熱效果不足，通信系統中斷，甚至引發集控中心故障。空調排水系統設計不合理，管路過長、中轉點較多、坡度過小將導致排水不暢。另外，空調機房積水、元件受潮故障等，需要在設計環境綜合考慮和優化。

2.2 設計優化

2.2.1 基礎設計

基礎設計旨在增強谷物空調的基礎出行和運行穩定性，參照常見空調故障和質量問題進行針對性設計：（1）防腐蝕設計。如一般空調采取的銅質蒸發器，在磷化氫類熏蒸氣體的作用下容易受到腐蝕，考慮使用鋁質材料制作蒸發器，并對相應部件浸涂防腐蝕保護劑；（2）防塵設計。對空調蒸發器翅片進行優化，增加翅片間距，可有效防止大功率和超時長運行下，灰塵堆積阻塞問題，同時考慮使用大功率風機送風，防止自然送風情況下的灰塵堵塞問題；（3）加大空調送風功率。通過擴大送風量增加空調的工作效果，確保空調能滿足大規模倉庫的儲糧需求[2]。

2.2.2 參數控制

根據國家相關質量標準適用標準計算公式，對空調及其運行環境內的相關參數進行計算，計算結果作為空調設計的依據，關鍵公式如下：

（1）儲藏倉圍護結構傳熱系數（K）

式中：αw為圍護結構的外表換熱系數，αn為圍護結構的內表換熱系數，δi為圍護結構材料厚度，λi為圍護結構材料導熱系數，i為圍護結構的層數。

（2）風量計算（φ）

式中：S1為風量系數，取值1.16；ρ為風機電動機的功率；Qd為日最大冷負荷；cp為空氣比熱容，取值1.005，ΔT為倉內與倉外的溫度差。

（3）負荷計算（Q）

a.啟動冷負荷（Q）式中：ε為計算系數，取值1.2±0.1；Q1為圍護結構與環境熱交互形成的冷負荷；Q2為糧食降溫冷負荷；Q3為糧食呼吸冷負荷；Q4為糧倉內空氣溫度降低的冷負荷；K為圍護結構材料的熱導系數；w為糧倉外面積；（T1-T2）為糧倉內外溫度差；（T3-T4）為空氣初始溫度與預期溫度差；G為糧食質量；C1為糧食比熱容；q取值0.37 W/t；C2為空氣比熱容；M為糧倉內空氣質量。

b.日常冷負荷（Q常）

日常冷負荷為糧倉空調長期正常運行下的冷負荷值，可忽略其他因素進行計算，參見式1。

2.2.3 技術優化

谷物空調設計參考當前業內先進主流技術，或在設計中進行改良優化，或在糧倉設計和建設中進行技術互補，以提高儲糧效果。（1）自然通風降溫技術。包括負壓式通風系統等，利用溫差促進空氣流動，依靠自然空氣的流通實現糧倉內部與外部溫度交換，尤其是在低溫干燥的季節效果顯著，該技術的應用可以降低谷物空調運轉壓力。（2）機械通風降溫技術。其一，與自然通風降溫技術的原理相近，只是改由風機系統設備保障糧倉高效率通風；其二，冷卻機補冷，由冷卻機或冷卻機組制冷，將冷風輸送進糧倉中，達到通風降溫的目的；其三，空調制冷，由谷物空調直接補冷。（3）其他降溫技術。包括屋面噴淋降溫技術、屋面反光隔熱技術和壓蓋密封隔熱技術等。

2.3 實物展示

傳統民用空調的送風風程設計一般為5~12 m，這樣的風程設計能夠滿足民用住宅及樓宇廳堂的使用要求，但是不能滿足在糧倉的使用要求，因近年來隨著建筑技術的不斷提高糧倉的建設跨度也越來越大，目前我國糧倉的建筑跨度在24~30 m之間，5~12 m的設計風程顯然不能夠滿足使用要求。谷物空調機組設計風程能夠到達30 m左右，這樣的風程設計可以把所有空調機組安裝在糧倉的背陰面，經過測算空調機組安裝在背陰面相對于日光暴曬的運行環境，能夠節能10%左右，所以大風量送風設計在節能高效運行的同時又能夠保證倉內溫度均衡。目前，市場上糧庫空間降溫采用傳統家用空調，存在冷凝水隱患，以及消毒防護需求；而青風糧庫空調一體機，專用設計，無冷凝水隱患，運行能效比高，還可在夜間室外溫度低時自動通風，降低能耗[3]，設計特點如圖2所示。

圖2 整倉降溫設備——谷物空調設計基本特點

產品設計依據包括：GB/T 17758—2010《單元式空氣調節機》、GB/T 18836—2017《風管送風式空調(熱泵)機組》、GB/T 24855—2010《糧油機械 裝配通用技術條件》、GB/T 24857—2010《糧油機械 板件、板型鋼構件通用技術條件》、GB/T 25218—2010《糧油機械 產品涂裝通用技術條件》、GB/T 29890—2013《糧油儲藏技術規范》、LS 1207—2005《糧食倉庫機電設備安裝技術規程》、JB 8655—1997《單元式空氣調節機 安全要求》以及JB/T 9066—1999《柜式風機盤管機組》。

產品主要性能：制冷系統各部分不應有制冷劑泄漏；各種閥門動作靈敏、可靠，保證空調設備正常工作；實測名義工況制冷量大于名義制冷量的95%；實測名義工況制冷消耗功率小于名義制冷消耗功率的110%；當空調機出口溫度設定7～18℃時，控制精度：平均±0.3℃，最高±1℃；相對濕度設定在65%～90%時，控制精度：平均±30%，最高±6%；室內機具有排除凝結水的能力，沒有水從空調機終端溢出或吹出；空調機的噪聲小于85 dBA；制冷性能系數≥名義制冷性能系數的95%；蒸發器采用能減小或者避免粉塵對設備影響的制造工藝和材料進行加工，內機蒸發器采取措施防止粉塵附著；空調機采用能減少或降低濾網孔堵塞的工藝或材料加工；空調機性能在糧倉正常熏蒸后繼續滿足基本性能要求；空調機有方便操作的控制系統，宜安裝遠程控制模塊。

產品防熏蒸、大風量送風，可針對糧倉的糧溫，變風量送風送冷，實現了溫濕度可調，從而為糧食品質提供了保證。

3 谷物空調的運維優化建議

3.1 工作環境優化

對谷物空調的運行工作環境進行優化，一方面需要提高空調控制系統的可靠性，空調中加裝智能化和自動化控制系統，在既有空調自動控制技術的基礎上，融入智能控制的相關技術，實現空調設備雙機智能切換，兩臺設備或兩套空調系統交替工作，并且能夠實現自動切換、自動停啟等，優化空調系統；另一方面，融入環境監測與報警系統，根據空調工作環境和工作參數設置警報標準，對出現空調溫度過高、雙機交互異常導致環境溫度過低、內機漏水、通風異常、運行故障和系統通信不暢等進行實時警報，在大規模糧倉中設集控后臺，利用智能系統為警報事項提供決策和遠程控制。此外，需要優化空調設備的綜合環境，如糧倉保溫系統的建設與日常檢查、空調外機的防護和檢修等。

3.2 運維工作優化

建立谷物空調運維管理制度，開展定期巡查工作，制作檢查筆錄，并由相關人員簽字負責，依據空調設計參數制定檢查關鍵項目，具體包括：（1）對空調的元器件進行清理，去除表面灰塵；（2）對通風散熱通道進行檢查，清除積累的污垢和灰塵；（3）檢查各個接口、插頭，確保各個元器件、構件的穩定牢固，電路接觸無異常；（4）檢查各類閥門、啟停器、控制器和開關的工作狀態，查看是否受潮、失靈；（5）檢查變壓器的輸出電壓是否與需求電壓一致，是否處于安全值域內；（6）檢查風扇、風機和皮帶等運動件的磨損狀態，是否存在不良運作；（7）檢查空調排水系統，排水管孔是否存在堵塞、變形和破損等問題，并定期對其進行清洗。對于發現的問題要及時進行處理。

4 結束語

低溫技術的運用為糧食存儲帶來了保障，大量的實踐和研究工作證明，谷物空調作為專用的儲糧設備，在儲糧工作中發揮重要作用，因此對谷物空調的設計至關重要。從現有理論經驗看，谷物空調的設計應當參考儲藏物的基本特點，在反復研究和試驗下優化設計方案，保障谷物空調的節能、環保、實用功能，減少后期運維壓力。