地源熱泵技術在儲糧領域的應用前景
一、我國儲糧的現狀和發展新型儲糧技術的必要性
糧食是人類賴以生存和發展的基本生活資料，是關系國計民生的戰略物資，在人民生活和國民經濟發展中，具有特殊的地位和作用。而由于其在儲藏過程中常遭受蟲、霉、鼠等有害生物的侵害，造成重量和質量的損失以外，還受熏蒸殺蟲劑等化學因素影響，使糧食或多或少帶有一定量的藥劑殘留，造成化學污染。我國國家儲備糧具有以下特點：以原糧為主，主要種類為小麥、稻谷、玉米、大豆和植物油：儲藏時問較長，一般2—5年；儲藏地域條什多樣，糧庫遍布全國，氣候多樣；倉儲設施和技術條件有了較大的改善，但流通(特別是運輸)技術較為落后。因此。儲藏期問減少儲糧損失和保持儲糧品質難度較大，儲藏安全隱患較多，儲糧期問防治蟲霉多依賴于化學藥荊，使得糧食殺蟲劑污染風險增大，難以滿足綠色糧油食品生產的需求。
隨著社會的進步和物質生活水平的不斷提高，人們對綠色、無公害、無污染的、營養價值高的糧油食品的需求日趨迫切。因此，實施綠色儲糧具有極其重要的意義。它不僅是社會發展的需要，也是糧食儲藏發展和人們生活水平提高的需要，是確保儲糧安全、衛生、環保的必然選擇。
二、影響糧食安全儲藏的因素
1、 清潔衛生
保持糧食清潔對糧食的安全保管有很大的好處。糧食在收獲以后，應盡量利用風車過篩等方法，除去混在糧食中的雜物，使糧食含有的草籽、破碎粒、干癟粒、土粒、石屑和害蟲等雜物盡量減少。這是因為完整、健康的糧粒有較強的生命力，對蟲、霉有一定的抵抗力，而破損的不健康粒則沒有這種抵抗力，容易吸濕返潮、滋生害蟲、生長霉菌，所以糧食破損多，含雜多，水分高就會給生霉長蟲造成一個有利的環境，而健康清潔的糧食就可以減少或避免這種不利保管的因素。裝糧容器的清潔衛生，也是十分重要的，因為容器不干凈，殘余的糧食、雜質、害蟲自然會污染糧食，使糧食生蟲長霉,所以要認真清潔一切裝糧、運糧的容器，清除其中的殘余糧食、雜質、害蟲等雜物。
2、 干燥
糧食的干燥是保證糧食安全保管的重要條件。干燥的糧食容易保管；不易生蟲生霉；可以延緩陳化作用、減少損失、保持糧食的營養和食用品質。而濕糧則容易生蟲生霉變質結塊，甚至*不能使用。為了確保糧食的安全，農村家庭的儲糧應盡量曬干后再進行儲藏。
糧食的干燥程度用糧食含水量（也叫糧食水分）來表示，含水量大的糧食濕，含水量少的糧食干。糧食的含水量以百分數來表示，就是100份糧食中含水的份數。如12％水分的小麥就是說50千克的小麥含有6千克水；13％水分的稻谷，即是說50千克稻谷中含有6.5千克水。
在實際糧食保管的條件下每種糧食的安全水分標準只有一個，就是將在正常保管的條件下,能保證糧食安全度過夏季高溫的高水分，作為這種糧食的安全水分標準，儲糧只要不超過這種糧食的安全水分標準，在正常條件下，全年儲糧都是安全的。
3、低溫
溫度是影響糧油安全儲藏的重要因素。糧堆內的害蟲、微生物、糧粒等生物成份在水分和氧氣條件適宜的情況下，還必須在一定的溫度范圍內才能進行正常的生命活動。如果在不凍壞糧食的情況下，采取不同方式降低儲糧溫度，就能抑制糧堆內各種生物成份旺盛的生命活動，減少糧食在儲藏期間干物質的損耗，同時大限度地保持糧食原有品質，延緩儲糧陳化速度，因此低溫技術是一種為理想的綠色儲糧技術。
三、綠色儲糧技術的發展歷程
綠色儲糧技術是指，在糧食儲藏期間，所采用的任一技術應滿足綠色食品生產需要，這些技術的總稱為綠色儲糧技術。
綠色儲糧技術包括：低溫準低溫儲糧技術，低溫和高溫殺蟲技術，輻照殺蟲技術、氣調儲糧技術、生物防治技術和清潔衛生防治技術等。
低溫和準低溫儲糧技術主要應用于保持糧食品質，使儲糧長期處于低溫和準低溫狀態。低溫儲藏是指，糧堆平均溫度常年保持在15℃及以下，局部高糧不高于20℃的儲藏方式。準低溫儲藏是指，糧堆平均糧溫常年保持在20℃及以下，局部高糧溫不高于25℃的儲藏方式。常規儲藏是指，在自然氣候條件下，對儲藏的糧油采取清潔衛生、自然通風、定期檢測糧情等一般技術處理和常規管理措施的儲藏方法。
當糧溫低于-4℃時害蟲可在短期內死亡；糧溫在4℃～8℃之問時，害蟲處于冷麻痹狀態；糧溫在8"C～15"C之間時，害蟲停止活動。15℃～20℃準低溫條件可以抑制某些害蟲的種群發展，也可取得一定額度防治效果。
低溫儲糧的歷史非常悠久，是目前全*的為安全、可靠、合理、符合綠色環保要求的儲糧技術，是確保糧食安全儲藏和品質保鮮的重要方式，也是有發展前途的綠色生態儲糧技術。其不但可以延緩糧食陳化，具有一定的保鮮作用，而且是目前國內外應用廣泛的病蟲害防治方法。低溫儲糧技術是使一定溫度、濕度的冷空氣，在穿過糧堆時與糧食進行熱濕交換，使儲藏過程中將平均糧溫控制在15℃以下，從而降低糧堆的呼吸強度，抑制害蟲和微生物生長，減少糧食損失，延緩品質陳化和劣變，同時在一定程度上控制倉內糧食水分損失，在少用或不用有害藥劑熏蒸，達到安全、保鮮、生態儲存糧食的目的。研究表明：溫度降低10℃，食用糧的生化反應速度就減少一半；糧食保持一定的活力：在t=O～50 ℃范圍內，每降低5℃，種子的壽命增加一倍。一般環境溫度為8℃ ～15℃時，是儲糧害蟲生命活動的低界限，如果低于此溫度，害蟲就不能發育和繁殖；如溫度低于8℃ ～ -4℃ ，害蟲就處于冷麻痹狀態；如果該溫度持續的時間很久，害蟲就可能致死。如果溫度低于一4℃，達到破壞害蟲體內的細胞結構時，害蟲則致死。
在國外，日本是早使用低溫儲糧技術的國家，1951年建成*座空調低溫倉，到1976年，已建成1527座低溫倉，儲糧190萬噸（占日本全國總倉容的19%），2006年已發展到儲糧710萬噸（占總倉容的84%），基本實現了稻谷大米儲藏的低溫化。此外日本還成功的利用海底低溫水下儲藏技術儲存糧食，并且是*掌握這項技術的國家。德國在1958年成功開發出了機械制冷低溫儲糧設備---谷物冷卻機并投入工業化生產和推廣應用，而今，機械制冷低溫儲糧技術被德國糧食倉儲業普遍采用，*替代了化學藥劑的使用。此外，在英、法、西班牙等西歐國家，該技術也廣泛的應用。
低溫儲藏技術雖然是一種*的、的綠色生態儲藏技術，但在我國由于受到地域環境、使用成本瓶頸的限制，在糧食倉儲行業中，推廣運用低溫儲糧的技術還存在很大差距。我國近年來對于低溫儲藏技術也進行了大量的研究，其發展成果主要包括：采用機械通風降溫技術，充分利用自然冷空氣這一重要資源，取得較好的低溫儲藏效果。但是這一技術往往受到地域條件、季節時期的限制，只能作為階段性的儲糧技術；控溫儲糧技術，強調對于儲糧設施的隔熱性、保溫性的改造，從而延緩糧溫的升高趨勢，但這也難以阻止糧溫整體升高的態勢，特別是在高溫儲糧區域效果也不明顯；采用谷物冷卻機、空調等制冷設備，具有明顯的降溫、控溫特點，可確保糧食處于低溫或準低溫狀態。但使用時，耗電成本比較高，難以廣泛推廣使用。
目前我國常采用的低溫儲備技術主要是利用谷物冷卻機給糧倉制冷。谷物冷卻機是制冷技術、通風技術、自控技術在谷物冷藏中的綜合應用。谷物冷卻機由制冷系統(壓縮機、蒸發器、冷凝器、后加熱裝置、干燥器)、空氣過濾器、離心風機、可編程控制系統、移動箱體等組成。其工作原理如下：向倉庫內吹入經過冷卻和濕度調節的適合所存放谷物特性的一定溫度和濕度的空氣，實現谷物的低溫儲藏。即被離心風機吸入的空氣經過網濾濾去雜物，在流經蒸發器時進行熱交換后被冷卻，冷卻程度按設定的出風溫度自動控制。當被制冷的空氣的相對濕度超過設定值時，由后加熱裝置加熱，使濕冷空氣升溫，從而降低其相對濕度，通過自動控制，將溫度、濕度均符合設定要求的空氣由離心風機送入糧庫風網，進入谷物堆。
圖1 谷物冷卻機
圖2谷物冷卻機工作原理圖
但其耗電成本過高的缺點使該技術逐漸被放棄，能否尋找到一種普遍存在，并且運行費用低廉的夏季冷源便成為低溫儲糧技術大規模推廣的關鍵。
四、使用地源熱泵儲糧的原理和可行性
地熱能是一種來自地球內部的清潔的可再生能源。地熱能按照構造成因，溫度等級，埋藏深度，水熱傳輸方式等的不同，可以劃分成不同類型。例如按溫度等級，可分為高溫地熱資源（>150℃），中溫地熱資源（90-150℃）和低溫地熱資源（<90℃）；按埋藏深度的不同，可分為淺層地熱資源（<400m）和深層地熱資源（>400m）；按熱傳輸方式，可分為傳導型地熱資源和對流型地熱資源。地熱資源是指在當前技術經濟條件下具備開發利用價值的地球內部的熱能資源，淺層地熱能又名淺層地溫能，是指地表以下一般至200 米深度范圍內的資源。
圖3 地源熱泵系統工作原理
目前主要是通過地源熱泵技術將賦存于地層中的低品位熱源轉化為可以利用的高品位熱源，可為民用或公共建筑提供供暖、制冷以及生活熱水。地源熱泵（簡稱GSHP）是一種利用地下淺層低溫地熱資源（地下巖石、土壤、地下水或地表水）的既可供熱又可制冷同時還可提供生活熱水的節能熱泵系統。《地源熱泵系統工程技術規范》(GB 50366-2005)規定地源熱泵系統的定義是：以巖土體、地下水或地表水為低溫熱源，由水源熱泵機組、地熱能交換系統、建筑物內系統組成的供熱空調系統。根據地熱能交換系統形式的不同，地源熱泵系統分為地埋管地源熱泵系統、地下水地源熱泵系統和地表水地源熱泵系統。地源熱泵技術除了我們熟知的供暖、制冷和提供生活熱水功能外，在糧食儲備領域的應用效果也非常理想。
地源熱泵技術是利用少量的電能，提取地層中大量的冷量加以利用。地源熱泵低溫儲糧系統的工作原理就是利用地源熱泵機組和系統，將地下或水體中所蓄存的冷氣資源提取出來，經過設備的二次降溫處理，低可將糧溫降至10℃（只要溫度低于15℃即為標準低溫要求）。淺層地熱能具有分布廣，儲量大等特點，是取之不盡用之不竭的低溫能源，利用價值大，是一種環保、可持續發展的低溫資源，而糧倉周圍一般都有足夠的土地面供地源熱泵系統的地下采集系統（通過地埋管或直接抽取/回灌地下水采能）采集淺層地能使用，因此，它的應用可為全國各地儲糧工作帶來長遠持續的發展動力。據已投入應用的項目數據反映，地源熱泵比空調、谷冷機等制冷設備可節省耗電量60-70%，這就為使用制冷設備所帶來的低溫運行成本瓶頸得到了很好的解決措施，從而使大規模推廣應用低溫儲糧技術成為可能。
五、成功案例：將軍山糧食儲備庫地源熱泵降溫系統應用實例
南京市江寧區將軍山糧食儲備庫12號倉，建于2006年，長24米，跨度27米，堆糧高度6米，地上籠通風道，2個通風口，單側通風。倉房墻體厚度40厘米，空心磚，單層人字形屋頂，保溫層為15厘米厚的蛭石。倉房為鋼架結構，無吊頂，糧面無壓蓋。試驗粳稻糧情見表1。
安裝的地源熱泵通風降溫系統由四川生產。主要由地熱能地下采集系統（PE管）、能量轉化系統（地源熱泵主機）、冷媒循環系統和回風管道系統四個部分組成。地源熱泵降溫系統見示意圖4。
圖4 地源熱泵降溫系統示意圖
1、地源熱泵地下采集系統：根據當地地質條件，選用了地埋管這種淺層地能采集方式，單孔鉆深30m，孔徑200mm，孔內安裝淺層地熱能采集管，采集溫度低18℃，實測供回水大溫差4℃。
2、能量轉化系統：淺層地能被采集后，提供給制冷系統降溫。
3、冷媒循環系統：主機的冷風出口與糧倉的地上籠通風口連接，冷風從下至上穿透糧堆并吸收糧食熱量，冷風因吸收了糧食熱量溫度升高，通過冷藏系統的回風管道重新被抽回到主機里，冷風在主機里將糧食熱量傳遞給制冷劑，然后冷風溫度被降低后又被送入糧堆吸收熱量，循環降溫。
4、回風管道系統：采用鍍鋅鋼板制作，口徑：480mm×480mm，外貼30mm厚保溫板，外層粘貼鋁箔紙用于反射太陽輻射熱量；水管道系統高壓輸水管道和DN 50快速拆卸式接口，便于機組的移動和拆卸。
接入地源熱泵降溫系統方法：對12號倉墻體進行改造，該回風管道系統，形成淺層地能降溫系統的回風口，將淺層地能降溫系統的出風口與倉庫的機械通風口連接，再將回風管道與淺層地能降溫系統回風口連接；將采集淺層地能的管道的進、出水口與淺層地能降溫系統的出、進水口連接，使水源可以循環冷卻和使用。機組連接方式見示意圖5。
圖5 機組連接示意圖
通過監測結果分析：將軍山糧庫12號倉2臺淺層地能降溫系統機組2012年6月8日15:00開機試驗，開機電表讀數為26025kW·h；中途停機10h；2012年6月13日15:00后關機，關機電表讀數為28310 kW·h；經過此次淺層地能降溫系統運行后，試驗倉由初始平均糧溫20.2℃，降為15.2℃，降幅為5℃，單位能耗為0.1560 kW·h /（℃·t）。12號試驗倉降溫前后溫度變化情況見表2。
從表2可以看出，糧堆表層溫度下降幅度大為8.1℃。淺層地能降溫系統有效降低了倉溫和糧堆表層溫度，使儲糧常年保持在低溫之下，延緩了糧食的品質劣變速度，有利于糧食保質保鮮，從而實現糧庫“綠色儲糧”。整倉降溫趨勢平緩，降幅為0.04℃/h，很大程度地減少了因降溫速度過快而影響糧食品質變化的可能，從而達到了好的降溫效果。
根據多年實踐經驗，谷物冷卻機在第五儲糧生態區應用時，其實際使用能耗為0.58 kW·h /（t·℃）/（t·℃）～0.85kW·h /（t·℃）。此次實倉試驗地源熱泵低溫儲糧技術的單位能耗僅為0.156 kW·h /（t·℃），若改造倉房隔熱條件，增強倉房保溫性能，夏季能將低溫保持時間提高至20d，則全年能耗有望繼續降低。相比于谷物冷卻機的單位能耗，地源熱泵降溫系統節能效果非常顯著。
另外，位于四川省攀枝花市的米易縣青杠糧庫（圖6）也安裝了地源熱泵降溫系統。據提供地源熱泵低溫儲糧技術的成都朗博旺科技發展有限公司負責人劉照勇介紹，地源熱泵低溫儲糧技術先在江蘇和云南的糧庫得到運用，“由于糧食賺的都是分分錢，所以，地源熱泵低溫儲糧技術的能耗特別低，糧倉才用得起，每噸每年僅需5至8元的儲糧費用，費用遠遠低于傳統的儲糧技術。” 四川省糧食局倉儲處副處長胥璞認為，淺層地能低溫儲糧技術，“可使每噸糧食增加100元以上的效益”，同時，“糧食倉少施藥和不施藥，提高了社會效益”。
圖6 青杠糧庫安裝的地源熱泵低溫儲糧技術的部分設施
地源熱泵低溫儲糧技術有兩大主要技術：一是表層控溫技術。地源熱泵表層控溫設備可根據設定溫度自動將表層糧溫控制在一定溫度，使易上升的表層糧溫也控制在低溫標準內。地源熱泵表層控溫設備采用噴射通風設計，多個噴射風口分成多個不同方向的送風區域，冷風全面覆蓋倉內各區域，并且冷風緊貼屋面而不直吹糧面，糧面溫度更加均勻并能減少水分流失。二是整倉降溫技術。該技術主要針對因高水分、高雜質、多微生物蟲害引起的局部發熱、高溫季節入庫的整倉高溫糧、以及夏季墻體四周的高溫糧等情況采用的糧堆內部降溫技術，能夠快速降低并均勻整個糧堆內部的溫度，使整倉糧溫處于15℃的低溫標準內。
六、地源熱泵低溫儲糧技術的發展前景
“地源熱泵低溫儲糧技術”具有五項比較明顯的優勢：
一、節能。淺層地能將地下水或河水從18℃降到10℃，耗能僅為谷物冷卻機的三分之一，將軍山糧庫運用該技術，5萬噸庫存糧食在今年6-8月降溫電耗僅為15萬元。
二、降低糧食損耗。實施淺層地能控溫系統，糧食儲存時間在一年以上兩年以下（尤其是粳稻），較其他控溫措施相比，出庫水分高一個百分點。
三、減少藥物殘留。利用淺層地能低溫儲糧技術能有效控制蟲害的活動和繁殖，減少使用藥劑熏蒸殺蟲次數，在準低溫應用中杜絕了反復熏蒸操作，如能把好糧食入庫關，嚴格實施低溫儲糧，有望減少或免用藥劑熏蒸，實現糧食的綠色無公害儲存。
四、保持新鮮品質。低溫和有效的保水技術使得糧食的各項品質指標變化速度大大降低，尤其能夠降低脂肪酸酯的上升速度，延緩品質劣變，保持糧食新鮮和口感。
五、增效。若5萬噸糧食少流失1%水分，出庫時可多出500噸×2000元/噸=100萬元的經濟效益。
綠色低溫儲糧已經是現代儲糧方法的必然趨勢。“包括地源熱泵低溫儲糧技術在內的綠色低溫儲糧技術，是現代糧食儲藏技術的發展方向和必然趨勢，可實現綠色儲糧、生態儲糧、環保儲糧、節能儲糧。”四川省糧食局倉儲處副處長胥璞認為，以化學防治為主的常規的儲糧技術，已不再符合現代糧食儲藏的要求。而地源熱泵低溫儲糧技術通過利用地下*免費的地熱能源，通過少量的電能就能提取和獲得，創造性地解決了低溫儲糧過程中能耗過高的問題。地源熱泵技術比空調、谷冷機等制冷設備節省耗電量60%-70%，使價值很低的糧食也能夠承載其運行費用，老百姓在享用綠色、新鮮的放心糧油時，無需為此承擔較高的糧食價格，使生態、健康、無公害的高品質糧油真正進入尋常百姓家，因此具有廣闊的利用前景。
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