小麦平衡水分测定及实仓智能化降温通风试验

李兴军 吴子丹，2 季振江 杨 旭 赵永青 闫恩峰 吴晓明

(国家粮食局科学研究院1，北京 100037) (吉林大学生物与农业工程学院2，长春 130000) (清苑国家粮食储备库3，清苑 071100) (山东省军粮储备库4，齐河 251100) (天津市明伦电子技术有限公司5，天津 300384)

小麦平衡水分测定及实仓智能化降温通风试验

李兴军1吴子丹1，2季振江3杨 旭3赵永青4闫恩峰4吴晓明5

(国家粮食局科学研究院1，北京 100037) (吉林大学生物与农业工程学院2，长春 130000) (清苑国家粮食储备库3，清苑 071100) (山东省军粮储备库4，齐河 251100) (天津市明伦电子技术有限公司5，天津 300384)

本研究对14个小麦品种在5个温度(10、20、25、30、35 ℃)和RH 11.3%～96%范围内进行测定，并采用CAE方程进行拟合，决定系数(R2)>0.998，平均相对百分率误差(MRE)<2.951%。对于小麦解吸和吸附等温线，CAE方程拟合的5个参数中B1和B2差异显著，不同类型小麦之间对应的CAE方程系数是相似的。不同类型的小麦品种收获后可以同时处理，但其吸附和解吸行为应当分别对待。智能化粮情检测、通风窗口控制、小麦CAE平衡水分方程组成控制系统指定仓库通风。在计算机显示系统，通风窗口由小麦吸附平衡绝对湿度曲线、饱和绝对湿度曲线、通风上限温度(通风开始时为粮堆温度减去8 ℃，通风进行时为粮堆温度减去4 ℃)线组成窗口，当大气状态点位于这个窗口内，轴流小风机被启动运转，粮堆降温通风开始。当大气状态点位于这个窗口外，轴流小风机被停止，粮堆降温通风结束。

在2015年12月16日—28日，这个系统用于河北清苑国家粮食储备库14号房式仓(小麦5 900 t,含水量11.5%)，下行吸出式通风降温7.4 ℃，3台1.5 kW轴流风机运转累计用电800 kW，单位能耗0.018 kWh t-1℃-1，节省电能55%。14号整仓裂纹破碎率均值为(3.66±0.22)%，显著低于使用4台5.5 kW离心风机的10号仓(4.30±0.28)%。2016年12月27日—2017年1月16日在山东齐河军粮库7号房式仓(小麦3 089 t，含水量12.5%)，采用2台0.85 kW轴流风机上行吸出式通风，平均粮温下降9.2 ℃，风机运转265.5 h，用电451.4 kWh，单位能耗0.015 9 kWh t-1℃-1，节省电能60%。

小麦 平衡水分 CAE方程 吸附滞后 智能机械通风

谷物粮堆孔隙率35%～55%、热绝缘特性造就其能够传递和保持低温低湿的空气特性。二战之后美国等发达国家开始了国家粮食储备库建设和粮食平衡水分方程研究。在20世纪50年代初在温带地区试验了采用通风技术调控粮堆温度，利用了该地区的低温低湿空气特性，这些早期研究结果为现代粮堆通风技术奠定了基础。到60年代中期，在亚热带气候如澳大利亚、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。为了保持小麦新鲜度和面筋活性，准确调控粮堆温度和含水率，发达国家在20世纪90年代中期对文献报道的小麦平衡水分等温线数据及最佳拟合方程归纳总结，在国内才开始了小麦平衡水分数据测定[1-2]。由于当时国内计算机技术和试验设备条件限制，测定的小麦种类有限，导致我国粮库智能化通风操作相对滞后[2-3]。本研究将课题组实验室测定的国产小麦平衡水分数据用于实仓智能化机械通风试验，以期对我国智能化通风粮库建设有促进作用。

1 材料与方法

1.1 不同类型小麦平衡水分数据收集

在2007—2012年采用静态称重法，对我国小麦主产区的不同类型品种共计14个进行水分吸附/解吸等温线测定[4-7]。数据采用SSPS 11.5软件对CAE方程进行非线性回归拟合分析。

1.2 CAE方程和智能化机械通风

CAE方程如方程(1)，该方程以相对湿度为因变量。方程(2)将相对湿度转化为绝对湿度。方程(3)和方程(5)分别是粮堆和大气的露点温度计算公式。方程(4)是大气的绝对湿度计算公式。

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

式中：RHg是粮食平衡相对湿度/%；M是粮食含水率/% w.b.；tg为粮堆温度/℃；A1、A2、B1、B2、D是CAE方程系数；AHg粮食平衡绝对湿度/mmHg；Tdg是粮堆露点温度/℃；AHa是大气平衡绝对湿度/mmHg；RHa是大气相对湿度/%；ta是大气温度/℃；Tda是大气露点温度/℃。

将公式编写成计算机软件，按照储粮机械通风技术规程(LS/T 1202—2002)规定的通风启动条件指导风机运转[8]。系统由粮食平衡绝对湿度曲线图、粮堆湿度和露点查定软件、粮情检测系统、通风设备控制系统组成，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。在通风过程中，系统实时跟踪粮情与大气温湿度变化，依据“储粮通风窗口模型”原理分析判断，控制通风作业的开启与关闭，确保作业高效节能，避免出现低效的通风作业。

1.3 降温通风操作实仓试验

1.3.1 河北清苑国家粮食储备库14号仓

河北清苑县位于北纬39°，年均气温12 ℃，年降水量550 mm，属于温带季风性气候。在12月中旬，在清苑县国家粮食储备库14号仓进行降温通风作业，仓房长60 m，宽21 m，装粮线高度6 m。小麦数量5 900 t；采用3台轴流风机吸出式通风。风机型号CZTY-400S，正向流量9 250 m3/h，电机功率1.5 kW，正向全压480 Pa，风机重量3.5 kg，反向流量8 600 m3/h，风机转速2 900 r/min，反向全压440 Pa。9号仓为对照仓，仓房尺度和小麦数量同于14号仓，采用4台7.5 kW的离心风机压入式通风。在2016年1月中旬，对智能化降温通风作业后的9号、14号仓进行扦样。在粮面取14个扦样点。每个点从粮面起每隔2 m扦样500 g，装入35 cm×25 cm的自封袋，编号后用橡皮筋扎紧开口，及时运回实验室。

小麦裂纹破碎率测定参考文献[9]。每个样品取样60 g，用于FCF染色。即取样品20 g，平行3次，以0.1% FCF染色液40 mL染色20 min后，用蒸馏水冲洗直到水呈现无色，再用0.01 mol/L NaOH溶液40 mL洗脱30 min，对洗脱液采用紫外分光光度计测定OD610。采用D610与裂纹破碎率之间的线性方程计算裂纹破碎率。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)。

1.3.2 山东省军粮储备库7号仓

山东省军粮储备库位于山东省齐河市，属于暖温带半湿润季风气候区。该库7号仓仓房长39.8 m，宽20.4 m，地上笼一机三道，通路比K=1.5，入库时间为2016年7月本地产的3 089 t小麦，含水率为12.5%，粮堆高5.0 m，杂质0.6%。

采用2台小功率(0.85 kW)的轴流风机安装在窗口上，采用负压吸出式通风，关好门窗，打开仓后通风口，外界的冷空气由通风口进入，由下而上经过粮层，再由小轴流风机排出仓外。使用风机的型号是T35-11型，风量27 600 m3h，转速2 800 r/min，单位通风量为8.9 m3ht。7号仓本次试验通风运行时间2016年12月27日—2017年1月16日。

2 结果分析

2.1 小麦智能化机械通风用CAE方程系数

从表1看出，不同类型小麦之间对应的CAE方程系数是相似的，而解吸与吸附之间B1和B2均差异较大。这表明在粮仓通风操作中，需要严格区分小麦吸附和解吸行为，而不必考虑小麦类型的影响，因此本研究分开绘制了小麦解吸和吸附平衡绝对湿度曲线图(图1)。参数已知的小麦解吸和吸附CAE分别用于绘制平衡绝对湿度曲线图。小麦吸附平衡绝对湿度曲线图用于调质通风和降温通风进风口粮堆状态判断，小麦解吸平衡绝对湿度曲线图用于降温和降水通风。通过比较粮堆与大气之间的温差、平衡绝对湿度大小，仓库保管员可以快速决定是否适合通风及需要的通风类型。

表1 不同类型小麦CAE方程系数及拟合度指标

注：A1、A2、B1、B2、D是CAE方程系数；R2是决定系数，MRE%是百分率相对误差。

图1 小麦解吸与吸附平衡绝对湿度曲线图

2.2 河北清苑国家粮食储备库14号仓降温通风试验

在通风系统运行控制中，当粮温与气温之差大于8 ℃时，系统控制测控分机打开风机；当温差小于4 ℃时，关闭风机停止通风。在通风过程中，系统每10 min检测一次粮堆温度，每5 min检测一次大气温度湿度，根据“通风窗口模型”原理，分析判断作业条件，根据分析结论控制作业的进行。表2为系统控制启动与关闭通风作业的时间与数据参数。

表2 清苑库14号仓开关风机记录

注：通风运行时间2015年12月16—28日。

表3显示14号仓通风过程中分层粮温变化。粮堆下层温度降低到一半需要1 d，中2层温度降下来需要4 d，中1层温度降下来需要5 d，全仓均温又需要2 d。即整个降温通风需要12 d。在降温时间估算中，中2层与中1层降温的相位差4 d，即1.8 m÷4 d=0.45 m/d或0.037 5 m/h。对6 m厚粮堆，6 m÷0.375m/h=160 h，需要160 h的通风时间。这与实际通风的时间大体一致。风机开关的时机控制准确，降温效率相对传统方法有明显的提高。

表3 清苑库14号仓通风过程中粮温分层变化

在本次智能化降温通风试验中，清苑库14号仓通风运行时间2015年12月16至28日。2015年12月16日平均粮温9.7 ℃，2016年1月11日平均粮温2.3 ℃，平均粮温下降7.4 ℃，用电800 kW，单位能耗为0.018 kWh t-1℃-1，节省能耗55%。

从表4看出，所有取样点14号仓裂纹破碎率均低于6%。A、B、C、D四层裂纹破碎率变化范围分别为2.15%～5.64%、2.71%～4.47%、2.71%～5.71%、1.79%～5.85%，四层裂纹破碎率平均值差异不显著。14号仓整仓裂纹破碎率均值为(3.66±0.22)%。从表5看出，10仓裂纹破碎率高于6%的位点在2A、2D、12B、12C、12D、14B。A、B、C、D四层裂纹破碎率变化范围分别为2.91%～6.31%、3.03%～6.94%、2.79%～6.40%、2.15%～7.37%。总体来看，B层裂纹破碎率值较高，但是四层裂纹破碎率平均值差异不显著；整仓裂纹破碎率均值为(4.30±0.28)%。14号仓整仓裂纹破碎率均值显著低于10号的。

表4 清苑库14号小麦仓粮堆各点裂纹破碎率/%

表5 清苑库10号小麦仓粮堆各点裂纹破碎率/%

2.3 山东省军粮储备库7号仓降温通风

从表6看出，山东军粮库7号仓上行吸出式仓智能机械通风期间，仓内空气相对湿度随大气相对湿度变化，差异不是特别大。粮堆上层温度与仓温接近。粮堆下层温度在2 d内先降低，接着中2层温度在9 d内降下来，中1层温度在6 d内降下来，全仓均温又需要3 d。即7号仓整个降温过程需要20 d。

表6 山东军粮库7号仓通风期间粮堆温度、仓温仓湿

注：通风运行时间2016年12月27日至2017年1月16日。

山东军粮库7号仓本次试验中，2016年12月27日平均粮温15.3 ℃，2016年1月16日平均粮温6.1 ℃，平均粮温下降9.2 ℃，风机运转265.5 h，用电451.4 kWh，单位能耗是0.015 9 kWh t-1℃-1，节省了电能60%。

3 结论

3.1 测定的不同类型小麦等温线之间差异不显著，一致于CAE方程相似的参数。这个结果对实践的指导作用是，不同类型的小麦品种收获后可以同时处理，但是它们的吸附和解吸行为应当分别对待。参数已知的小麦解吸和吸附CAE分别用于绘制平衡绝对湿度曲线图。小麦吸附平衡绝对湿度曲线图用于调质通风和降温通风进风口粮堆状态判断，小麦解吸平衡绝对湿度曲线图用于降温和降水通风。通过比较粮堆与大气之间的温差和平衡绝对湿度大小，仓库保管员可以快速决定是否适合通风及需要的通风类型。

3.2 在暖温带地区寒冷的冬季，采用小功率轴流风机进行上行或下行吸出式通风，降低粮堆温度10 ℃，需要20 d左右，节约电能55%以上，显著减少通风速率过大引起的籽粒裂纹破碎率。

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Equilibrium Moisture Content (EMC) of Chinese Wheat and Lowering Grain Temperature with Mechanical Aeration Guided by EMC Theory

Li Xingjun1Wu Zidan1,2Ji Zhenjiang3Yang Xu3Zhao Yongqing4Yan Enfeng4Wu Xiaoming5

(Academy of the State Administration of Grains1, Beijing 100037) (College of Agriculture and Bioengineering,Jilin University2,Changchun 130000) (Qingyuan State Grain Reserve Depot3, Qingyuan 071100) (Shandong Grain Reserve Depot for Army Provision4, Qihe 251100) (Tianjin Minglun Electronic Limited Corporation5, Tianjin 300384)

In this study, 14 wheat varieties selected were measured under five different temperatures: 10, 20, 25, 30,35 ℃ and the range of RH of 11.3%～96%, and equilibrium relative humidity (ERH) model called CAE was used to fit, with determination coefficient (R2)>0.998 and mean relative percentage error (MRE)<2.951%. Among 5 parameters in the CAE model for wheat desorption and adsorption isotherms, whereB1andB2showed appreciable difference,with a similar in coefficients in equations of different wheat varieties taken into consideration. It was concluded that the wheat grains from different classes could be contemporaneously dealt with after harvest, but their desorption and adsorptive behaviors should be differentiated from. An intellectualized grain bulk detection, aeration window controlling, and CAE equilibrium moisture equation of wheat grains were used to instruct aeration. An aeration window was constructed by the curves of wheat adsorptive equilibrium absolute humidity, the saturate absolute humidity and upper limited ventilation temperature(grain bulk temperature minus temperature 8 ℃, at the beginning of ventilation and during the ventilation, grain bulk temperature minus 4 ℃). When the air status point lied within the aeration window, axial flow ventilator was turn on to circumvolve and decrease the grain temperature. When the air status point lied outside the aeration window, axial flow ventilator was turn off.

During December 16thto 28th, 2015, this system was used to a No.14 wheat depot of 5 900 t in Qingyuan, Hebei, China and decreased grain temperature of 7.4℃ within the accumulated 800 kW of power consumption with three 1.5 kW-power axial flow fans. The unit energy consumption was 0.018 kW h t-1℃-1, which is much lower 55% than that (0.040 kW h t-1℃-1) of general temperature-decreasing aeration with the manual controlling ground cage ventilation. The percent of cracked and broken grains in the whole depot was (3.66 percent, significantly lower than the value 4.30% ifica) in the control depot aerated by four centrifuge flow fans.

During December 27th, 2016 to January 16th, 2017, the system was used for a No.7 wheat depot of 3089t in Qihe, Shandong, China and decreased grain temperature of 9.2 ℃ within the accumulated 451 kW of power consumption with two 0.85 kW-power axial flow fans. The unit energy consumption was 0.015 9 kW h t-1℃-1, which is much lower 60% than that (0.040 kW h t-1℃-1) of general temperature-decreasing aeration with the manual controlling ground cage ventilation.

wheat, equilibrium moisture content, CAE model, sorption hysteresis, intellectualized mechanical aeration

S379.3

A

1003-0174(2017)11-0094-06

粮食公益性行业科技专项(201313001-03-01)

2017-04-23

李兴军，男，1971年出生，副研究员，粮食生理生化与多糖营养

吴子丹，男，1955年出生，研究员，粮油储藏