中國儲糧機械通風技術的應用進展

邢鑫 王濤

摘要：在多年的基礎理論研究和實踐深入下，中國儲糧通風技術已邁入低成本、集成化、信息化的時代。在儲糧“四合一”技術的基礎上，智能空調控溫系統和橫縱風道實驗有效改善了橫向通風控溫不均的缺陷，制氮與谷冷系統的集成更趨于完善；儲糧環保通風機實驗稻谷、玉米和大豆保水效果良好，橫向與豎向通風的對比實驗顯示前者水分出庫損失更小；利用模型預測溫度場以及模型優化能夠更精確地確定通風時機。文章闡述了國內橫向、保水和智能通風的研究現狀，對其實驗方法和不足進行了總結，并對未來國內儲糧通風技術的發展方向進行展望，旨在指導儲糧工作者探索適合各地儲糧實際的新渠道。

關鍵詞：儲糧通風；橫向；保水；智能

中圖分類號：S229+.3 文獻標志碼：A DOI：10.16465/j.gste.cn431252ts.20230519

Application progress of mechanical ventilation technology for grain storage in China

Xing Xin， Wang Tao

（ Central Storage Cereal Taian Subordinate Warehouse， Taian， Shangdong 271000 ）

Abstract： On the basis of many years of theoretical research and practice， Chinas grain storage ventilation technology has entered the low cost， integration and information times. On the basis of "four-in-one" technology of grain storage， with the help of intelligent air temperature control system and transverse and longitudinal air duct experiment， the defects of uneven temperature control for transverse pass risk are effectively improved， and the integration of nitrogen production and valley cooling system is more perfect. The water retention effect of rice， corn and soybean is good in the experiment of environmental protection fans for grain storage. The comparison experiment of horizontal and vertical ventilation showed that the water loss of rice， corn and soybean is smaller. Using the model to predict the temperature field and optimize the model can determine the ventilation timing more accurately. In this paper， the research status of horizontal， water conservation and intelligent ventilation in China was described， the experimental methods and shortcomings were summarized， and the future development direction of domestic grain storage ventilation technology was prospected， in order to guide grain storage workers to explore new channels suitable for local grain storage practice.

Key words： grain storage and ventilation， horizontal， water retention， intelligence

機械通風技術在全世界已經被大規模地使用。20世紀30年代，一些國家便開始進行研究，例如蘇聯于1936年研究機械通風工藝，1936—1937年研制出房式倉的機械通風裝置。二戰之后推廣應用，在20世紀50年代深入廣泛地研究糧堆的通風技術，同期，我國的北京、蘇州、武漢等地區沿用前蘇聯的機械通風裝置，江蘇于20世紀50年代后期進行了單管通風降溫實驗，探索機械通風的降溫降水作用以及對高溫入倉的早稻品質的影響。隨著多管風機、地槽式和立筒式通風裝置的技術發展，以及各省市的實倉通風調質實驗成功，在20世紀80年代我國的儲糧機械通風技術得到了大范圍的推廣應用，1984年僅江蘇通風儲藏的倉容就達到25億kg。然而儲糧通風技術的開發與實踐進入新階段，還是在“四合一”綜合新技術體系建立后。至今機械通風不止在糧堆的降溫降水方面成效顯著，而且將環流熏蒸與谷物冷卻結合后在熏蒸殺蟲、膜下均溫和增濕調質等儲糧管理層面發揮了積極作用[1]。隨著傳感器、計算機和通信工程等現代電子技術的應用，溫濕度管理監控系統能夠對糧情變化實時監測，且能夠進行數據傳輸、存儲、分析、報警，對通風和熏蒸設備實現自動控制與適時運行[2-3]，能夠處理糧食儲藏期間的常規變化。

近年來國家大力提倡“節能降耗”“提質增效”等舉措，在儲糧系統內主要圍繞改良通風方式、保水降溫通風等方面，以及利用模型精準預測通風時機實施智能通風。相關領域的學者不斷豐富儲糧通風的理論，在實際應用中都有很多獨到的見解，并且在實倉試驗中也取得令人滿意的效果。文章重點總結近年來學者們在儲糧通風方面的研究成果，旨在通過各地富有實效的實驗能夠探索適合實際儲藏管理的新渠道，能夠為儲糧工作者提供更明確的儲糧通風新方向。

1 橫向通風

自2008年起國家糧食局科學研究院就在模擬倉內對稻谷、小麥、玉米進行了多向通風實驗研究，發現各糧種在不同通風方向上的單位糧層阻力存在顯著差距，大糧堆具有顯著各向異性，一些糧種的橫向單位糧層阻力遠低于豎向氣流阻力，由此奠定了橫向通風的理論基礎[4]。之后白忠權等[5]利用計算流體力學方法進行數值模擬，對大型平房倉的橫向式、壓入和吸出式豎向通風阻力分析發現上行、下行和橫向單位糧層阻力中，橫向阻力最小，證實了各向異性阻力的分析。此后廣大倉儲工作者對這一通風方式展開孜孜不倦的研究。

1.1 橫向通風控溫

沈邦灶等[6]選取了磚混結構的拱板倉開展實驗倉，在常溫倉的基礎上，將橫向風網系統的所有支風道開孔，糧面覆蓋薄膜的同時用PVC管導出糧面，空調空間制冷的冷氣再通過自然交換均勻引入南北檐墻的支風道，最終糧堆表層匯聚為冷氣囊，以此有效規避“熱表皮”現象。空調開啟的5個月內糧面溫度降低1.0 ℃，整體平均糧溫低0.9 ℃。實際通風降溫作業中，糧面氣囊壓力要控制在50 Pa左右，設定溫度在18～22 ℃，此時控溫效果顯著。

沈波等[7]對安裝橫向通風系統的倉房進行了五面控溫實驗。在糧堆內存在巨大冷心的前提下，通過FGR14 /A2-N4型控溫專用空調，實現智能控溫系統控制倉溫及表層糧溫，并用2臺CZKI-7.5 型糧倉控溫專用空調控制四周糧溫，可將最高糧溫控制在25 ℃以下，平均糧溫低于20 ℃，達到準低溫倉要求，而且在氣溫上升時段也能取得良好降溫效果。劉益云等[8]研究發現，配置橫向通風的五面控溫方式能耗更低；倉房氣密性在達到一級氣密等級氣調倉的標準時，膜下冷氣微環流形成的動態隔熱屏障可以實現冷量利用的最大化，達到綠色儲糧的目的。

1.2 風道設計

湖北荊門沙洋國家糧食儲備庫為做好通風新技術推廣工作，進行了橫向通風系統與原有地上籠混合使用的風道研究實驗。如圖1所示，橫向通風系統布置于兩側檐墻底部，支風道固定于兩側檐墻內壁，下端與主風道連接，共29條通風口，兩側墻壁各設置3道。豎向通風系統支風道共9個，采用CFLH-11A離心風機，功率11 kW。冬季通風結束后，稻谷全倉平均水分由14.0%降至13.5%，降水幅度為0.5%；整倉平均糧溫從28 ℃降至4 ℃，降溫幅度為24 ℃，與其他使用單風道的倉房對比分析，風道混合設計降溫效果較好，并且降溫降水速率較高，通風均勻性良好，有廣闊的使用前景[9]。

在土地成本越來越高以及“四散化”變革的背景之下，筒倉儲糧應用越來越廣泛。但是目前筒倉應用的上行通風糧層阻力大，由此更造成效率低下能耗升高等弊端。由于其根本原因是現有風機效果不能適應高糧層的通風阻力，所以李成等[10]在傳統的筒倉通風系統基礎上增加了6根倉壁通風管，管體部分開孔，開孔率大于30%，形成了由移動式通風風機、地槽風道、地槽分配器、倉壁通風管和倉頂通風管組成的新型通風系統（圖2），本質也是混合風道。

1.3 技術集成

目前橫向通風技術雖然在全國范圍內推廣應用，但是與各個地區儲存環境的適應性尚存不足，技術和設備、工藝缺乏有機銜接，主要表現為缺乏系統規劃；設備繁多，管道及控制柜重復設置；技術體系相對獨立，實際工作操作不便，以及倉房整潔和美觀受到影響等。因此儲糧工作者就設備工藝等銜接問題展開了探索。

氮氣氣調具有延緩糧食變質、抑制蟲霉孳生和綠色環保等優勢，可以少量用作儲糧防護劑。陳渠玲等[11]針對湖南地區氮氣氣調鮮有研究的現況，進行了24 m跨度的高大平房倉的膜下環流氮氣氣調實驗，由于實驗倉房配置橫向通風系統，故需要考慮氮氣隨橫向氣流的濃度變化以及蟲口密度篩選檢測點。實際充氮過程中，氮氣濃度由南至北，即按照橫向氣流方向不斷推進，在充氣過程中觀察發現糧倉內害蟲活動趨向于氮氣濃度較低的區域，尤其以糧面覆膜的膠合處和大門槽管處最為集中。實際篩檢蟲籠，殺蟲率100%，蟲口密度監測點未發現活蟲，對于磷化氫抗性較強的銹赤扁谷盜，實驗蟲籠測試98%的氮氣維持58 d殺蟲率為100%，滅殺效果顯著。說明密閉條件下，雖然橫向氣流會造成氮氣的濃度差異，但是氣囊狀態下的倉內循環可以彌補局部濃度不足的缺陷，所以位于氮氣檢測點較薄弱的氣流下游也可以達到期望滅殺率。之后殷家明等[12]在橫向風道的基礎上，探索了變壓吸附制氮氣調工藝的連續與間隙充氣的濃度變化規律，證明變壓吸附制氮充氣適用于搭載橫向風網的24 m跨折線倉。實踐表明，以橫向通風為基礎的橫向沖環工藝在最初的實踐過程出現殺蟲不徹底、濃度不均和充氮時間過長等問題，某些庫在配備固定式膜分離制氮系統的基礎上，優化倉房外進出口管道方向，氮氣回流口配置于主風道上，可以使糧堆內氣流軌跡更加合理，回流口和糧堆底層等的局部低濃度部位有所減少，從而改善了濃度和均勻度的缺陷，并且充氮效率明顯上升。

張曉培[13]利用“四合一”升級的谷冷機與橫向通風系統結合，對玉米的降溫效果展開實驗。結果顯示，進風口溫度比出風口下滑顯著。同時實驗發現冷風出入風道速度相對遲緩，判斷原因在于橫向谷冷風面路徑長。此次實驗主風道并未開孔和隔斷，谷冷機不能并聯使用，還需要進一步作工藝研究。陳昌勇等[14]重點關注了倉房氣密性對降溫效果的影響。對實驗倉預先進行氣密前處理：內墻及地面采用納米材料噴涂；茂金絲復合糧食專用膜覆蓋糧層，并用雙槽管壓實；倉頂使用聚氨酯發泡材料隔熱保溫。實測-300 Pa壓力半衰期接近國家一級標準，在此良好的氣密條件下，冷氣流推進速度快，使得降溫速度快而且效果良好，實驗過程單位能耗僅為0.185 kW·h/（t·℃），顯著低于國標最大能耗指標0.5 kW·h/（t·℃），因此雖然橫向谷冷風面路徑長，但是通過前期的氣密檢查、補漏和保溫隔熱工作，能夠促進冷氣流推進速度，從而降低能耗。此后李倩倩等[15]對高溫高濕地區的稻谷谷冷降溫展開研究，探索在24 m跨度的平房倉分區降溫效果及能耗。其方法是在東側平均糧溫降至15 ℃以下時更換至西側，在環境溫度低于糧溫較多時暫停，在此通風模式下溫度下降幅度達到8.9 ℃，而能耗也比前者低，為0.1 kW·h/（t·℃）。

此外，周剛等[16]將橫向通風與環流熏蒸、內環流控溫、保水通風等儲糧工藝與技術進行整合集成，具體表現在：縱向轉變為橫向環流；單面沿墻通風籠實現一組替換多組內環流設備；內環流與環流熏蒸在合理氣流管路通徑下合二為一；溫濕度調節器串聯接入環流管道送入糧堆實現增濕降溫的空氣循環；橫向通風助力熱空氣交換。使用此套工藝技術集成，不僅避免了“冷心熱皮”問題，而且兼具保水降溫作用，對于條件合適的庫區具有可行性。

2 保水通風

雖然基于多孔傳熱傳質理論[17]下各地對儲糧保水技術展開各種探索，并且取得較大進展，但是實際應用的通風工藝還存在一定的局限性。比如軸流風機通風雖然單位能耗低，但是囿于自然通風的局限，比如在氣候干燥的西北以及冬季溫濕度不適宜的南方地區，實用性不佳；谷物冷卻機不受自然條件限制，然而機器價格、運行成本以及實際送風濕度效果差等問題弱化了推廣價值。由于普通的保水通風技術是直接通過管路傳送濕冷空氣，如果送風道設計工藝欠缺，容易造成通風死角，此時溫度的差異更易造成水分凝結形成結露。

廣州直屬庫研發了HBTF-XA433-YS儲糧環保通風機，該設備控濕系統的紙簾兼具增濕與降溫功能（見圖3）：水流經過紙簾會在纖維表面生成水膜，空氣穿過水膜時會吸收水滴汽化的水蒸氣從而使相對濕度增大；汽化過程還會吸收四周熱量實現降溫目的，根據實驗數據總結相對濕度可達到75%～99%，空氣溫度能降低3～5 ℃[18]。

2.1 品種試驗

儲糧工作者對通風機的送風濕度進行過多次實驗，力求達到既能降低溫度又可以保持水分不降。林春華等[19]對4個實驗倉（三倉稻谷和一倉玉米）展開通風研究，令冷風從糧面上的風管進入，通過地籠通風口導出至倉外，為正壓下行式。將出風口端濕度控制在75%～85%下進行通風保水實驗，結果顯示整倉平均水分上升0.3%，并且出倉水分可以恢復至入倉水分值，同時平均糧溫降幅在4～7 ℃，實現了通風降溫同時保持水分的目的，經濟效益可觀。由于種皮薄且結構疏松的小麥的吸濕性要遠大于稻谷和玉米，所以濕度調節需要充分考究不同糧種的水分吸附效能。

大豆水分活性高，故吸濕性強容易發熱霉變[20]。華南地區由于冬季低溫時間短，并且空氣相對濕度較大，普通的通風方式難以實現目標濕度與降低溫度兼容。利用環保通風機，調節適宜的出風濕度可以實現較好的結果。設置送風濕度為85%，并且通風期間重點關注糧堆表層水分，及時調整通風濕度，翻動糧面保持水分均衡防止局部霉變。經檢測發現，平均糧溫下降5.8 ℃，平均水分降低0.1%，降幅不大但是50 cm的表層水分增加，而且兼具經濟效益[21]。

2.2 橫向通風保水效能

由于橫向通風風量分布均勻、通風均勻度好等優勢，諸多學者以及業內專家不僅就控溫效果展開大量的試驗，而且對比豎向通風的保水效果也得出了比較好的結論，采用覆膜式工藝得到了比揭膜式更少的水分損失。

許建雙等[22]在跨度30 m的小麥倉中進行了兩種不同的橫向通風實驗，即一個倉的糧面用聚氯乙烯薄膜密封嚴實（覆膜式）；另一個倉分階段揭膜，第一階段糧堆中段揭膜，兩側密封，第二階段兩側揭膜糧堆中間密封，直至降至目標糧溫。實驗發現，覆膜式水分損失比揭膜式小0.1%，同時分層扦樣發現覆膜式水分均勻度優于揭膜式，水分分層概率的降低對于安全儲藏意義重大。

劉惠標等[23]對福建漳州地區稻谷倉的橫向通風水分保持力進行了實驗追蹤。對實驗倉采用覆膜工藝，同時安裝了國家糧食和物資儲備局研究院研發的智能通風控制系統，對照倉則設置了豎向通風系統（不覆膜）而且未配備智能調控系統，但出倉時進行了調制通風。對于前者糧堆平均水分上升，而對照倉水分下降顯著，而且出倉調質損耗率也遠高于橫向通風倉，說明采用智能通風的橫向通風方式保水效果更佳。

對于漳州的實驗因為變量有智能調風的影響因素，而且實驗倉采用的是覆膜工藝，所以不能單純確定橫豎通風方式的效果。梁彥偉等[24]就中溫高濕的儲糧區環境，針對晚粳稻谷對比了橫豎向通風的水分損失和能耗等，橫向與豎向通風倉自然環境和倉儲條件基本相同，排除了其他因素的影響。達到相同的降溫幅度，橫向通風所需要的時間更長，對應通風能耗比豎向通更高，但是如表1所示，橫向通風降溫的同時其失水率卻僅為豎向通風的40%，換算為糧食損失可減少6.4 t，從長遠來看有更強的潛在經濟價值。

3 智能通風

智能通風的實現主要得益于CAE方程的數學擬合和CFD的數值模擬。前者是由吳子丹對糧食水分吸附“S”曲線中的線性區段進行數學擬合得到的EMC/ERH經驗式方程。利用CAE方程建立控制模型，通過糧情檢測系統追蹤氣溫、糧溫和濕度變化，兩者有機銜接，并根據通風窗口理論判斷通風條件和狀態，利用計算機控制通風過程；CFD（computational fluid dynamics），即計算流體動力學，是對通風過程的模擬分析，主要是對準靜態糧堆的熱量傳遞和通風過程的壓力分布與變化進行數值模擬，并利用計算機的計算結果描述流體的運動，定量分析傳熱和傳質的過程。糧倉內的數值仿真研究涉及非定常流動以及傳熱與傳質，對不同研究對象采用區域網格化劃分，得出不同模型，再結合流體運動規律和能量守恒定律，通過實驗得出湍流模型并最終確定合理的CFD方案。由于其投入低、周期短且仿真能力強，伴隨著計算機技術的成熟可以運用該技術對糧堆進行更有突破性的研究。如房詠柳等[25]、邱化禹等[26]、顧巍等[27]分別對不同糧高的糧堆阻力和孔隙變化、橫向通風系統優化、環形與U形風道的通風換熱過程進行了倉內氣流仿真研究；彭威[28]建立了準穩態和糧堆通風三維理論模型，并對糧食溫度場和機械通風條件的壓力場展開模擬實驗；胡耀華等[29]證實多孔介質模型與標準k-ε湍流模型結合運用，可以較準確地預測不同糧種和環境下溫度場和濕度場的分布狀況。

某些儲糧工作者利用專家通風系統作為輔助決策工具展開糧堆的儲藏研究。專家通風系統是通過人機交互的方式以及系統自學來獲取知識以及修訂補充，建立各種相關儲糧技術知識與儲糧機械通風和糧食安全儲藏相關數據及經驗知識，并建立相應的數據模型、圖形模型和集成數據。其依據專業領域的一個或多個專家系統提供的合適經驗，進行推理判斷，以模擬人類專家解決儲糧通風問題。張恒等[30]使用一套糧堆溫濕水多參數一體化實時檢測預警系統，基于專家系統的決策對冬季小麥開展降溫保水通風。通風開始通過專家系統的分析判斷適合通風的室外溫濕度區間，并通過每天的糧溫與水分變化，在整個通風過程中利用專家系統對通風條件進行校正，選擇較為合適的通風時機。與未用專家控制系統的對照倉對比發現，實驗倉降水幅度更小，并且能耗統計顯示比傳統24 h的通風模式節電約2/3，對于優化通風管理成效顯著；也有學者對淺圓倉內應用智能通風系統的安全性與實用性等方面進行評估，其同樣利用專家系統判斷通風時機。對不同位置靜壓值測算以及測量表觀風速均可證明通風均勻性良好，整倉平均溫度下降明顯，說明該系統具有實用性。同時將蝶閥與風機合理順序開閉的原則貫徹到整個通風過程中，風機運轉正常，證明安全性達標。

智能通風能夠在很大程度上避免人工經驗操作的低效、無效甚至有害通風現象的發生[31]。應用智能通風控制儲糧環境最關鍵的是對通風狀態下糧堆溫度的準確測定，綜合相關學者已有的研究成果可以發現：一是大量運用數學模型以及數值模擬研究傳熱變化規律；二是采用專家系統、遺傳算法等對通風條件的判斷實現控制。但是由于通風過程作用錯綜復雜，前者并不能準確反映糧堆溫度與其影響因素之間的線性關系；專家系統主觀性強，受經驗影響大所以也僅僅作為輔助決策。針對現有智能通風系統應對糧溫變化的智能化程度不足的問題，南少偉[32]采用隨機森林算法（RFR）、支持向量機算法（support vector machine，SVM）和BP神經網絡算法建立了基于糧堆最高溫度的預測模型，實倉實驗下對比發現隨機森林預測擬合效果最優，運用該模型得到影響糧堆最高溫的重要性，分析結果，可以有效地指導通風時機的選擇；同時利用通風口風速、通風口溫度和糧堆最高溫的三維圖解，得到糧堆最高溫度降至低溫條件的臨界點集合，通過在臨界點附近選擇測試點可以為定量化控制糧溫提供參考。

控制理論方向的學者對預測模型和算法優化模型也進行了整合[33]。選擇RBF神經網絡模型預測基于倉內外與通風口環境的糧堆溫度，以粒子群算法（particle swarm optimization，PSO）進行極值與權重更新，通過列文伯格-馬夸爾特算法（levenberg-marquard，LM）修復PSO的局部最優解，最后利用PSO-LM模式進一步優化網絡參數。實際操作時選用橫向通風倉，其通風方向的3個截面中的倉內外濕度，通風口風速、溫濕度等作為基于RBF的仿真預測參數，與糧堆內實際溫度傳感器的采集溫度比較貼合度。通過PSO-LMRBF的組合預測模型與PSO-RBF的性能指標對照發現，前者MAE（平均絕對誤差）、MSE（均方誤差）和RMSE（均方根誤差）均小于后者，說明PSO和LM兩者結合達到理想效果，改進后的RBF組合預測模型誤差更小，對于糧堆溫度的預期更加穩定。

4 儲糧機械通風技術展望

自20世紀80年代我國儲糧通風技術大力推廣應用，“四合一”帶來的通風新技術蓬勃發展，源于我國對儲糧通風更深入的基礎理論研究，比如糧堆各向阻力的差異、糧堆多孔傳質理論的發展以及多場耦合控制理論的探索，都為通風技術的突破奠定了堅實的理論基礎。隨著廣大學者以及儲糧工作者在理論和實踐上的突破，目前儲糧通風技術可以歸結為3個大趨勢：首先是對于通風的目標由安全保質趨向于節能減損和保量保鮮；其次新舊技術趨于有機統一、整合集成，技術設備工藝的有效銜接將在減少設備投資、簡化操作、節省人力及降低儲糧成本[16]等方面扮演重要角色；第三是智能通風的數學控制模型趨于完善，控制方法以及配套硬件設施更加精準智能。

目前廣大糧食工作者對技術工藝已經有一定的創新，并且在原有的設備上多次實驗也得到改良，但是我國幅員遼闊，氣候差異明顯，僅儲糧生態區就劃分為7個，這無疑加深了技術工藝之間相互應用融合的難度，而且還有相當程度的研究針對的是特定區域的特殊自然條件，儲存品種的差異化不可避免；目前對于橫向通風的系統集成研究較少，僅有對于小麥在倉庫的實踐，鑒于其他糧種的吸濕性以及孔隙度都有各自特點，所以集成后的通風效能是一個必須考慮的因素；雖然多數糧庫對智能通風進行了研究實踐，但是由于參數變化的定量分析或者專家系統的研判在以溫度為關鍵因素的時機判別中滯后甚至失誤，導致通風出現局部死角或溫度控制不理想。所以今后的發展方向是要加強技術工藝的區域深度融合；探索基于橫向通風的不同糧種系統集成工藝，對于水分活性較強的大豆以及呼吸強度大、溫度變化敏感且易失水的玉米，可以充分利用橫向通風的均勻性以及內環流等的控溫優勢；除了以溫度作為通風時機的研判標準，還需要再探索便于增強穩定性和預測誤差更小的算法標準，以及繼續創新多種算法的結合，以增強數據處理能力，推進模型精準賦能。

參 考 文 獻

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