马铃薯太阳能风补发电控温土窖的设计及效果分析

2020-07-27李喜宏贾晓昱

保鲜与加工 2020年4期

王洁，李喜宏，贾晓昱

（1.天津科技大学食品工程与生物技术学院，天津 300457；2.天津捷盛东辉保鲜科技有限公司，天津 300399）

马铃薯又称地蛋、土豆、洋山芋等，是茄科植物的块茎，具有很高的食用价值和保健功能。鲜薯中约含有9%～20%的淀粉、1.5%～2.3%的蛋白质、0.1%～1.1%的脂肪和0.6%～0.8%的粗纤维。中国是世界马铃薯产量最高的国家，年产近7 500 万t。目前多数农户特别是经济欠发达的山区，主要用自家的土窖来贮藏马铃薯。传统马铃薯土窖由于设施过于简陋，通风不畅，贮存温度难以控制，采后预处理配套技术不足，贮存后期马铃薯损耗高达50%，造成农民增产不增收，影响正常市场供应。因此，马铃薯窖藏保鲜设施亟待升级。

随着农业产业的转型、节能减排策略的实施以及居民绿色建筑意识的加强，普通农业设施向高效、节能、环保低碳的绿色建筑转型已成必然趋势。针对传统马铃薯土窖秋季降温慢马铃薯难以及时入贮、冬季保温差冻害普遍和春季温度回升快马铃薯易发芽腐烂等3 大产业难题，本课题组响应国家“十二五”规划纲要提出的节能环保减排号召，率先开展国内土窖体形系数、通风体系、热工性能、土壤冷源高效蓄冷取冷技术等研究，配套太阳能风补发电蓄电、控制轴流风机强制通风等，开发适合农村使用的低成本的特色马铃薯微型节能改良土窖，提高了马铃薯贮藏保鲜效果。本文主要介绍马铃薯太阳能风补发电控温土窖的设计方案，并对其效果进行分析。

1 马铃薯库房的设计

1.1 库房设计的性能要求

在对传统土窖、冷库等薯类贮藏设施[1]调研的基础上，以节能、高效、方便、实用为原则，对窖体构造、保温结构、通风换气、太阳能风辅发电控温系统等进行创新性优化设计，确定的设计目标为：土窖马铃薯贮藏量5～6 t，可周年使用，耗电量为零，造价低于标准冷库50%、运行费用减少90%。

马铃薯不耐低温贮藏，它的贮藏条件为：温度3～5 ℃，相对湿度 80%～85%[2]，避光贮藏。该库要求温度控制范围-1～5 ℃，精度0.1 ℃，相对湿度变化范围45%～98%，精度3%。马铃薯贮藏设施的保温要求参照国家标准GB 50072—2001《冷库设计规范》中的库体保温指标，并参考了王日葵等[3]和李喜宏等[4]研究成果进行设计。

以窖容为32 m3的贮藏间为例，建筑参考规格为：长4.5 m、宽2.7 m、高2.7 m。采用半地下式，库内地面低于地面1.6 m，南北走向。建筑平面图、剖面图如图 1、2 所示。

1.2 隔热材料的选用与维护结构的热工指标

隔热材料选材本着因地制宜、经济适用[4-6]的原则。维护结构为240 mm 厚砖混水泥，内贴炉渣隔热。外墙涂浅蓝色，减少太阳辐射。库顶以钢管做顶梁，依次铺盖木板、砖混水泥、保温棉、塑料膜等保温防潮材料，顶棚保温层厚度为200 mm，呈一定坡度以利排水。窖底为毛砂水泥地面，素土铺实。保温门用苯板制成，与防鼠门之间挂一个棉门帘，以减少外界空气对库温的侵扰。

1.3 通风系统设计

马铃薯属氧呼吸活性蔬菜，贮藏期需足够通风换气[7]。通风系统由地下风道、屋顶排气筒、强制送风机、对流窗口、保温门和匀风空间等组成。安装轴流风机进行强制通风，风量500～700 m3/h。南北墙各设置两个对流窗口，风口面积均为20 mm×20 mm。通风窗设置活动通风管，可灵活调节通风高度与风量；周围包保温材料，防止结霜阻碍空气流通。设置南北方向地下通风道，可通向库外。窖顶排气筒高出顶部1.5～2 m,风口面积均为80 mm×80 mm。

1.4 太阳能风补发电控温系统

作为新能源的太阳能和风能储量丰富，安全干净，太阳能光伏发电和风力发电在我国已成快速发展的趋势[8]。本土窖太阳能风补发电系统由光伏电池阵列、小型风力发电机组、系统控制器、蓄电池组和逆变器（表1）等几部分组成。根据贮藏环境条件需要，通过控制风机开关来调节温湿度。

表1 太阳能电池组件的技术参数Table 1 The technical parameters of solar energy battery components

2 马铃薯土窖库内的贮藏管理

贮存前土窖用硫磺熏蒸消毒，清扫干净，保持低温。收获的薯块散热形成愈伤组织后，选取大小一致无伤病的马铃薯装筐进行试验，采用α-萘乙酸甲酯对马铃薯进行抑芽处理。装筐码放成高0.4 m、宽1.5 m 的立垛。薯堆中设通风管道，以便散热。为了维持马铃薯的贮存湿度条件，秋冬季干燥时，可以在窖内地面洒水降温加湿。以改良窖内贮藏为处理Ⅰ，传统窖内贮藏为处理Ⅱ（CK 处理），测试马铃薯的贮藏指标[9]。

3 效果分析

3.1 保温效果

华北、西北、东北等地区冬季低温在-10 ℃以下，此时贮藏马铃薯的主要问题是库体保温差，窖内结霜，产生冻害[10]。本土窖隔热层参数如表2，总热阻大于 2.84 m2·℃/W，符合 ZBJ73043—90 中的规定。实际观测效果表明，该马铃薯土窖库保温与结构设计科学，冬季窖内不会结霜，窖温可以稳定控制在3～5 ℃之间。

表2 维护结构保温设计与热工指标Table 2 Maintenance structure insulation design and thermal index

3.2 降温速度

该马铃薯土窖库在传统土窖基础上优化设计，采用强制通风，充分利用自然冷源，降温速度明显快于传统土窖。9 月中旬气温连续下降的两个晚上的通风降温实测结果见图3 和图4。第1 天晚上7 h 内，库外气温由18.5 ℃降到17.5 ℃；改良窖内温度由19.5 ℃降到18.5 ℃；而传统土窖依靠自然通风，库温21 ℃不变。第2 天晚上，库外气温由15 ℃降到12 ℃；改良窖内用风机强制排风，温度由18 ℃降到13 ℃；而传统土窖依靠自然通风，温度由20 ℃降到18.5 ℃，仅降1.5 ℃。由此可见，改良窖经两晚上通风（白天闭窖），库温下降速度明显快于传统土窖。

3.3 节能分析

马铃薯太阳能风补发电土窖充分利用了丰富的太阳能、风能、土壤冷源等自然能源，利用太阳能、风能在时间上的互补性，蓄能方式可以合二为一、有机结合，构成风光互补发电系统，提高了系统供电控制和轴流风机通风的稳定性。该土窖实现零耗电，年电费节省约5 000 元左右；薯块在冬季也处于平稳的贮藏环境，基本不用人工增温，运行费用减少90%。