山东农作物种质资源中期库制冷系统设计与建设

李湛　张晓冬　李润芳　王栋　刘世华　李娜娜　丁汉凤

摘要：农作物种质资源是新品种选育的物质基础，是事关粮食生产、生态安全与农业可持续发展的战略资源。建设科学、环保、节能的中期库对于种质资源保护至关重要。由于中期库建设涉及学科广且没有统一的设计规范，因此其建设与应用困难重重。本文从中期库制冷系统关键参数入手，计算了省级中期库制冷负荷，确定了关键系统方案，并根据计算结果与设计方案，探讨了中期库设备选型，同时对库体及监测系统的构建提出了具体要求，以期为种质库的设计和设备选型提供参考与借鉴。

关键词：农作物；种质资源；中期库；制冷负荷；设备选型；山东

中图分类号：S502.4文献标识号：A文章编号：1001-4942（2014）12-0011-04

农作物种质资源是宝贵的基因资源、遗传资源，既包括地方品种和育成品种，也包括重要遗传材料和野生近缘植物。低温种质库是种质资源保存的主要途径之一，其保存的种质材料属于耐低温、耐干燥的正常型种子[1]。美国于1958年在科罗拉多州建成的“美国国家种质库”是世界上第一座现代种质库。至2010年底，全世界已建成了1 750多座种质库，共保存740多万份农作物种质资源[2]。1986年，中国农业科学院建成了库容为40万份的国家作物种质库；2002年，“国家农作物种质保存中心”建成并投入使用，贮存容量为60万份以上，其主要任务是负责作物种质资源的中期保存与分发利用[3]。2010年，山东省农作物种质资源中心建成了库容为20万份的低温种质库，该库的投入使用为山东农作物种质资源的保存和研究提供了重要的条件平台。

中期库是保存应用收集品材料的低温种质库，贮存温度-4～4℃，相对湿度<65%，种质含水量6%±2%，贮存寿命10～20年[1，4]。中期库的主要任务是种质收集、鉴定、编目保存、分发交换、繁殖更新及信息汇编，并对接长期库和短期库，因此，中期库是种质资源非原生境保护的重要方式之一。中期库建设是一项涉及多学科的系统工程，目前国内外还没有统一的设计标准与规范，特别是关于制冷系统设计建设的研究更是鲜见报道。针对这一问题，本文从设计角度出发，对山东农作物种质资源中期库的制冷参数进行了理论计算，并结合计算结果对中期库建设的具体要求进行了系统论述，旨在为中期库建设提供理论参考和实践指导。

1制冷负荷参数的确定与计算

制冷系统是中期库的核心部分，其制冷和除湿性能的优劣决定了种质资源保存时间的长短，因此，需要根据中期库的建设规模和当地环境对系统参数进行科学计算，以便选用合理的制冷设备。

1.1制冷负荷参数确定

中期库的制冷负荷是指在单位时间内从库房内移走的热量。根据热源的不同，库房的热量来源由以下五项组成[5]：

Φ1=围护结构传热量（W）

Φ2=货物（种质资源）热量（W）

Φ3=通风换气热量（W）

Φ4=电动机运转热量（W）

Φ5=操作热量（W）

由于能量平衡，中期库制冷负荷等于热源负荷，即：

式中，Φs为中期库冷却设备的制冷负荷，单位W；P为负荷系数；Φ1～Φ5计算公式如表1所示。

1.2制冷负荷参数计算

根据《实用制冷与空调工程手册》[6]，可得济南室外设计参数如下：

室外计算干球温度：夏季空气调节日平均温度tw=34.8℃；室外计算湿球温度：历年平均不保证50 h的湿球温度26.7℃。山东中期库库内平均温度-5℃，室外散热温度45℃，净容积180 m3，负荷系数1.3，由式（1）及表1的公式计算得山东中期库冷却设备制冷负荷Φs=9.04 kW。

2制冷除湿方案与设备选型

2.1制冷方案选择

机组制冷主要有风冷和水冷两种方式[7]，风冷方式由于造价低、维护简单、安装方便等原因，已经成为国内外种质库的首选制冷方式[8]。此外，在选择风冷机组时，制冷剂的选择也至关重要，优选R404A、R410A、R134A等环保型制冷剂，禁用R502、R12、R22等制冷剂[9]。若中期库建在居民文教区，其设计标准参照GB-12348《工业企业厂界环境噪声排放标准》执行。

2.2除湿方案选择

目前国内外种质库采用的除湿技术包括：轮转除湿、冷冻热回收除湿、电加热除湿、化学溶液除湿、热氟回收除湿等[7]。相比而言，冷冻热回收除湿系统采用无级热流量控制方式，温湿度联合控制，可根据库内温度变化，无级调节冷凝器的加热量，节能效果明显。考虑到高温高湿或长期停机再启时的恶劣工况，系统应设计适合恶劣工况条件的化霜频率及自动控制程序，当达到设计要求时自动切换到标准程序运行。冷冻热回收除湿方式耗能小，不需要大功率再生电加热，装机功率仅为其他形式的20%，节能优势明显。与此同时，该方式使用寿命长，易损部件造价低，更换成本小，维护简便，因此，投资相对较少，具有明显的成本优势[10]。

2.3设备选型

考虑长期运转、设备寿命及设计制冷量等问题，山东中期库每库配备制冷机2台（1用1备），每台制冷量要求为理论制冷负荷的1.56倍，即为14.1 kW，此外必须保证系统设备的寿命不低于20年。山东中期库选用的制冷除湿机型号为尤尼布FM0100D，主机选用美优乐MTZ100型，温湿度控制器及传感器为意大利伊利威生产，电气元件由法国施耐德生产，冷媒采用R404A环保制冷剂。根据制冷机容量，风机干燥风量配套为4 500 m3/h，总装机功率46 kW。最终实现中期库库温（-4±2）℃，相对湿度≤45%，完全满足种质资源中期保存的要求。

3库体构建

3.1保温构建

中期库库体包括墙体与地坪，为减少库体内外热量交换、保持稳定的库内温度，同时减少能源消耗，必须做好库体的保温构建。根据山东中期库的设计要求与实际情况，库板选用150 mm硬质聚氨酯泡沫板，密度41 kg/m3，导热系数0.022 W/（m·K），吸水率2.4% （V/V）；库板内层表面为不锈钢，外层表面为聚酯涂层彩钢板，彩钢板基板热镀锌，涂层干膜总厚度≥25 μm，聚酯涂层厚度≥20 μm，钢板厚度≥0.6 mm。地坪使用挤出型聚苯乙烯板（XPS）作为隔热材料，3层错缝铺设，设上下双层防潮层。XPS板厚度150 mm，抗压度353 kPa，吸水率0.5%（V/V）。板面平整，无碰伤、划痕、凹凸坑和翅曲现象。保温夹层与面板粘结均匀牢固，无穿透性空洞和局部断裂现象。

3.2密封构建

在做好中期库保温构建的同时也需做好密封构建。山东中期库每个标准门均装有单转轴（铰链门），开关灵活、无变形、密封良好，同时加装电热线以防结露和冻粘。接缝处板间错位不大于2 mm，库体每个表面对角线之差不大于理论值的1.5‰，保证接缝严密可靠。地坪保温材料与立板接缝处浇筑PU料密封，无毒、耐老化、耐低温、有良好的弹性和隔热隔潮性能。库内地面铺设钢筋混凝土层，并符合围护结构密封处理标准。

4计算机监测系统构建

中期库监测分为人工与智能两种方式[7]，人工监测需工作人员实时在线工作，并根据现场数据进行相关调控操作，因此不仅浪费人力物力而且调控效率低，有时会出现调控延误。山东中期库采用智能监控方式，即构建计算机监测系统，实时对库内温度、湿度进行调控，工作连续、稳定、可靠。该库配备温湿度运行显示、故障报警显示、打印存储数据等功能的硬件和软件系统。温湿度调控采用意大利伊利威温湿度转化系统，温度控制精度优于满刻度的0.5%，湿度控制精度为3%。

5结语

山东农作物种质资源中期库建设有力地推动了全省种质资源的保存及研究工作，该库的建设是涉及能源、材料、机械等多学科的专业性系统工程。本文计算了制冷系统参数并探讨了设备选型，主要结论如下：

（1）制冷系统是中期库的核心部分，需要根据中期库建设规模和当地环境，对系统重要参数进行科学计算。根据济南市的环境参数，山东中期库的室外散热温度45℃，库内设定温度-5℃，净容积180 m3，计算得制冷负荷为9.04 kW。

（2）考虑系统节能性、经济性、环保性，山东中期库选用风冷方式，采用冷冻热回收除湿和无级热流量控制，可根据工况条件自动切换运行程序。

（3）设备制冷量要求为理论制冷负荷的1.56倍，即为14.1 kW。为此，制冷除湿机选用尤尼布FM0100D型，主机选用美优乐MTZ100型，其他控制及监测部件均为国外进口，提高了系统使用寿命，最终实现了中期库库温（-4±2）℃，相对湿度≤45%。

（4）做好中期库的保温构建和密封构建，配合使用智能监控系统，可以减少库体、地坪与外界的热量交换，稳定库内温度，提高调控效率，减少资源浪费。

参考文献：

[1]

卢新雄，陈叔平，刘旭，等.农作物种质资源保存技术规程[M].北京：中国农业出版社，2008.

[2]王述民，李立会，黎裕，等.中国粮食和农业植物遗传资源状况报告（Ⅰ）[J].植物遗传资源学报，2011，12（1）：1-12.

[3]卢新雄.农业种质库的设计与建设要求探讨[J].农业工程学报，2003，19（6）：252-255.

[4]FAO/IPGRI. Genebank Standards[M].Bioversity Znternational，Rome，1994.

[5]李明忠，聂玉强.中小型冷库技术[M].上海：上海交通大学出版社，2008.

[6]尉迟斌.实用制冷与空调工程手册[M].北京：机械工业出版社，2001.

[7]郭颖荷，卢新雄，彭高军.中国低温种质库建造技术调查分析[J].农业工程学报，2005，21（4）：186-190.

[8]刘忠玲，陈士林，张少发，等.国家药用植物种质资源库建设技术分析[J].世界科学技术—中医药现代化，2007，9（5）：72-76.

[9]卢新雄.植物种质资源库的设计与建设要求[J].植物学通报，2006，23（1）：119-125.

[10]梁才航.膜法全热回收制冷除湿系统的数值模拟与实验研究[D].广州：华南理工大学，2010.