双孢蘑菇工厂化生产环控装备与控制系统的研发应用

金贤松 樊小轻 袁 杰 冯伟林 金群力 陆中华 蔡为明*

（1.浙江青风环境股份有限公司，浙江 丽水 323000；2.浙江省农业科学院园艺研究所，杭州 310021；3.浙江省农业技术推广中心，杭州 310020）

近十年来，我国双孢蘑菇工厂化生产迅速发展，生产装备水平也随之大幅提升[1]，带动了培养料隧道发酵（一、二次料）、隧道集中发菌（三次料）装备，以及菇房环境控制和上下料等装备的研发和应用。但由于我国双孢蘑菇工厂化生产装备研究起步晚[2]，一直以来，国内规模较大的工厂化生产企业的设备基本是全套从国外引进，国外设备几乎垄断了我国双孢蘑菇工厂化生产装备市场[3]，但进口装备已逐渐暴露出以下弊端：一是价格昂贵、投资成本高，只有资金雄厚的大型企业才有实力采购，大量中小企业无力承受；二是售后服务响应时间长、维修成本高，而双孢蘑菇生长发育对培养料质量和环境变化敏感，一旦生产装备出现故障，如无法及时排除和解决，不仅直接造成减产减收，而且严重影响生产和市场供应的稳定性。这限制了我国工厂化双孢蘑菇产业的健康快速发展。

为了突破我国双孢蘑菇工厂化生产装备制造行业的“卡脖子”难题，自2010年起，浙江青风环境股份有限公司与浙江省农业科学院等科研院所合作，在吸收国外先进技术的基础上，开展与我国气候、栽培基质和生产条件相适应的双孢蘑菇工厂化生产环境控制关键装备及控制系统的自主研发。经过十余年的潜心研究，双孢蘑菇培养料隧道发酵和菇房栽培环境调控系统关键装备的研发取得突破，主要技术指标、运行的稳定性与节能性，以及应用效果均已达到国际先进水平，实现了进口替代。本文重点介绍研发的系列装备和控制系统成果的特点、特性。

1 双孢蘑菇培养料隧道发酵装备与控制系统研发

双孢蘑菇培养料发酵的主要影响因子有三大方面：一是堆肥的基质配方营养、含水量、酸碱度等理化性状，二是堆肥中的微生物群落结构、生长繁殖与代谢活性等生物因子，三是堆肥中的空气（氧气浓度）、温度等环境因子。这三大因子之间以及因子内部均存在互作关系，堆肥的理化性状和通气状况影响其中的微生物群落结构、生长繁殖与代谢活性；微生物的生长繁殖与代谢活动不仅影响堆肥发酵进程，而且其代谢产生的热量直接影响堆肥的温度；而堆肥的温度反过来又影响微生物群落结构、生长繁殖与代谢活性。温度是反映堆肥发酵进程的重要指标。在确定了基质配方、含水量和酸碱度的堆肥进入隧道发酵的过程中，可以通过基于温度指标的通风量的调控，实现对堆肥发酵进程的控制，达到生产工艺和生产装备的有机融合[4]。因此，发酵隧道的通风及控制系统是培养料隧道发酵的关键装备。堆肥隧道发酵的通风及控制系统的重要指标为气流在堆肥中的穿透性与均匀性，堆肥温度和氧气浓度调控的精准度，以及装备运行的稳定性、节能性等。

本团队历经十多年的协同创新，成功研制出以变频风机和“一带三”小单元式控制系统（一个控制系统单元控制3 条发酵隧道）为核心的QAC-1-2 型双孢蘑菇培养料隧道发酵装备与控制系统，其气流在堆肥中的穿透性、均匀性，堆肥温度和氧气浓度调控的精准度，以及装备运行的稳定性等关键指标均达到国际一线品牌水平，且运行能耗比进口装备系统节省20%以上，而其价格不到进口设备的50%。多家双孢蘑菇工厂化生产企业的实际应用表明，该装备系统运行稳定可靠，培养料发酵质量达标，可替代进口的培养料发酵和控制系统装备，打破了国外设备的技术垄断。

QAC-1-2 型双孢蘑菇培养料隧道发酵装备与控制系统的主要优特点如下：（1）应用变频电机控制，不仅满足不同发酵阶段的最佳需求，而且运行能耗降低20%以上；（2）采用优化的PLC 编程控制，温度、氧气含量等实现精准调控；（3）应用氧气检测前的除氨技术，既能提高氧气检测的精准度，又可避免氨气对仪器的腐蚀，延长氧气检测仪的使用寿命；（4）二次发酵隧道装备与控制系统可分为均温期、升温期、巴氏杀菌期、降温期、控温期、冷却与播种准备期六个控制阶段，实现发酵进程的精准化控制。

2 双孢蘑菇菇房节能高效制冷机组研发

随着节约资源和保护环境基本国策的不断推进，资源节约、环境友好型社会建设步伐的加快，节能高效装备的应用越来越受推崇，研究开发环境调控节能节本智能化装备与系统是设施食用菌发展的重点[5]。在民用中央空调领域，600 RT 以下小冷量应用场景中，采用节能高效的丹佛斯TURBOCOR 磁悬浮离心压缩机的水冷变频磁悬浮冷水机组代替普通水冷螺杆冷水机组已经相当普遍，拥有很高的市场占有率。但由于600 RT（2 100 kW）以上冷量的离心式冷水机组的专利技术被开利、约克、特灵和麦克维尔四大美国品牌垄断近40年，我国多数大型食用菌工厂化生产企业一直采用美国约克、特灵等厂家的600～1 000 RT 普通定频或变频离心式冷水机组，已成为我国食用菌工厂化生产装备制造的“卡脖子”难题之一。

为打破国外企业对大型离心式冷水机组市场垄断，本研发团队开展协同创新，成功制造出1 000 RT冷量的QLC3500 型变频磁悬浮降膜离心式串联逆流冷水机组，满载能效比（COP）为6.86，全年综合部分负荷能效值（IPLV）为11.77，远超国家标准《冷水机组能效限定值及能效等级》（GB19577-2015）规定的满负荷一级能效比COP≥6.3、综合部分负荷能效值≥8.1。QLC3500 型变频磁悬浮降膜离心式串联逆流冷水机组比美国四大品牌变频离心冷水机组节能25%以上，比常规定频离心冷水机组节能40%（表1），达到国际领先水平。该成果为未来几年内食用菌行业大型变频磁悬浮离心冷水机组替代大冷量普通水冷离心式冷水机组提供扎实技术支撑，产品的市场应用前景广阔。

表1 青风大冷量变频磁悬浮离心式冷水机组与美国四大品牌变频离心机组技术参数比较

QLC3500 型变频磁悬浮降膜离心式串联逆流冷水机组的主要优特点如下：

（1）采用2 台500 RT 变频磁悬浮压缩机，每个压缩机采用独立的制冷系统。

（2）制冷机组采用新型全降膜蒸发器，比常规满液式蒸发器减少制冷剂充注量50%，降低机组成本，减少制冷剂对温室效应GWP 值的影响。全降膜蒸发器不仅可以避免传统满液式磁悬浮离心压缩机吸气带液造成对压缩机叶轮的冲击及轴承运行位移轨迹偏离，从而导致压缩机故障的问题，而且能够减少满液式蒸发器的静液柱压降损失，使传热效率提高15%。

（3）制冷机组壳管冷凝器采用独立过冷段设计，以提高制冷剂凝结后的过冷度，增大机组制冷量。

（4）制冷机组中的每台磁悬浮压缩机冷媒系统独立运行，每个系统蒸发器冷冻水串联，冷凝器冷却水串联。机组冷冻及冷却水路采用单流程，制冷运行时，冷冻水与冷却水水流方向相反，且冷媒是两个独立的回路系统，巧妙错开了两个系统的压力和温度，使得整个磁悬浮机组的每个制冷系统压比小于常规磁悬浮离心机组的压比，机组压缩机可以运行更低部分负荷，机组制冷量增大6%，综合部分负荷能效值IPLV 增加13%，机组运行更加安全稳定。

（5）制冷机组采用小压比氟泵冷却系统，能够在更低的冷却水温度下对机组压缩机变频器、电机及轴承进行冷却，从而实现机组在冬季低冷凝温度下高效运行的目标。机组最低冷却水进水温度为10 ℃。

（6）自主研发采用PLC 编程的变频水冷磁悬浮机组专用控制系统，温度控制精度可以达到±0.5 ℃。

3 双孢蘑菇菇房通风及气流循环系统设计研发

菇房栽培环境的温度、湿度、CO2浓度的均匀度和精准度是双孢蘑菇工厂化生产工艺中的关键控制点。菇房中不同部位的各项环境因子的均匀度，须在菇房环境调控装备、控制系统的基础上，根据菇房结构、床架布局等，精准设计通风及气流循环系统加以实现。本研发团队通过大量的研究与实践，设计了以自主分风器为核心的QSA 型双孢蘑菇菇房通风及气流循环系统，与国外两家知名企业设计的通风系统及国内普通设计的通风系统相比，其技术参数已达到国际先进水平（表2）。

表2 不同企业设计的双孢蘑菇菇房通风及气流循环系统技术参数比较

QSA 型双孢蘑菇菇房通风及气流循环系统其主要优特点如下：（1）发明了设计独特的分风器，实现菇房两条或三条风管均匀送风，不同风管的风量差不超过5%；（2）菇房的送风管及送风口均根据菇房结构、床架布局等进行精密计算及验证，以长×宽×高为35×12.5×5（m）的菇房为例，风管前后端的出风口风速差不超过8%，菇房内30 个不同位点的温度测试对比结果表明，最大温差仅0.9 ℃。

4 双孢蘑菇工厂化生产控制系统设计研发

控制系统是双孢蘑菇工厂化生产的“芯片”，自我国双孢蘑菇工厂化生产发展以来，控制系统一直被以Fancom 品牌为代表的荷兰企业垄断。Fancom 等国际品牌的控制系统不仅价格昂贵，而且因其为英文版，系统控制程序复杂，给国内技术人员的准确高效使用带来很大障碍。许多国内企业由于不能很好地掌握使用方法，导致许多功能无法充分发挥，因此国内不少使用Fancom 等国际品牌控制系统的企业，其双孢蘑菇产量和品质与荷兰、英国等相比，存在较大差距。

本研发团队在消化吸收Fancom 等国际品牌控制系统先进技术的基础上，根据我国双孢蘑菇工厂化生产实际条件，于2020年自主设计开发了中英文双语版QSC 型双孢蘑菇工厂化生产控制系统，操作界面简洁易懂，充分涵盖了双孢蘑菇生产各个阶段的工艺需求。经验证，各项功能与Fancom 相当，已达到国际先进水平，可实现进口替代。该产品市场售价仅为Fancom 等国际品牌的60%左右。

QSC 型双孢蘑菇工厂化生产控制系统的主要优特点如下：（1）菇房内温度、湿度和CO2浓度的控制设置10 个主阶段和4 个子阶段，每个阶段均可根据双孢蘑菇不同品种特性、不同生长阶段的需求，进行不同控制参数的设置和升降速度的调控；（2）配置菇房室内外温度、相对湿度、绝对湿度和焓值检测系统，在CO2浓度始终维持在管理者设置范围的前提下，能够最大限度利用外界自然冷风降低菇房内部温度，以实现节能降本。

5 双孢蘑菇工厂化生产环控装备与控制系统应用效果

本团队研发的双孢蘑菇工厂化生产环控装备与控制系统已在福建、陕西、甘肃等省的多家采用二次发酵料技术的栽培企业应用，平均产量从20～25 kg/m2提高到26～30 kg/m2，已达采用二次料技术的国际先进水平。当前荷兰等发达国家的双孢蘑菇工厂化生产普遍采用隧道集中发菌技术（三次料技术），平均产量已进一步提高到30～35 kg/m2。因此，我们还需进一步加大研发力度，不断突破国内双孢蘑菇工厂化生产装备制造的“卡脖子”难题，以实现真正的技术和产能领先。