中国储粮机械通风技术的应用进展

2023-02-05邢鑫王涛

粮食科技与经济 2023年5期

邢鑫王涛

摘要：在多年的基础理论研究和实践深入下，中国储粮通风技术已迈入低成本、集成化、信息化的时代。在储粮“四合一”技术的基础上，智能空调控温系统和横纵风道实验有效改善了横向通风控温不均的缺陷，制氮与谷冷系统的集成更趋于完善；储粮环保通风机实验稻谷、玉米和大豆保水效果良好，横向与竖向通风的对比实验显示前者水分出库损失更小；利用模型预测温度场以及模型优化能够更精确地确定通风时机。文章阐述了国内横向、保水和智能通风的研究现状，对其实验方法和不足进行了总结，并对未来国内储粮通风技术的发展方向进行展望，旨在指导储粮工作者探索适合各地储粮实际的新渠道。

关键词：储粮通风；横向；保水；智能

中图分类号：S229+.3 文献标志码：A DOI：10.16465/j.gste.cn431252ts.20230519

Application progress of mechanical ventilation technology for grain storage in China

Xing Xin， Wang Tao

（ Central Storage Cereal Taian Subordinate Warehouse， Taian， Shangdong 271000 ）

Abstract： On the basis of many years of theoretical research and practice， Chinas grain storage ventilation technology has entered the low cost， integration and information times. On the basis of "four-in-one" technology of grain storage， with the help of intelligent air temperature control system and transverse and longitudinal air duct experiment， the defects of uneven temperature control for transverse pass risk are effectively improved， and the integration of nitrogen production and valley cooling system is more perfect. The water retention effect of rice， corn and soybean is good in the experiment of environmental protection fans for grain storage. The comparison experiment of horizontal and vertical ventilation showed that the water loss of rice， corn and soybean is smaller. Using the model to predict the temperature field and optimize the model can determine the ventilation timing more accurately. In this paper， the research status of horizontal， water conservation and intelligent ventilation in China was described， the experimental methods and shortcomings were summarized， and the future development direction of domestic grain storage ventilation technology was prospected， in order to guide grain storage workers to explore new channels suitable for local grain storage practice.

Key words： grain storage and ventilation， horizontal， water retention， intelligence

機械通风技术在全世界已经被大规模地使用。20世纪30年代，一些国家便开始进行研究，例如苏联于1936年研究机械通风工艺，1936—1937年研制出房式仓的机械通风装置。二战之后推广应用，在20世纪50年代深入广泛地研究粮堆的通风技术，同期，我国的北京、苏州、武汉等地区沿用前苏联的机械通风装置，江苏于20世纪50年代后期进行了单管通风降温实验，探索机械通风的降温降水作用以及对高温入仓的早稻品质的影响。随着多管风机、地槽式和立筒式通风装置的技术发展，以及各省市的实仓通风调质实验成功，在20世纪80年代我国的储粮机械通风技术得到了大范围的推广应用，1984年仅江苏通风储藏的仓容就达到25亿kg。然而储粮通风技术的开发与实践进入新阶段，还是在“四合一”综合新技术体系建立后。至今机械通风不止在粮堆的降温降水方面成效显著，而且将环流熏蒸与谷物冷却结合后在熏蒸杀虫、膜下均温和增湿调质等储粮管理层面发挥了积极作用[1]。随着传感器、计算机和通信工程等现代电子技术的应用，温湿度管理监控系统能够对粮情变化实时监测，且能够进行数据传输、存储、分析、报警，对通风和熏蒸设备实现自动控制与适时运行[2-3]，能够处理粮食储藏期间的常规变化。

近年来国家大力提倡“节能降耗”“提质增效”等举措，在储粮系统内主要围绕改良通风方式、保水降温通风等方面，以及利用模型精准预测通风时机实施智能通风。相关领域的学者不断丰富储粮通风的理论，在实际应用中都有很多独到的见解，并且在实仓试验中也取得令人满意的效果。文章重点总结近年来学者们在储粮通风方面的研究成果，旨在通过各地富有实效的实验能够探索适合实际储藏管理的新渠道，能够为储粮工作者提供更明确的储粮通风新方向。

1 横向通风

自2008年起国家粮食局科学研究院就在模拟仓内对稻谷、小麦、玉米进行了多向通风实验研究，发现各粮种在不同通风方向上的单位粮层阻力存在显著差距，大粮堆具有显著各向异性，一些粮种的横向单位粮层阻力远低于竖向气流阻力，由此奠定了横向通风的理论基础[4]。之后白忠权等[5]利用计算流体力学方法进行数值模拟，对大型平房仓的横向式、压入和吸出式竖向通风阻力分析发现上行、下行和横向单位粮层阻力中，横向阻力最小，证实了各向异性阻力的分析。此后广大仓储工作者对这一通风方式展开孜孜不倦的研究。

1.1 横向通风控温

沈邦灶等[6]选取了砖混结构的拱板仓开展实验仓，在常温仓的基础上，将横向风网系统的所有支风道开孔，粮面覆盖薄膜的同时用PVC管导出粮面，空调空间制冷的冷气再通过自然交换均匀引入南北檐墙的支风道，最终粮堆表层汇聚为冷气囊，以此有效规避“热表皮”现象。空调开启的5个月内粮面温度降低1.0 ℃，整体平均粮温低0.9 ℃。实际通风降温作业中，粮面气囊压力要控制在50 Pa左右，设定温度在18～22 ℃，此时控温效果显著。

沈波等[7]对安装横向通风系统的仓房进行了五面控温实验。在粮堆内存在巨大冷心的前提下，通过FGR14 /A2-N4型控温专用空调，实现智能控温系统控制仓温及表层粮温，并用2台CZKI-7.5 型粮仓控温专用空调控制四周粮温，可将最高粮温控制在25 ℃以下，平均粮温低于20 ℃，达到准低温仓要求，而且在气温上升时段也能取得良好降温效果。刘益云等[8]研究发现，配置横向通风的五面控温方式能耗更低；仓房气密性在达到一级气密等级气调仓的标准时，膜下冷气微环流形成的动态隔热屏障可以实现冷量利用的最大化，达到绿色储粮的目的。

1.2 风道设计

湖北荆门沙洋国家粮食储备库为做好通风新技术推广工作，进行了横向通风系统与原有地上笼混合使用的风道研究实验。如图1所示，横向通风系统布置于两侧檐墙底部，支风道固定于两侧檐墙内壁，下端与主风道连接，共29条通风口，两侧墙壁各设置3道。竖向通风系统支风道共9个，采用CFLH-11A离心风机，功率11 kW。冬季通风结束后，稻谷全仓平均水分由14.0%降至13.5%，降水幅度为0.5%；整仓平均粮温从28 ℃降至4 ℃，降温幅度为24 ℃，与其他使用单风道的仓房对比分析，风道混合设计降温效果较好，并且降温降水速率较高，通风均匀性良好，有广阔的使用前景[9]。

在土地成本越来越高以及“四散化”变革的背景之下，筒仓储粮应用越来越广泛。但是目前筒仓应用的上行通风粮层阻力大，由此更造成效率低下能耗升高等弊端。由于其根本原因是现有风机效果不能适应高粮层的通风阻力，所以李成等[10]在传统的筒仓通风系统基础上增加了6根仓壁通风管，管体部分开孔，开孔率大于30%，形成了由移动式通风风机、地槽风道、地槽分配器、仓壁通风管和仓顶通风管组成的新型通风系统（图2），本质也是混合风道。

1.3 技术集成

目前横向通风技术虽然在全国范围内推广应用，但是与各个地区储存环境的适应性尚存不足，技术和设备、工艺缺乏有机衔接，主要表现为缺乏系统规划；设备繁多，管道及控制柜重复设置；技术体系相对独立，实际工作操作不便，以及仓房整洁和美观受到影响等。因此储粮工作者就设备工艺等衔接问题展开了探索。

氮气气调具有延缓粮食变质、抑制虫霉孳生和绿色环保等优势，可以少量用作储粮防护剂。陈渠玲等[11]针对湖南地区氮气气调鲜有研究的现况，进行了24 m跨度的高大平房仓的膜下环流氮气气调实验，由于实验仓房配置横向通风系统，故需要考虑氮气随横向气流的浓度变化以及虫口密度筛选检测点。实际充氮过程中，氮气浓度由南至北，即按照横向气流方向不断推进，在充气过程中观察发现粮仓内害虫活动趋向于氮气浓度较低的区域，尤其以粮面覆膜的胶合处和大门槽管处最为集中。实际筛检虫笼，杀虫率100%，虫口密度监测点未发现活虫，对于磷化氢抗性较强的锈赤扁谷盗，实验虫笼测试98%的氮气维持58 d杀虫率为100%，灭杀效果显著。说明密闭条件下，虽然横向气流会造成氮气的浓度差异，但是气囊状态下的仓内循环可以弥补局部浓度不足的缺陷，所以位于氮气检测点较薄弱的气流下游也可以达到期望灭杀率。之后殷家明等[12]在横向风道的基础上，探索了变压吸附制氮气调工艺的连续与间隙充气的浓度变化规律，证明变压吸附制氮充气适用于搭载横向风网的24 m跨折线仓。实践表明，以横向通风为基础的横向冲环工艺在最初的实践过程出现杀虫不彻底、浓度不均和充氮时间过长等问题，某些库在配备固定式膜分离制氮系统的基础上，优化仓房外进出口管道方向，氮气回流口配置于主风道上，可以使粮堆内气流轨迹更加合理，回流口和粮堆底层等的局部低浓度部位有所减少，从而改善了浓度和均匀度的缺陷，并且充氮效率明显上升。

张晓培[13]利用“四合一”升级的谷冷机与横向通风系统结合，对玉米的降温效果展开实验。结果显示，进风口温度比出风口下滑显著。同时实验发现冷风出入风道速度相对迟缓，判断原因在于横向谷冷风面路径长。此次实验主风道并未开孔和隔断，谷冷机不能并联使用，还需要进一步作工艺研究。陈昌勇等[14]重點关注了仓房气密性对降温效果的影响。对实验仓预先进行气密前处理：内墙及地面采用纳米材料喷涂；茂金丝复合粮食专用膜覆盖粮层，并用双槽管压实；仓顶使用聚氨酯发泡材料隔热保温。实测-300 Pa压力半衰期接近国家一级标准，在此良好的气密条件下，冷气流推进速度快，使得降温速度快而且效果良好，实验过程单位能耗仅为0.185 kW·h/（t·℃），显著低于国标最大能耗指标0.5 kW·h/（t·℃），因此虽然横向谷冷风面路径长，但是通过前期的气密检查、补漏和保温隔热工作，能够促进冷气流推进速度，从而降低能耗。此后李倩倩等[15]对高温高湿地区的稻谷谷冷降温展开研究，探索在24 m跨度的平房仓分区降温效果及能耗。其方法是在东侧平均粮温降至15 ℃以下时更换至西侧，在环境温度低于粮温较多时暂停，在此通风模式下温度下降幅度达到8.9 ℃，而能耗也比前者低，为0.1 kW·h/（t·℃）。

此外，周刚等[16]将横向通风与环流熏蒸、内环流控温、保水通风等储粮工艺与技术进行整合集成，具体表现在：纵向转变为横向环流；单面沿墙通风笼实现一组替换多组内环流设备；内环流与环流熏蒸在合理气流管路通径下合二为一；温湿度调节器串联接入环流管道送入粮堆实现增湿降温的空气循环；横向通风助力热空气交换。使用此套工艺技术集成，不仅避免了“冷心热皮”问题，而且兼具保水降温作用，对于条件合适的库区具有可行性。

2 保水通风

虽然基于多孔传热传质理论[17]下各地对储粮保水技术展开各种探索，并且取得较大进展，但是实际应用的通风工艺还存在一定的局限性。比如轴流风机通风虽然单位能耗低，但是囿于自然通风的局限，比如在气候干燥的西北以及冬季温湿度不适宜的南方地区，实用性不佳；谷物冷却机不受自然条件限制，然而机器价格、运行成本以及实际送风湿度效果差等问题弱化了推广价值。由于普通的保水通风技术是直接通过管路传送湿冷空气，如果送风道设计工艺欠缺，容易造成通风死角，此时温度的差异更易造成水分凝结形成结露。

广州直属库研发了HBTF-XA433-YS储粮环保通风机，该设备控湿系统的纸帘兼具增湿与降温功能（见图3）：水流经过纸帘会在纤维表面生成水膜，空气穿过水膜时会吸收水滴汽化的水蒸气从而使相对湿度增大；汽化过程还会吸收四周热量实现降温目的，根据实验数据总结相对湿度可达到75%～99%，空气温度能降低3～5 ℃[18]。

2.1 品种试验

储粮工作者对通风机的送风湿度进行过多次实验，力求达到既能降低温度又可以保持水分不降。林春华等[19]对4个实验仓（三仓稻谷和一仓玉米）展开通风研究，令冷风从粮面上的风管进入，通过地笼通风口导出至仓外，为正压下行式。将出风口端湿度控制在75%～85%下进行通风保水实验，结果显示整仓平均水分上升0.3%，并且出仓水分可以恢复至入仓水分值，同时平均粮温降幅在4～7 ℃，实现了通风降温同时保持水分的目的，经济效益可观。由于种皮薄且结构疏松的小麦的吸湿性要远大于稻谷和玉米，所以湿度调节需要充分考究不同粮种的水分吸附效能。

大豆水分活性高，故吸湿性强容易发热霉变[20]。华南地区由于冬季低温时间短，并且空气相对湿度较大，普通的通风方式难以实现目标湿度与降低温度兼容。利用环保通风机，调节适宜的出风湿度可以实现较好的结果。设置送风湿度为85%，并且通风期间重点关注粮堆表层水分，及时调整通风湿度，翻动粮面保持水分均衡防止局部霉变。经检测发现，平均粮温下降5.8 ℃，平均水分降低0.1%，降幅不大但是50 cm的表层水分增加，而且兼具经济效益[21]。

2.2 横向通风保水效能

由于横向通风风量分布均匀、通风均匀度好等优势，诸多学者以及业内专家不仅就控温效果展开大量的试验，而且对比竖向通风的保水效果也得出了比较好的结论，采用覆膜式工艺得到了比揭膜式更少的水分损失。

许建双等[22]在跨度30 m的小麦仓中进行了两种不同的横向通风实验，即一个仓的粮面用聚氯乙烯薄膜密封严实（覆膜式）；另一个仓分阶段揭膜，第一阶段粮堆中段揭膜，两侧密封，第二阶段两侧揭膜粮堆中间密封，直至降至目标粮温。实验发现，覆膜式水分损失比揭膜式小0.1%，同时分层扦样发现覆膜式水分均匀度优于揭膜式，水分分层概率的降低对于安全储藏意义重大。

刘惠标等[23]对福建漳州地区稻谷仓的横向通风水分保持力进行了实验追踪。对实验仓采用覆膜工艺，同时安装了国家粮食和物资储备局研究院研发的智能通风控制系统，对照仓则设置了竖向通风系统（不覆膜）而且未配备智能调控系统，但出仓时进行了调制通风。对于前者粮堆平均水分上升，而对照仓水分下降显著，而且出仓调质损耗率也远高于横向通风仓，说明采用智能通风的横向通风方式保水效果更佳。

对于漳州的实验因为变量有智能调风的影响因素，而且实验仓采用的是覆膜工艺，所以不能单纯确定横竖通风方式的效果。梁彦伟等[24]就中温高湿的储粮区环境，针对晚粳稻谷对比了横竖向通风的水分损失和能耗等，横向与竖向通风仓自然环境和仓储条件基本相同，排除了其他因素的影响。达到相同的降温幅度，横向通风所需要的时间更长，对应通风能耗比竖向通更高，但是如表1所示，横向通风降温的同时其失水率却仅为竖向通风的40%，换算为粮食损失可减少6.4 t，从长远来看有更强的潜在经济价值。

3 智能通风

智能通风的实现主要得益于CAE方程的数学拟合和CFD的数值模拟。前者是由吴子丹对粮食水分吸附“S”曲线中的线性区段进行数学拟合得到的EMC/ERH经验式方程。利用CAE方程建立控制模型，通过粮情检测系统追踪气温、粮温和湿度变化，两者有机衔接，并根据通风窗口理论判断通风条件和状态，利用计算机控制通风过程；CFD（computational fluid dynamics），即计算流体动力学，是对通风过程的模拟分析，主要是对准静态粮堆的热量传递和通风过程的压力分布与变化进行数值模拟，并利用计算机的計算结果描述流体的运动，定量分析传热和传质的过程。粮仓内的数值仿真研究涉及非定常流动以及传热与传质，对不同研究对象采用区域网格化划分，得出不同模型，再结合流体运动规律和能量守恒定律，通过实验得出湍流模型并最终确定合理的CFD方案。由于其投入低、周期短且仿真能力强，伴随着计算机技术的成熟可以运用该技术对粮堆进行更有突破性的研究。如房詠柳等[25]、邱化禹等[26]、顾巍等[27]分别对不同粮高的粮堆阻力和孔隙变化、横向通风系统优化、环形与U形风道的通风换热过程进行了仓内气流仿真研究；彭威[28]建立了准稳态和粮堆通风三维理论模型，并对粮食温度场和机械通风条件的压力场展开模拟实验；胡耀华等[29]证实多孔介质模型与标准k-ε湍流模型结合运用，可以较准确地预测不同粮种和环境下温度场和湿度场的分布状况。

某些储粮工作者利用专家通风系统作为辅助决策工具展开粮堆的储藏研究。专家通风系统是通过人机交互的方式以及系统自学来获取知识以及修订补充，建立各種相关储粮技术知识与储粮机械通风和粮食安全储藏相关数据及经验知识，并建立相应的数据模型、图形模型和集成数据。其依据专业领域的一个或多个专家系统提供的合适经验，进行推理判断，以模拟人类专家解决储粮通风问题。张恒等[30]使用一套粮堆温湿水多参数一体化实时检测预警系统，基于专家系统的决策对冬季小麦开展降温保水通风。通风开始通过专家系统的分析判断适合通风的室外温湿度区间，并通过每天的粮温与水分变化，在整个通风过程中利用专家系统对通风条件进行校正，选择较为合适的通风时机。与未用专家控制系统的对照仓对比发现，实验仓降水幅度更小，并且能耗统计显示比传统24 h的通风模式节电约2/3，对于优化通风管理成效显著；也有学者对浅圆仓内应用智能通风系统的安全性与实用性等方面进行评估，其同样利用专家系统判断通风时机。对不同位置静压值测算以及测量表观风速均可证明通风均匀性良好，整仓平均温度下降明显，说明该系统具有实用性。同时将蝶阀与风机合理顺序开闭的原则贯彻到整个通风过程中，风机运转正常，证明安全性达标。

智能通风能够在很大程度上避免人工经验操作的低效、无效甚至有害通风现象的发生[31]。应用智能通风控制储粮环境最关键的是对通风状态下粮堆温度的准确测定，综合相关学者已有的研究成果可以发现：一是大量运用数学模型以及数值模拟研究传热变化规律；二是采用专家系统、遗传算法等对通风条件的判断实现控制。但是由于通风过程作用错综复杂，前者并不能准确反映粮堆温度与其影响因素之间的线性关系；专家系统主观性强，受经验影响大所以也仅仅作为辅助决策。针对现有智能通风系统应对粮温变化的智能化程度不足的问题，南少伟[32]采用随机森林算法（RFR）、支持向量机算法（support vector machine，SVM）和BP神经网络算法建立了基于粮堆最高温度的预测模型，实仓实验下对比发现随机森林预测拟合效果最优，运用该模型得到影响粮堆最高温的重要性，分析结果，可以有效地指导通风时机的选择；同时利用通风口风速、通风口温度和粮堆最高温的三维图解，得到粮堆最高温度降至低温条件的临界点集合，通过在临界点附近选择测试点可以为定量化控制粮温提供参考。

控制理论方向的学者对预测模型和算法优化模型也进行了整合[33]。选择RBF神经网络模型预测基于仓内外与通风口环境的粮堆温度，以粒子群算法（particle swarm optimization，PSO）进行极值与权重更新，通过列文伯格-马夸尔特算法（levenberg-marquard，LM）修复PSO的局部最优解，最后利用PSO-LM模式进一步优化网络参数。实际操作时选用横向通风仓，其通风方向的3个截面中的仓内外湿度，通风口风速、温湿度等作为基于RBF的仿真预测参数，与粮堆内实际温度传感器的采集温度比较贴合度。通过PSO-LMRBF的组合预测模型与PSO-RBF的性能指标对照发现，前者MAE（平均绝对误差）、MSE（均方误差）和RMSE（均方根误差）均小于后者，说明PSO和LM两者结合达到理想效果，改进后的RBF组合预测模型误差更小，对于粮堆温度的预期更加稳定。

4 储粮机械通风技术展望

自20世纪80年代我国储粮通风技术大力推广应用，“四合一”带来的通风新技术蓬勃发展，源于我国对储粮通风更深入的基础理论研究，比如粮堆各向阻力的差异、粮堆多孔传质理论的发展以及多场耦合控制理论的探索，都为通风技术的突破奠定了坚实的理论基础。随着广大学者以及储粮工作者在理论和实践上的突破，目前储粮通风技术可以归结为3个大趋势：首先是对于通风的目标由安全保质趋向于节能减损和保量保鲜；其次新旧技术趋于有机统一、整合集成，技术设备工艺的有效衔接将在减少设备投资、简化操作、节省人力及降低储粮成本[16]等方面扮演重要角色；第三是智能通风的数学控制模型趋于完善，控制方法以及配套硬件设施更加精准智能。

目前广大粮食工作者对技术工艺已经有一定的创新，并且在原有的设备上多次实验也得到改良，但是我国幅员辽阔，气候差异明显，仅储粮生态区就划分为7个，这无疑加深了技术工艺之间相互应用融合的难度，而且还有相当程度的研究针对的是特定区域的特殊自然条件，储存品种的差异化不可避免；目前对于横向通风的系统集成研究较少，仅有对于小麦在仓库的实践，鉴于其他粮种的吸湿性以及孔隙度都有各自特点，所以集成后的通风效能是一个必须考虑的因素；虽然多数粮库对智能通风进行了研究实践，但是由于参数变化的定量分析或者专家系统的研判在以温度为关键因素的时机判别中滞后甚至失误，导致通风出现局部死角或温度控制不理想。所以今后的发展方向是要加强技术工艺的区域深度融合；探索基于横向通风的不同粮种系统集成工艺，对于水分活性较强的大豆以及呼吸强度大、温度变化敏感且易失水的玉米，可以充分利用横向通风的均匀性以及内环流等的控温优势；除了以温度作为通风时机的研判标准，还需要再探索便于增强稳定性和预测误差更小的算法标准，以及继续创新多种算法的结合，以增强数据处理能力，推进模型精准赋能。

参考文献

[1] 国家粮食局科学研究院.弘扬“四无粮仓”精神推进粮食仓储技术现代化[EB/OL].（2018-11-25）[2022-12-28].http：//www.lswz.gov. cn/html/zhuanti/n16/n3615/n3676/n5104196/n5106465/5106971. html.

[2] 刘宏杰.无线粮情监测系统设计[D].新乡：河南师范大学，2019：17-18.

[3] 冯鸿超.基于温湿度粮情的储粮安全风险预警模型及应用[D].郑州：河南工业大学，2019：23-39.

[4] 赵会义，张宏宇，李福君，等.我国储粮机械通风技术发展[J].粮油食品科技，2015，23（增刊1）：4-10.

[5] 白忠权，李大勇，郭振宇，等.大型粮仓中非均匀气流分布的数值模拟[J].节能，2012，31（4）：21-24+2.

[6] 沈邦灶，叶盈盈，俞鲁锋，等.基于横向通风系统的粮堆动态控温储粮应用研究[J].仓储技术，2019，35（1）：29-32.

[7] 沈波，孙沛灵，何力，等.基于横向风网系统的五面控温储粮应用试验[J].仓储技术，2020，36（5）：17-20.

[8] 刘益云，金建德，盛林霞，等.五面控温方式储粮效果试验[J].粮油仓储科技通讯，2021，37（3）：12-14.

[9] 马文斌，和国文，金勇文，等.房式仓储粮横竖向联合通风实仓实验研究[J].仓储物流，2018，26（2）：68-71.

[10] 李成，韩赟，陈传波.大直径筒仓横向通风设计的探讨[J].粮食与食品工业，2022，29（4）：50-52+55.

[11] 陈渠玲，陈昌勇，张源泉，等.氮气气调技术在横向通风系统中的应用研究[J].粮食科技与经济，2018，43（4）：97-100.

[12] 殷家明，刘胜强，蒋雪梅，等.横向通风系统变压吸附制氮气调技术的研究[J].粮食储藏，2020，49（5）：6-9.

[13] 张晓培.横向谷冷降温技术试验[J].仓储技术，2019，35（4）：25-26.