华南地区水源热泵制冷技术在玉米保管过程中的应用研究*

张雪琪 江文华 杨乾奎 梁焕球

(广州市番禺粮食储备有限公司 511400)

我库地处华南地区,高温高湿天气长,如何控制仓温和粮温是安全储粮的关键[1],为积极推进粮食节粮减损工作,以绿色环保为导向,全面推进绿色生态智能储粮技术,降低粮食储备损失损耗,大力推进“四散化”作业和准低温仓房建设。我库原有配备准低温设备的仓房采用水冷却塔式制冷系统,由于能耗较高,常年闲置。经调研对比空气源、水冷和水源热泵制冷等技术,水源热泵是目前空调系统中能效比(COP值)最高的制冷方式[2]。水源热泵技术利用温度较低的水体作为制冷设备的冷源,通过输入少量电能,实现低温位热能向高温位转移,以达到空间制冷的目的[3]。为积极探索水源热泵制冷技术在实仓储藏保管中的应用效果,我库选定配有水源热泵制冷系统的粮仓开展相关试验研究。

1 试验条件

1.1 试验仓房

高大平房仓15仓A,仓房尺寸39 m×30 m×10 m,粮层高度5.6 m,仓容5000 t。散装储藏,墙体采用全新聚乙烯薄膜挂壁,地面薄膜垫底,铺设地上笼,配备电子测温,环流熏蒸,水源热泵制冷系统。

1.2 试验储粮

试验仓储藏玉米约4579.76 t,产地内蒙古,入库时间2016年12月,容重705 g/L,不完善粒3.0%,生霉粒0.1%,杂质0.6%,入库水分13.6%

1.3 试验设备

水源热泵谷物冷却机LBW-2J300WYH型,2台,总功率53 kW,总单位用水量30 m3/h。

1.4 水源情况

库区附近有出水管道,冷却水取自附近蕉门水道河水,水温25℃,利用与制冷设备配套的水泵输送。

2 试验方法

2.1 仓房改造

2.1.1 改造回风口,于仓房四个角落设置固定回风口,避免整仓降温时发生走冷现象。

2.1.2 修改天花板设计方案,为增加仓房保温效果,将原来设计的5 cm厚度天花板材料改为8 cm。

2.1.3 在山墙上部增添雾化水帘和负压通风装置。

2.2 系统选型

目前国内水源热泵系统有地埋管热泵、地下水热泵、地表水热泵三种[4]。地埋管热泵循环水使用成本低、造价高,且要与土建相结合,局限性大;地下水热泵,制冷减能耗效果最好,但我库所在地区禁止地下水开采。通过考察南京将军山和常州城北粮食储备库的水源热泵制冷设备应用情况,确定地表水热泵系统能够结合储粮需求配置系统设备,结合我库位置环境,地表水热泵基本适用。

2.3 系统设计

结合粮库仓房情况,对水源热泵系统进行改良,将水源热泵制冷系统分为3个子系统,分别为表层控温制冷系统、整仓降温(谷物冷却)系统和水帘降积热系统。通过一级水泵抽取河水进行净化进入二级泵房水池,再由二级水泵提取水进入制冷系统(如图1)。

图1 水源热泵制冷系统

2.3.1 表层控温制冷系统 单个厫间配套控温外机2台,单台输入功率12 kW,名义制冷量48 kW,控温面积400 m2;配套控温内机4台,单台输入功率0.85 kW,名义制冷量24 kW,气流径向到达距离15 m,最低出风温度13℃,可调节出风湿度,主要用于降低粮面以上0.5 m至天花板温度和空间湿度,以达到降温保水效果。

2.3.2 整仓降温(谷物冷却)系统 通过鼓冷达到整仓降温、调节湿度等效果,实现降温保水。整仓降温机组4台,输入功率33 kW,名义制冷量85 kW,无需电辅热,流动水制冷原理同仓房固定制冷系统一致。

2.3.3 水帘降积热系统 仓房仓顶采用彩瓦,仓内采用岩棉天花吊顶,仓顶和天花板之间的积热易渗入仓内,故通过水帘降积热系统,利用水帘将河水雾化,在水帘对向用风机将积热抽出,以降低空间温度(如图2)。配置水帘系统负压风机0.75 kW,风量32000 m3/h;水帘面积18 m2,厚度20 cm,循环水泵0.75 kW。

图2 水帘降积热系统

3 试验结果

3.1 全年控温储藏费用

玉米入库后2016年12月27日至12月29日连续通风降温,将平均粮温由15.5℃降至13.2℃,入库至出库仅熏蒸一次,于3月下旬采用膜下环流熏蒸,剂量6.261 g/m3,最高平均浓度800 mL/m3左右,主要用于防霉。2017年6月14日揭膜散气,散气后开启表层控温制冷系统和水帘降积热系统,控制表层温度,待平均粮温上升至20.5℃左右,采用整仓降温(谷物冷却)系统将粮堆整体降温后平均梯度温差降至19.5℃,保持表层控温制冷系统和水帘降积热系统开启以控制粮温。

通过对玉米保管的全年能耗计算可知,全年内粮堆温度控制在21℃以下的总耗电量约为15000 kW·h,按0.8元/kW·h计,吨粮保管成本费用约为2.62元/t。

3.2 整仓通风降温能耗

如表1所示,采用谷物冷却系统进行整仓通风降温,2017年8月2日至8月4日,通风时长33 h,通风前后平均粮温由20.4℃下降至19.4℃,总电耗2049 kW·h,单位能耗0.45 kW·h/℃·t。2017年8月17日至8月18日,通风时长30 h,通风前后平均粮温由19.1℃下降至18.3℃,总电耗1860 kW·h,单位能耗0.51 kW·h/℃·t。

表1 整仓谷冷通风前后粮温变化和能耗

3.3 玉米储存品质

由表2可知,玉米控温储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),处于宜存范围(GB/T 20570-2015中≤65 mg/100g),且黄曲霉毒素、脱氧雪腐镰刀菌烯醇和玉米赤霉烯醇等在储藏结束时均未检出。综上所述,利用水源热泵制冷技术对玉米进行控温储藏,可以明显减缓其品质劣变速率,保证粮食安全。

表2 玉米储存一年后品质变化

4 结论

利用水源热泵制冷系统进行控温储粮效果良好,与传统风冷和水冷机相比,该系统通过抽取温度较低的河水于制冷设备进行热交换,有利于降温保水,降低能源消耗,减少制冷剂的使用污染。全年玉米储藏期间仅熏蒸一次,且品质指标保持良好,说明控温储藏有利于降低熏蒸用药量,减缓粮食品质劣变速率,保证储粮安全。

需注意和改进方面:水源热泵制冷系统采用抽取地表水方式,对水质要求高,需建立完善的净化系统,保证水质稳定和制冷设备的使用寿命及制冷效果。由于表层控温制冷系统的控温内机安装于仓内,为避免磷化氢气体腐蚀设备,采用膜下熏蒸最佳,不适宜全仓熏蒸。