華南地區水源熱泵制冷技術在玉米保管過程中的應用研究*

張雪琪 江文華 楊乾奎 梁煥球

(廣州市番禺糧食儲備有限公司 511400)

我庫地處華南地區,高溫高濕天氣長,如何控制倉溫和糧溫是安全儲糧的關鍵[1],為積極推進糧食節糧減損工作,以綠色環保為導向,全面推進綠色生態智能儲糧技術,降低糧食儲備損失損耗,大力推進“四散化”作業和準低溫倉房建設。我庫原有配備準低溫設備的倉房采用水冷卻塔式制冷系統,由于能耗較高,常年閑置。經調研對比空氣源、水冷和水源熱泵制冷等技術,水源熱泵是目前空調系統中能效比(COP值)最高的制冷方式[2]。水源熱泵技術利用溫度較低的水體作為制冷設備的冷源,通過輸入少量電能,實現低溫位熱能向高溫位轉移,以達到空間制冷的目的[3]。為積極探索水源熱泵制冷技術在實倉儲藏保管中的應用效果,我庫選定配有水源熱泵制冷系統的糧倉開展相關試驗研究。

1 試驗條件

1.1 試驗倉房

高大平房倉15倉A,倉房尺寸39 m×30 m×10 m,糧層高度5.6 m,倉容5000 t。散裝儲藏,墻體采用全新聚乙烯薄膜掛壁,地面薄膜墊底,鋪設地上籠,配備電子測溫,環流熏蒸,水源熱泵制冷系統。

1.2 試驗儲糧

試驗倉儲藏玉米約4579.76 t,產地內蒙古,入庫時間2016年12月,容重705 g/L,不完善粒3.0%,生霉粒0.1%,雜質0.6%,入庫水分13.6%

1.3 試驗設備

水源熱泵谷物冷卻機LBW-2J300WYH型,2臺,總功率53 kW,總單位用水量30 m3/h。

1.4 水源情況

庫區附近有出水管道,冷卻水取自附近蕉門水道河水,水溫25℃,利用與制冷設備配套的水泵輸送。

2 試驗方法

2.1 倉房改造

2.1.1 改造回風口,于倉房四個角落設置固定回風口,避免整倉降溫時發生走冷現象。

2.1.2 修改天花板設計方案,為增加倉房保溫效果,將原來設計的5 cm厚度天花板材料改為8 cm。

2.1.3 在山墻上部增添霧化水簾和負壓通風裝置。

2.2 系統選型

目前國內水源熱泵系統有地埋管熱泵、地下水熱泵、地表水熱泵三種[4]。地埋管熱泵循環水使用成本低、造價高,且要與土建相結合,局限性大;地下水熱泵,制冷減能耗效果最好,但我庫所在地區禁止地下水開采。通過考察南京將軍山和常州城北糧食儲備庫的水源熱泵制冷設備應用情況,確定地表水熱泵系統能夠結合儲糧需求配置系統設備,結合我庫位置環境,地表水熱泵基本適用。

2.3 系統設計

結合糧庫倉房情況,對水源熱泵系統進行改良,將水源熱泵制冷系統分為3個子系統,分別為表層控溫制冷系統、整倉降溫(谷物冷卻)系統和水簾降積熱系統。通過一級水泵抽取河水進行凈化進入二級泵房水池,再由二級水泵提取水進入制冷系統(如圖1)。

圖1 水源熱泵制冷系統

2.3.1 表層控溫制冷系統 單個厫間配套控溫外機2臺,單臺輸入功率12 kW,名義制冷量48 kW,控溫面積400 m2;配套控溫內機4臺,單臺輸入功率0.85 kW,名義制冷量24 kW,氣流徑向到達距離15 m,最低出風溫度13℃,可調節出風濕度,主要用于降低糧面以上0.5 m至天花板溫度和空間濕度,以達到降溫保水效果。

2.3.2 整倉降溫(谷物冷卻)系統 通過鼓冷達到整倉降溫、調節濕度等效果,實現降溫保水。整倉降溫機組4臺,輸入功率33 kW,名義制冷量85 kW,無需電輔熱,流動水制冷原理同倉房固定制冷系統一致。

2.3.3 水簾降積熱系統 倉房倉頂采用彩瓦,倉內采用巖棉天花吊頂,倉頂和天花板之間的積熱易滲入倉內,故通過水簾降積熱系統,利用水簾將河水霧化,在水簾對向用風機將積熱抽出,以降低空間溫度(如圖2)。配置水簾系統負壓風機0.75 kW,風量32000 m3/h;水簾面積18 m2,厚度20 cm,循環水泵0.75 kW。

圖2 水簾降積熱系統

3 試驗結果

3.1 全年控溫儲藏費用

玉米入庫后2016年12月27日至12月29日連續通風降溫,將平均糧溫由15.5℃降至13.2℃,入庫至出庫僅熏蒸一次,于3月下旬采用膜下環流熏蒸,劑量6.261 g/m3,最高平均濃度800 mL/m3左右,主要用于防霉。2017年6月14日揭膜散氣,散氣后開啟表層控溫制冷系統和水簾降積熱系統,控制表層溫度,待平均糧溫上升至20.5℃左右,采用整倉降溫(谷物冷卻)系統將糧堆整體降溫后平均梯度溫差降至19.5℃,保持表層控溫制冷系統和水簾降積熱系統開啟以控制糧溫。

通過對玉米保管的全年能耗計算可知,全年內糧堆溫度控制在21℃以下的總耗電量約為15000 kW·h,按0.8元/kW·h計,噸糧保管成本費用約為2.62元/t。

3.2 整倉通風降溫能耗

如表1所示,采用谷物冷卻系統進行整倉通風降溫,2017年8月2日至8月4日,通風時長33 h,通風前后平均糧溫由20.4℃下降至19.4℃,總電耗2049 kW·h,單位能耗0.45 kW·h/℃·t。2017年8月17日至8月18日,通風時長30 h,通風前后平均糧溫由19.1℃下降至18.3℃,總電耗1860 kW·h,單位能耗0.51 kW·h/℃·t。

表1 整倉谷冷通風前后糧溫變化和能耗

3.3 玉米儲存品質

由表2可知,玉米控溫儲藏一年后水分含量由13.6%下降至12.9%,脂肪酸值由42.8(KOH/干基)/(mg/100g)升高至45(KOH/干基)/(mg/100g),處于宜存范圍(GB/T 20570-2015中≤65 mg/100g),且黃曲霉毒素、脫氧雪腐鐮刀菌烯醇和玉米赤霉烯醇等在儲藏結束時均未檢出。綜上所述,利用水源熱泵制冷技術對玉米進行控溫儲藏,可以明顯減緩其品質劣變速率,保證糧食安全。

表2 玉米儲存一年后品質變化

4 結論

利用水源熱泵制冷系統進行控溫儲糧效果良好,與傳統風冷和水冷機相比,該系統通過抽取溫度較低的河水于制冷設備進行熱交換,有利于降溫保水,降低能源消耗,減少制冷劑的使用污染。全年玉米儲藏期間僅熏蒸一次,且品質指標保持良好,說明控溫儲藏有利于降低熏蒸用藥量,減緩糧食品質劣變速率,保證儲糧安全。

需注意和改進方面:水源熱泵制冷系統采用抽取地表水方式,對水質要求高,需建立完善的凈化系統,保證水質穩定和制冷設備的使用壽命及制冷效果。由于表層控溫制冷系統的控溫內機安裝于倉內,為避免磷化氫氣體腐蝕設備,采用膜下熏蒸最佳,不適宜全倉熏蒸。