南亚热带地区稻谷立筒仓智能化降温通风试验

韩志强 林 乾 陈 亮 李兴军 吴子丹，3 何东升 王丽娜 吴晓明

(广州岭南穗粮谷物股份有限公司1，广州 510800)(国家粮食局科学研究院2，北京 100037)(吉林大学生物与农业工程学院3，长春 130024)(天津市明伦电子科技有限公司4，天津 300384)

钢筋混凝土立筒仓占地少，便于实现机械化和自动化操作，工作效率高，节省劳动力及减轻劳动强度；同时具备良好的密闭、防虫鼠及防火性能。但立筒仓因粮堆厚，自动分级明显，粮堆组成成分不均匀，粮层阻力大[1-3]。特别在南方沿海亚热带地区，冬季低温时期较短，可通风时机不多，如何及时把握低温时机进行降温通风是我国粮食智能化机械通风研究的重要内容之一。

广州市粮食集团下属企业广州岭南穗粮谷物股份有限公司地处珠江出海口西岸，濒临南海，北回归线以南，属南亚热带海洋性季风气候，12月下旬至次年2月上旬平均气温10 ℃，最低温度6～7 ℃。如何利用这种自然的低温空气降低稻谷立筒仓粮温，本研究采用国家粮食局科学研究院近年研发的我国稻谷平衡水分数据[4]及拟合方程[5]，以及与天津市明伦电子技术有限公司合作研发的智能化机械通风系统，试验南亚热带地区稻谷立筒仓智能化降温通风，以期对我国粮库智能化建设有促进作用。

1 材料与方法

1.1 仓房条件及通风方法

广州岭南穗粮谷物股份有限公司6栋稻谷立筒仓2013年新建，内直径10 m，高22.3 m (其中下锥体高5.1 m，圆柱体高17.2 m)，墙体厚度20 cm，每仓仓容650 t，每仓内体积1483.65 m3。沿锥斗放射状布置卧式风道，单仓四条风道，地上笼开孔率30%。试验仓房及稻谷粮情如表1所示，装粮高度11 m。

表1 实验稻谷立筒仓基本情况

将离心风机安装在试验仓房底部通风口上，采用正压压入式通风。打开天窗，启动风机后外界的冷空气由通风口进入，由下而上经过粮层，再由天窗排出仓外。智能化通风立筒仓选取501号和301号，使用的离心风机功率型号YX-90L-2 (2.2 kW)、YX-132S1-2 (5.5 kW)，它们的风管直径各是320 mm和400 mm； 进风口风压465和1520 Pa； 风量3 040和5 881 m3·h-1；风速10.5 m·s-1和13 m·s-1。对照仓302号的离心风机功率型号是4-72-5A (15 kW)。风机2.2、5.5 kW及15 kW的转速各是2 840、2 900、2 900 r/min。

智能化通风系统由粮堆平衡绝对湿度曲线图及露点查定软件、粮情检测系统、风机控制系统组成，采用了数字温度传感器、计算机网络技术、粮情检测技术及储粮通风控制技术[6]。在通风过程中，系统实时跟踪粮堆与大气温湿度变化，依据“储粮通风窗口模型”判断分析(图1)，控制通风作业的开启与关闭。该粮库地处南亚热带，按机械通风储粮技术规程(LS/T 1202—2002)规定，允许降温通风的条件：粮堆温度(tg)-大气温度(ta)≥3 ℃，粮堆平衡绝对湿度(EAHg)≤大气平衡绝对湿度(AHa)，风机就被启动。如图1所示，根据稻谷粮食状态点A(★)、吸附湿度线和RH=100%饱和湿度线确定降温通风窗口区域，大气状态点(◆)可在BCDFG窗口区域移动。粮堆平衡绝对湿度，即粮堆湿含量，单位是g·m-3或者毫米汞柱[8]。

图1 通风窗口区

1.2 测定指标及方法

1.2.1 粮堆温度

智能化粮情检测系统检测大气温度和相对湿度、仓温仓湿，还有粮堆各点的温度。在智能化通风仓房501号和301号仓中，沿着粮堆中心和距离中心3 m布置2组测温电缆，纵深每隔1 m为一层，11层共计21个点的粮堆温度。对照302号仓沿着粮堆中心和距离中心3 m共布置3组测温电缆，纵深每隔1 m为一层，11层共计31个点的粮堆温度。

1.2.2 单位通风效率计算

1.2.3 粮堆水分及稻谷出米率、加工品质

在智能化降温通风之前，单仓粮堆扦样是在粮面取5个点，每个点纵深每隔1 m取一样，共计50个样品。智能化降温通风结束后，单仓沿着粮面中心纵深每隔1 m取一样，共10个样品。样品含水率采用国标GB 5497—1985和LDS-1G 谷物水分测定仪测定。出米率测定采用LTJM—2008精米机。稻谷加工品质测定采用JMWT12大米外观品质检测仪。

1.3 数据处理

采用随机区组试验设计，同一数据三个平行测定，数据以平均值±标准差表示。LSD检验中同一列不相同小写字母表示样品之间差异显著(P<0.05)。

2 结果分析

2.1 稻谷立筒仓智能化降温通风期间粮堆温度变化

图2 智能化降温通风期间大气温湿度和试验仓仓湿的变化

图2显示了智能化机械通风期间大气温湿度和仓湿的变化。本次试验期间(1月11日～2月7日)，智能化粮情巡检系统记录的大气温度和相对湿度(RH)及智能化通风仓501号和301号的仓湿大多数在夜间。1月14日～1月26日期间，大气夜间温度在18 ℃左右变动，1月26日之后，大气温度低于15 ℃。1月11日～2月7日期间301号仓的RH始终低于60%，而501号仓的RH在1月28日～2月6日期间高于60%。这可能是由于301仓采用5.5 kW的离心风机，与501号仓2.2 kW的离心风机比较，容易将粮面湿空气吹走。

图3是501号仓降温通风期间粮堆温度的变化。稻谷501号立筒仓采用2.2 kW的离心风机智能化通风，在1月23日～2月7日期间降低粮堆均温。且1月16日～2月7日期间粮堆最高与最低温度之差平均4.1 ℃。此通风系统抓住了降温通风时机，快速地将粮堆均温降到12.4 ℃，且整个粮堆温度差小而湿热分布均匀。尽管1月19日～2月1日夜间大气相对湿度高于70%，但是采用小功率的离心风机通风，粮堆平均水分保持不变，且从粮堆底部到粮面，相邻两层之间的水分之差为0.12%～0.70%。

通风结束时(2月7)，501号仓的顶层(1 m)、中间层(5 m)、底层(10 m)的平均温度分别是12.3、13.4 ℃及10.6 ℃，底层与顶层温度之差显著低于我国粮食机械通风技术规程行业标准(LS/T 1202—2002)规定的浅圆仓10 ℃。这表明粮堆湿热分布均匀，无水分迁移现象发生，与粮堆扦样水分检测的结果是一致的。

图3 智能化降温通风期间501号仓(2.2 kW风机)粮堆温度变化

图4是301仓降温通风期间粮堆温度的变化。采用5.5 kW的离心风机智能化降温通风，在1月22日～2月2日期间降低粮堆均温。且1月16日～2月2日期间粮堆最高与最低温度之差平均3.2 ℃。此智能化通风控制系统抓住了降温通风时机，快速地将粮堆温度降到13.8 ℃，且整个粮堆温度差小而湿热分布均匀。1月19日～2月1日夜间大气相对湿度高于70%，粮堆平均水分不显著地增加了0.2%，且从粮堆底部到粮面，相邻两层之间的水分之差为0.04%～0.88%。通风结束时(2月2)，301仓的顶层(1 m)、中间层(5 m)、底层(10 m)的平均温度分别是13.0、15.1 ℃及11.5 ℃。

图4 智能化降温通风期间301仓(5.5 kW风机)粮堆温度变化

图5是试验对照仓302降温通风期间粮堆温度的变化。采用15 kW的离心风机12月初、1月下旬各降温通风一次，每次风机运转20 h，2月5日粮堆最高、最低及平均温度各是20.2 ℃、15.6 ℃及18.0 ℃；粮堆顶层(1 m)、中间层(5 m)、底层(10 m)的平均温度分别是16.8 ℃、18.9 ℃及18.0 ℃。

图6是501号仓和301号仓降温通风期间粮堆平均温度与大气温度的比较。从1月16日至2月7日之间，大气温度由21.8 ℃降到12 ℃，采用5.5 kW离心风机的301号仓粮堆降温速率快于采用2.2 kW离心风机的501号仓。表2和表3是两个智能化降温通风试验仓风机运转时数。采用智能化通风控制系统，301号仓粮堆平均温度由19.2 ℃降到13.8 ℃，风机运转了72.9 h；501号仓粮堆平均温度由20.9 ℃降到12.4 ℃，风机运转了148.6 h。

图5 冬季降温通风期间对照仓(302号)粮堆温度变化

图6 智能化降温通风期间两个仓粮堆平均温度与气温变化

表2 稻谷立筒仓301号5.5 kW离心风机运行时间

表3 稻谷立筒仓501号2.2 kW离心风机运行时间

2.2 稻谷立筒仓智能化降温通风效果

2.2.1 降温通风能耗

从表4看出，装粮高度11 m的稻谷立筒仓(约650 t)，分别采用5.5 kW和2.2 kW的离心风机上行式智能化降温通风，风机运转主要在夜间，在同样大气温度和相对湿度条件下，当粮堆与大气温差较小时，5.5 kW离心风机较2.2 kW的离心风机对粮堆降温快。当大气温度越低，粮堆与大气温差较大时，且通风窗口期足够长的情况下，不同功率离心风机对立筒仓稻谷柱形粮堆的降温速率是一样的。采用5.5 kW和2.2 kW离心风机的单位能耗，分别是0.087和0.047 kWh t-1℃-1。尤其是采用2.2 kW离心风机的单位能耗远远低于对照仓房302单位能耗0.351 kWh t-1℃-1，有效地利用了南亚热带地区夜间低温空气和低价格的电能。

表4 稻谷立筒仓智能化降温通风效果

2.2.2 粮堆水分变化

智能化降温机械通风前后，稻谷501立筒仓粮堆平均含水率保持不变，且各层水分分布均匀(表5)。而稻谷301立筒仓粮堆平均含水率不显著地增加了0.2%，各层水分也分布均匀(表6)。对照仓房302号立筒仓粮堆平均水分减少了0.06%，各层水分分布均匀(表7)。

表5 稻谷501号立筒仓智能化降温通风前后粮堆含水率

注：采用“十”字形扦样，1A是粮面中心点，2A、3A、4A及5A各距离中心点4.5 m。以下同。

表6 稻谷301号立筒仓智能化降温通风前后粮堆含水率

表7 稻谷302号立筒仓1月和2月粮堆含水率/%

2.2.3 稻谷加工品质

进一步分析稻谷加工品质，如表8～表9，与对照仓房302立筒仓内稻谷比较，智能化降温通风仓301、501内稻谷出米率均呈现增加趋势，增加不显著。籽粒长宽比增加，不完善率、黄粒米率、垩白度呈现减少趋势。

表8 稻谷立筒仓智能化降温通风前后

3 讨论与结论

到20世纪 60 年代中期，在湿热气候如澳大利亚、巴西、印度、以色列也试验降温通风技术，充分利用亚热带地区冬季和夜间的阴凉，冬季冷却的粮堆能够保持低温几个月，延续到次年夏季[7-9]。降温通风技术在亚热带一些国家已经成为常规储粮技术[7]。我国许多学者认为南方沿海高温高湿地区无雪无霜，如何在有限的低温期快速降低粮温，确保立筒仓储粮安全过冬是一难题。谢维治等[2]在2009年11月5～22日期间对珠海库中3栋1 000 t玉米立筒仓采用3 kW的离心风机进行人工控制的吸出式降温通风，降低温度3.5～5.2 ℃，单位能耗是0.123～0.254 kW h t-1℃-1。本研究在2018年1月16日～2月7日期间对广州南沙区2栋650 t稻谷立筒仓采用2.2～5.5 kW的离心风机进行智能化的压入式降温通风，降低温度5.6～8.5 ℃，单位能耗是0.047～0.087 kWh t-1℃-1，与当地人工控制的吸出式降温通风单位能耗(0.127 kWh t-1℃-1)比较，显著节约电能54%～75%。基于稻谷CAE方程和降温通风窗口模型的智能化通风系统，可充分利用广州地区冬季(约2个月)最低温度(6～7 ℃)，把粮堆冷却下来。

稻谷冬季降温通风是粮堆放热过程，本研究中智能化通风风机共计运转72.9 h或148.6 h，经历了20多天或1个月，每天循环发生粮堆放热-静止平衡这一过程，与大功率风机比较粮堆放热过程不剧烈，对籽粒胁迫作用小，籽粒品质指标变化小。

本研究的结论是，与15 kW离心风机比较，在广州南沙区稻谷立筒仓，冬季智能化降温通风采用2.2 kW和5.5 kW的离心风机显著节省了耗电，充分利用了夜间低电价。在同样大气温度和相对湿度条件下，当粮堆与大气温差较小时，5.5 kW的风机降低稻谷柱形粮堆的温度快于2.2 kW的风机。但是大气温度越低，粮堆与大气温差较大时，且通风窗口期足够长的情况下，不同功率离心风机对立筒仓稻谷柱形粮堆的降温速率是一样的，从节约能耗的角度考虑尽可能选择小功率风机。

表9 稻谷立筒仓智能化降温通风前后加工品质变化

注：同一列相同小写字母表示通风前后样品差异不显著。划线表示测试指标有改善的趋势或改善显著。