地源热泵技术在储粮领域的应用前景

    一、我国储粮的现状和发展新型储粮技术的必要性

    粮食是人类赖以生存和发展的基本生活资料，是关系国计民生的战略物资，在人民生活和国民经济发展中，具有特殊的地位和作用。而由于其在储藏过程中常遭受虫、霉、鼠等有害生物的侵害，造成重量和质量的损失以外，还受熏蒸杀虫剂等化学因素影响，使粮食或多或少带有一定量的药剂残留，造成化学污染。我国国家储备粮具有以下特点：以原粮为主，主要种类为小麦、稻谷、玉米、大豆和植物油：储藏时问较长，一般2—5年；储藏地域条什多样，粮库遍布全国，气候多样；仓储设施和技术条件有了较大的改善，但流通(特别是运输)技术较为落后。因此。储藏期问减少储粮损失和保持储粮品质难度较大，储藏安全隐患较多，储粮期问防治虫霉多依赖于化学药荆，使得粮食杀虫剂污染风险增大，难以满足绿色粮油食品生产的需求。

    随着社会的进步和物质生活水平的不断提高，人们对绿色、无公害、无污染的、营养价值高的粮油食品的需求日趋迫切。因此，实施绿色储粮具有极其重要的意义。它不仅是社会发展的需要，也是粮食储藏发展和人们生活水平提高的需要，是确保储粮安全、卫生、环保的必然选择。

    二、影响粮食安全储藏的因素

    1、 清洁卫生

    保持粮食清洁对粮食的安全保管有很大的好处。粮食在收获以后，应尽量利用风车过筛等方法，除去混在粮食中的杂物，使粮食含有的草籽、破碎粒、干瘪粒、土粒、石屑和害虫等杂物尽量减少。这是因为完整、健康的粮粒有较强的生命力，对虫、霉有一定的抵抗力，而破损的不健康粒则没有这种抵抗力，容易吸湿返潮、滋生害虫、生长霉菌，所以粮食破损多，含杂多，水分高就会给生霉长虫造成一个有利的环境，而健康清洁的粮食就可以减少或避免这种不利保管的因素。装粮容器的清洁卫生，也是十分重要的，因为容器不干净，残余的粮食、杂质、害虫自然会污染粮食，使粮食生虫长霉,所以要认真清洁一切装粮、运粮的容器，清除其中的残余粮食、杂质、害虫等杂物。

    2、 干燥

    粮食的干燥是保证粮食安全保管的重要条件。干燥的粮食容易保管；不易生虫生霉；可以延缓陈化作用、减少损失、保持粮食的营养和食用品质。而湿粮则容易生虫生霉变质结块，甚至完全不能使用。为了确保粮食的安全，农村家庭的储粮应尽量晒干后再进行储藏。

    粮食的干燥程度用粮食含水量（也叫粮食水分）来表示，含水量大的粮食湿，含水量少的粮食干。粮食的含水量以百分数来表示，就是100份粮食中含水的份数。如12％水分的小麦就是说50千克的小麦含有6千克水；13％水分的稻谷，即是说50千克稻谷中含有6.5千克水。

    在实际粮食保管的条件下每种粮食的安全水分标准只有一个，就是将在正常保管的条件下,能保证粮食安全度过夏季高温的最高水分，作为这种粮食的安全水分标准，储粮只要不超过这种粮食的安全水分标准，在正常条件下，全年储粮都是安全的。

    3、低温

    温度是影响粮油安全储藏的重要因素。粮堆内的害虫、微生物、粮粒等生物成份在水分和氧气条件适宜的情况下，还必须在一定的温度范围内才能进行正常的生命活动。如果在不冻坏粮食的情况下，采取不同方式降低储粮温度，就能抑制粮堆内各种生物成份旺盛的生命活动，减少粮食在储藏期间干物质的损耗，同时最大限度地保持粮食原有品质，延缓储粮陈化速度，因此低温技术是一种最为理想的绿色储粮技术。

    三、绿色储粮技术的发展历程

    绿色储粮技术是指，在粮食储藏期间，所采用的任一技术应满足绿色食品生产需要，这些技术的总称为绿色储粮技术。

    绿色储粮技术包括：低温准低温储粮技术，低温和高温杀虫技术，辐照杀虫技术、气调储粮技术、生物防治技术和清洁卫生防治技术等。

    低温和准低温储粮技术主要应用于保持粮食品质，使储粮长期处于低温和准低温状态。低温储藏是指，粮堆平均温度常年保持在15℃及以下，局部最高粮不高于20℃的储藏方式。准低温储藏是指，粮堆平均粮温常年保持在20℃及以下，局部最高粮温不高于25℃的储藏方式。常规储藏是指，在自然气候条件下，对储藏的粮油采取清洁卫生、自然通风、定期检测粮情等一般技术处理和常规管理措施的储藏方法。

    当粮温低于-4℃时害虫可在短期内死亡；粮温在4℃～8℃之问时，害虫处于冷麻痹状态；粮温在8"C～15"C之间时，害虫停止活动。15℃～20℃准低温条件可以抑制某些害虫的种群发展，也可取得一定额度防治效果。

    低温储粮的历史非常悠久，是目前全世界公认的最为安全、可靠、合理、符合绿色环保要求的储粮技术，是确保粮食安全储藏和品质保鲜的最重要方式，也是最有发展前途的绿色生态储粮技术。其不但可以延缓粮食陈化，具有一定的保鲜作用，而且是目前国内外应用最广泛的病虫害防治方法。低温储粮技术是使一定温度、湿度的冷空气，在穿过粮堆时与粮食进行热湿交换，使储藏过程中将平均粮温控制在15℃以下，从而降低粮堆的呼吸强度，抑制害虫和微生物生长，减少粮食损失，延缓品质陈化和劣变，同时在一定程度上控制仓内粮食水分损失，在少用或不用有害药剂熏蒸，达到安全、保鲜、生态储存粮食的目的。研究表明：温度降低10℃，食用粮的生化反应速度就减少一半；粮食保持一定的活力：在t=O～50 ℃范围内，每降低5℃，种子的寿命增加一倍。一般环境温度为8℃ ～15℃时，是储粮害虫生命活动的最低界限，如果低于此温度，害虫就不能发育和繁殖；如温度低于8℃ ～ -4℃ ，害虫就处于冷麻痹状态；如果该温度持续的时间很久，害虫就可能致死。如果温度低于一4℃，达到破坏害虫体内的细胞结构时，害虫则致死。

    在国外，日本是最早使用低温储粮技术的国家，1951年建成第一座空调低温仓，到1976年，已建成1527座低温仓，储粮190万吨（占日本全国总仓容的19%），2006年已发展到储粮710万吨（占总仓容的84%），基本实现了稻谷大米储藏的低温化。此外日本还成功的利用海底低温水下储藏技术储存粮食，并且是唯一掌握这项技术的国家。德国在1958年成功开发出了机械制冷低温储粮专用设备---谷物冷却机并投入工业化生产和推广应用，而今，机械制冷低温储粮技术被德国粮食仓储业普遍采用，完全替代了化学药剂的使用。此外，在英、法、西班牙等西欧国家，该技术也广泛的应用。

    低温储藏技术虽然是一种优越的、高效的绿色生态储藏技术，但在我国由于受到地域环境、使用成本瓶颈的限制，在粮食仓储行业中，推广运用低温储粮的技术还存在很大差距。我国近年来对于低温储藏技术也进行了大量的研究，其发展成果主要包括：采用机械通风降温技术，充分利用自然冷空气这一重要资源，取得较好的低温储藏效果。但是这一技术往往受到地域条件、季节时期的限制，只能作为阶段性的储粮技术；控温储粮技术，强调对于储粮设施的隔热性、保温性的改造，从而延缓粮温的升高趋势，但这也难以阻止粮温整体升高的态势，特别是在高温储粮区域效果也不明显；采用谷物冷却机、空调等制冷设备，具有明显的降温、控温特点，可确保粮食处于低温或准低温状态。但使用时，耗电成本比较高，难以广泛推广使用。

    目前我国最常采用的低温储备技术主要是利用谷物冷却机给粮仓制冷。谷物冷却机是制冷技术、通风技术、自控技术在谷物冷藏中的综合应用。谷物冷却机由制冷系统(压缩机、蒸发器、冷凝器、后加热装置、干燥器)、空气过滤器、离心风机、可编程控制系统、移动箱体等组成。其工作原理如下：向仓库内吹入经过冷却和湿度调节的适合所存放谷物特性的一定温度和湿度的空气，实现谷物的低温储藏。即被离心风机吸入的空气经过网滤滤去杂物，在流经蒸发器时进行热交换后被冷却，冷却程度按设定的出风温度自动控制。当被制冷的空气的相对湿度超过设定值时，由后加热装置加热，使湿冷空气升温，从而降低其相对湿度，通过自动控制，将温度、湿度均符合设定要求的空气由离心风机送入粮库风网，进入谷物堆。

图1 谷物冷却机

图2谷物冷却机工作原理图

    但其耗电成本过高的缺点使该技术逐渐被放弃，能否寻找到一种普遍存在，并且运行费用低廉的夏季冷源便成为低温储粮技术大规模推广的关键。

    四、使用地源热泵储粮的原理和可行性

    地热能是一种来自地球内部的清洁的可再生能源。地热能按照构造成因，温度等级，埋藏深度，水热传输方式等的不同，可以划分成不同类型。例如按温度等级，可分为高温地热资源（>150℃），中温地热资源（90-150℃）和低温地热资源（<90℃）；按埋藏深度的不同，可分为浅层地热资源（<400m）和深层地热资源（>400m）；按热传输方式，可分为传导型地热资源和对流型地热资源。地热资源是指在当前技术经济条件下具备开发利用价值的地球内部的热能资源，浅层地热能又名浅层地温能，是指地表以下一般至200 米深度范围内的资源。

图3 地源热泵系统原理图

    目前主要是通过地源热泵技术将赋存于地层中的低品位热源转化为可以利用的高品位热源，可为民用或公共建筑提供供暖、制冷以及生活热水。地源热泵（简称GSHP）是一种利用地下浅层低温地热资源（地下岩石、土壤、地下水或地表水）的既可供热又可制冷同时还可提供生活热水的高效节能热泵系统。《地源热泵系统工程技术规范》(GB 50366-2005)规定地源热泵系统的定义是：以岩土体、地下水或地表水为低温热源，由水源热泵机组、地热能交换系统、建筑物内系统组成的供热空调系统。根据地热能交换系统形式的不同，地源热泵系统分为地埋管地源热泵系统、地下水地源热泵系统和地表水地源热泵系统。地源热泵技术除了我们熟知的供暖、制冷和提供生活热水功能外，在粮食储备领域的应用效果也非常理想。

    地源热泵技术是利用少量的电能，提取地层中大量的冷量加以利用。地源热泵低温储粮系统的工作原理就是利用地源热泵机组和系统，将地下或水体中所蓄存的冷气资源提取出来，经过设备的二次降温处理，最低可将粮温降至10℃（只要温度低于15℃即为标准低温要求）。浅层地热能具有分布广，储量大等特点，是取之不尽用之不竭的低温能源，利用价值大，是一种环保、可持续发展的低温资源，而粮仓周围一般都有足够的土地面供地源热泵系统的地下采集系统（通过地埋管或直接抽取/回灌地下水采能）采集浅层地能使用，因此，它的应用可为全国各地储粮工作带来长远持续的发展动力。据已投入应用的项目数据反映，地源热泵比空调、谷冷机等制冷设备可节省耗电量60-70%，这就为使用制冷设备所带来的低温运行成本瓶颈得到了很好的解决措施，从而使大规模推广应用低温储粮技术成为可能。

    五、成功案例：将军山粮食储备库地源热泵降温系统应用实例

    南京市江宁区将军山粮食储备库12号仓，建于2006年，长24米，跨度27米，堆粮高度6米，地上笼通风道，2个通风口，单侧通风。仓房墙体厚度40厘米，空心砖，单层人字形屋顶，保温层为15厘米厚的蛭石。仓房为钢架结构，无吊顶，粮面无压盖。试验粳稻粮情见表1。

表1　试验粳稻情况统计表

安装的地源热泵通风降温系统由四川生产。主要由地热能地下采集系统（PE管）、能量转化系统（地源热泵主机）、冷媒循环系统和回风管道系统四个部分组成。地源热泵降温系统见示意图4。

图4 地源热泵降温系统示意图

1、地源热泵地下采集系统：根据当地地质条件，选用了地埋管这种浅层地能采集方式，单孔钻深30m，孔径200mm，孔内安装浅层地热能专用采集管，采集温度最低18℃，实测供回水最大温差4℃。

2、能量转化系统：浅层地能被采集后，提供给制冷系统降温。

3、冷媒循环系统：主机的冷风出口与粮仓的地上笼通风口连接，冷风从下至上穿透粮堆并吸收粮食热量，冷风因吸收了粮食热量温度升高，通过冷藏系统的回风管道重新被抽回到主机里，冷风在主机里将粮食热量传递给制冷剂，然后冷风温度被降低后又被送入粮堆吸收热量，循环降温。

4、回风管道系统：采用镀锌钢板制作，口径：480mm×480mm，外贴30mm厚保温板，最外层粘贴铝箔纸用于反射太阳辐射热量；水管道系统高压输水管道和DN 50快速拆卸式接口，便于机组的移动和拆卸。

    接入地源热泵降温系统方法：对12号仓墙体进行改造，该回风管道系统，形成浅层地能降温系统的回风口，将浅层地能降温系统的出风口与仓库的机械通风口连接，再将回风管道与浅层地能降温系统回风口连接；将采集浅层地能的管道的进、出水口与浅层地能降温系统的出、进水口连接，使水源可以循环冷却和使用。机组连接方式见示意图5。

图5 机组连接示意图

    通过监测结果分析：将军山粮库12号仓2台浅层地能降温系统机组2012年6月8日15:00开机试验，开机电表读数为26025kW·h；中途停机10h；2012年6月13日15:00最后关机，关机电表读数为28310 kW·h；经过此次浅层地能降温系统运行后，试验仓由初始平均粮温20.2℃，降为15.2℃，降幅为5℃，单位能耗为0.1560 kW·h /（℃·t）。12号试验仓降温前后温度变化情况见表2。

表2　12号仓浅层地能降温前后对比情况表（单位：℃）

    从表2可以看出，粮堆表层温度下降幅度最大为8.1℃。浅层地能降温系统有效降低了仓温和粮堆表层温度，使储粮常年保持在低温之下，延缓了粮食的品质劣变速度，有利于粮食保质保鲜，从而实现粮库“绿色储粮”。整仓降温趋势平缓，降幅为0.04℃/h，很大程度地减少了因降温速度过快而影响粮食品质变化的可能，从而达到了最好的降温效果。

根据多年实践经验，谷物冷却机在第五储粮生态区应用时，其实际使用能耗为0.58 kW·h /（t·℃）/（t·℃）～0.85 kW·h /（t·℃）。此次实仓试验地源热泵低温储粮技术的单位能耗仅为0.156 kW·h /（t·℃），若改造仓房隔热条件，增强仓房保温性能，夏季能将低温保持时间提高至20d，则全年能耗有望继续降低。相比于谷物冷却机的单位能耗，地源热泵降温系统节能效果非常显著。

    另外，位于四川省攀枝花市的米易县青杠粮库（图6）也安装了地源热泵降温系统。据提供地源热泵低温储粮技术的成都朗博旺科技发展有限公司负责人刘照勇介绍，地源热泵低温储粮技术最先在江苏和云南的粮库得到运用，“由于粮食赚的都是分分钱，所以，地源热泵低温储粮技术的能耗特别低，粮仓才用得起，每吨每年仅需5至8元的储粮费用，费用远远低于传统的储粮技术。” 四川省粮食局仓储处副处长胥璞认为，浅层地能低温储粮技术，“可使每吨粮食增加100元以上的效益”，同时，“粮食仓少施药和不施药，提高了社会效益”。 

图6 青杠粮库安装的地源热泵低温储粮技术的部分设施

    地源热泵低温储粮技术有两大主要技术：一是表层控温技术。地源热泵表层控温设备可根据设定温度自动将表层粮温控制在一定温度，使最易上升的表层粮温也控制在低温标准内。地源热泵表层控温设备采用喷射通风设计，多个喷射风口分成多个不同方向的送风区域，冷风全面覆盖仓内各区域，并且冷风紧贴屋面而不直吹粮面，粮面温度更加均匀并能减少水分流失。二是整仓降温技术。该技术主要针对因高水分、高杂质、多微生物虫害引起的局部发热、高温季节入库的整仓高温粮、以及夏季墙体四周的高温粮等情况采用的粮堆内部降温技术，能够快速降低并均匀整个粮堆内部的温度，使整仓粮温处于15℃的低温标准内。
  

    六、地源热泵低温储粮技术的发展前景

    “地源热泵低温储粮技术”具有五项比较明显的优势：

    一、节能。浅层地能将地下水或河水从18℃降到10℃，耗能仅为谷物冷却机的三分之一，将军山粮库运用该技术，5万吨库存粮食在今年6-8月降温电耗仅为15万元。

    二、降低粮食损耗。实施浅层地能控温系统，粮食储存时间在一年以上两年以下（尤其是粳稻），较其他控温措施相比，出库水分高一个百分点。

    三、减少药物残留。利用浅层地能低温储粮技术能有效控制虫害的活动和繁殖，减少使用药剂熏蒸杀虫次数，在准低温应用中杜绝了反复熏蒸操作，如能把好粮食入库关，严格实施低温储粮，有望减少或免用药剂熏蒸，实现粮食的绿色无公害储存。

    四、保持新鲜品质。低温和有效的保水技术使得粮食的各项品质指标变化速度大大降低，尤其能够降低脂肪酸酯的上升速度，延缓品质劣变，保持粮食新鲜和口感。

    五、增效。若5万吨粮食少流失1%水分，出库时可多出500吨×2000元/吨=100万元的经济效益。

    绿色低温储粮已经是现代储粮方法的必然趋势。“包括地源热泵低温储粮技术在内的绿色低温储粮技术，是现代粮食储藏技术的发展方向和必然趋势，可实现绿色储粮、生态储粮、环保储粮、节能储粮。” 四川省粮食局仓储处副处长胥璞认为，以化学防治为主的常规的储粮技术，已不再符合现代粮食储藏的要求。而地源热泵低温储粮技术通过利用地下无穷无尽免费的地热能源，通过少量的电能就能提取和获得，创造性地解决了低温储粮过程中能耗过高的问题。地源热泵技术比空调、谷冷机等制冷设备节省耗电量60%-70%，使价值很低的粮食也能够承载其运行费用，老百姓在享用绿色、新鲜的放心粮油时，无需为此承担较高的粮食价格，使生态、健康、无公害的高品质粮油真正进入寻常百姓家，因此具有广阔的利用前景。

（注：文中将军山粮食储备库浅层地热能应用实例数据及图表引用自《粮食储藏》杂志第42卷《利用浅层地能低温储藏粳稻的研究》一文，作者：蒋源勇 侯兴之 杨国锋。）

《地源热泵》杂志专稿，原文载于《地源热泵》杂志2015年3月刊（总第103期）。欢迎转载，转载请注明来源：《地源热泵》杂志。

欢迎一切与地源热泵行业相关的新闻包括但不限于投标中标、技术研发、新品发布、从业经验、施工技巧、成功案例、创新思维的资讯或论文类投稿，本网网络部将择优在地源热泵网微信公众平台（微信号：www-dyrbw-com）、新浪公众平台、地源热泵网主站、《地源热泵》杂志上刊登。投稿邮箱：dyrbw@dyrbw.com