某物流中心低温粮库空调设计方案探讨

钟玮 钟璘

1 深圳华森建筑与工程设计顾问有限公司

2 中国南方航空公司

低温储粮技术是近几年最为流行的粮食储存技术，低温能有效抑制粮食尤其是谷物中害虫和微生物的繁殖、防止粮食的老化，被公认为21 世纪粮食存储的最佳方式之一。目前，我国大多数地区粮食储存采取谷物冷却机降低粮温的方式来实现低温或准低温储粮。然而，由于谷物冷却机耗电量大，导致粮食储存的成本高昂，相当大一部分粮食企业不敢大力推行低温储粮技术，使得低温储粮技术的应用难以落实。本文以某粮食现代物流中心为例，介绍了该中心采用热泵+主机热回收的低温粮库空调系统设计方案，以期为低温储粮技术的推广，提供参考。

1 工程概况

本工程物流中心项目地址位于湖北省黄石市。项目规划用地面积约为164526 m2（约246.79 亩）。其中实际可用地面积为154283 m2（约231.42 亩）。代征城市道路用地面积为10243 m2（约15.37 亩），本期建筑占地面积26502.92 m2。

低温粮仓为平房仓共3 栋，轴线尺寸24 m×96 m，总仓容0.63 万t，包粮堆高6 m，单仓仓容1860 t。仓顶为防水保温屋面，采用60 mm 厚发泡聚氨酯（B1 级），发泡聚氨酯铺设上下双层，中间留空气层，进出风口风别设在檐口和屋脊，利用空气夹层的不均匀受热达到自然通风的目的，更高效、更节能的提高粮仓的保温和隔热性能[1]。本工程结构图如图1 所示。

图1 物流中心结构图

本工程准低温粮仓主要建筑特征如下：仓房装粮高度6 m，建筑高度11.47 m，轴线尺寸24 m×96 m，数量3 栋，单仓容积2100 t，建筑面积2383.17 m2，结构形式钢筋混凝土，门式钢架结构，建筑耐火等级二级，自呼吸通风双层板式屋盖，承重墙体页岩实心砖墙，机械通风形式地上笼通风。

2 冷热负荷计算

2.1 参数选择及启动冷负荷计算

根据热量平衡原理，低温粮库空调的负荷等于粮库内所有得热量与发热量之和。以粮库内储存物为大米来计算，按照粮仓的设计要求[2]，设定粮仓每天换气三次，粮库内风机与照明等发热设备热量为10 W/m2，每天入仓的大米按照500 t 来计算，大米发热量为0.37 W/t（取含水率为15%的大米），入仓温度为30 ℃，入仓后三天时间粮食冷却到18 ℃，则空调机组的启动负荷（入仓3 天）为:

式中：ε 为计算系数，通常取1.1～1.3，本文中取1.2；Q1为粮库的围护结构与周边环境传热产生的冷负荷；Q2为粮食降温产生的冷负荷；Q3为粮食呼吸作用发热产生的冷负荷；Q4为粮库内的空气降到所需温度产生的冷负荷；Q5为粮库内风机运行发热产生的冷负荷；Q6为开启库门，通风换气等产生的冷负荷。

其中，主要冷负荷来源于Q1～Q4其他几项在总冷负荷中占比例较小，计算时可以忽略。因此，算式可以简化为：

其中，

式中：K 为粮库的围护结构材料传热系数[2]，选1.2 W/(m2·K)；W 为粮库外墙面积，包含屋顶面积与四面墙体面积；T外-T内为粮库室内外温差，取平均数为9 ℃；G 为粮食数量；C米为大米的比热容，查询可知为0.8×103J/(kg·℃)；T原-T终为大米的初始温度与最终要求达到温度之差；q 为大米发热量；Cair为空气的比热容，取1.005×103J/ (kg·℃)，M 为粮库装粮后空气的质量；T原-T终为空气的初始温度与最终要求达到温度之差。

代入工程相关数据，经计算可知，地源热泵空调机组所需的总供冷量为8400 MJ，入仓大米的冷负荷为32 kW。

2.2 日常冷负荷计算

日常冷负荷指的是冷却降温后大米储藏的维持日负荷，根据粮库管理方经验，大米从入库到出库一般周期在一个月左右，则日常仓库的储量逐时冷负荷则可以近似地看成粮库的围护结构与周边环境传热产生的冷负荷，根据当地的气温逐时变化计算具体如表1 所示。

表1 设计日逐时冷负荷表

2.3 粮食出仓热负荷计算

粮食出库之前，一般要提前10 天对低温粮食进行加热，粮食只有加热到了28 ℃左右，在出库后的运输过程中才不至于表面结霜。因此，粮食出仓的总热负荷，这里还是以大米为例，包含了把仓内大米从设计的准低温储存温度18 ℃加热到出库标准温度28 ℃的热负荷，以及隔壁未出库仓库的到热量，和室内空气的加热量。根据设计图纸，相邻粮仓高度为3 m，此处选择位置位于中间的粮仓，即两边均有传热。

经计算，隔壁粮仓的传热量为8.1 GJ，外墙得热量为0.77 GJ，空气加热量为0.023 GJ，大米加热量为38 GJ，总加热量为45 GJ。按照地源热泵空调系统每天不停机运行18 h 计算，粮食出仓的总热负荷为70 kW。

3 热回收负荷计算

为了提高机组能效，让冷凝器产生的冷凝热量不浪费，本项目还设计了热水回收系统，通过交换冷凝器中产生的冷凝热，给员工宿舍和办公楼提供日常生活热水。通过蓄热水罐将热回收系统获取的热水储存，蓄热水罐的设计进水温度为20 ℃，出水温度为60 ℃。因此，热回收系统的设计出水温度为60 ℃，而进水温度则为20 ℃。

根据设计要求，本项目地源热泵空调系统的设计冷冻水进水温度为4 ℃，冷冻水出水温度12 ℃，设计冷却水进水温度为32 ℃，冷却水出水温度为37 ℃。当宿舍及办公区域需要使用热水时，蓄热罐提供60 ℃热水，同时补充20 ℃的进水。

3.1 设备选型

本项目地源热泵+热回收空调系统由带热回收的地源热泵机组、供冷水泵、冷却塔、冷却水泵、供热水泵、热回收水泵、蓄热水罐、风机盘管、阀门配件等组成，如表2 所示。根据空调系统冷负荷计算，设计冷负荷为205 kW（见表1），设计日总空调冷负荷为4736 kWh。考虑到管道等过程热损失，机组选型时预留一定冷量。因此，本项目选用三台单机制冷量为650 kW 的地源热泵机组，搭配三台圆形逆流式冷却塔，摆放在低温粮仓屋面。空调热源由浅层地能采集井+冷凝器散热提供，热回收系统由设置在地下室制冷机房的两台额定换热量为800 kW 的水-水板式换热器完成，供办公楼及员工宿舍日常热水。

由上可知，本项目各主要设备选型如表2。

表2 地源热泵空调系统主要设备表

3.2 控制系统

本项目为每个廒间配备两套表层控温机组，采用分体式设计，一套表层控温机组由一台室外机组和三台室内机组构成，每套设备对应一口浅层地能采集井，室内机、室外机、采集井联动运行，设备上已集成考虑控制系统。

3.3 项目运行优势

本项目低温工艺采用浅层地能低温储粮技术，该技术是一项绿色、生态、节能效果显著的粮食保鲜储藏技术。该技术采集地表下数十米深处低温的冷气资源（浅层地能），可使粮食一年四季保存在低温状态内，达到以下目的：

1）由于粮堆的吸湿性，粮堆内部温度较高时，外部空气相对温度较低，接触后产生结露，使得粮食发生霉变，因此，低温储粮能确保粮食的不发生霉变。

2）低温情况下，粮堆内部的温度降低，粮食的呼吸作用也减弱，因此，低温储粮能延长粮食的储存时间。

3）低温同时还能够抑制细菌以及酶等微生物的活性，降低粮食中淀粉的水解速度和脂肪的氧化速度，抑制粮食在储存过程中的代谢，延缓粮食的陈化速度，保证粮食的新鲜和营养价值。

4）在目前节能减排的大背景下，选择可再生能源，选择地源热泵+热回收机组，即保证了能源的有效利用，又不破坏当地的环境，同时还能为办公楼及员工宿舍提供生活热水，是一举多得的设计方案。

4 结语

浅层地能是一种低温的可再生资源，广泛分布在地下的土壤、沙石、地下水以及深层江河湖海水体中，具有“冬暖夏凉”的热源优势。本项目地处长江流域，水源及地源热泵均可以作为设计热源，为了节省材料及缩短输送距离，本项目选取浅层地热能为热源，通过各种采集井，将地面以下恒温热源采集出来，然后通过地源热泵主机系统的转换，形成粮食所需要的温度、湿度合适的冷却媒介，再通过末端通风系统，最终与粮食进行换热，将粮食温度控制在低温状态。

低温储粮技术是近几年最为流行的粮食储存技术，但由于空调运行费用高昂，一直没有得到普及。本文采用地源热泵＋热回收空调系统方案，初投资相比传统的谷物冷却机高，但运行费用较谷物冷却机低，且能制取宿舍及办公楼的日常生活热水，具有良好的节能性和经济效益。