低温储粮技术研究进展*

黄 宏 张绪坤 李 俊 张雪龙冯健雄 袁林峰 何家林 周巾英*

(1 南昌航空大学 机械电子工程系 330063)(2 江西省农业科学院农产品加工研究所 330020)

低温储藏(low temperature storage)是c15℃及以下，局部最高粮温不超过20℃的储藏方式。研究发现粮堆中害虫生长的环境温度普遍比较高，在粮堆温度低于15℃的情况下，大部分害虫不能进行正常的生命活动；在5℃～10℃的粮堆温度下，经过一段时间后，发现大多数种类的害虫存活数几乎为零；针对粮堆内部的微生物在15℃以下时，其生长繁殖受到了抑制，尤其是在10℃以下甚至陷入停滞[1]。目前国内大多数粮仓气密性比较差，使用药剂和气调储粮费用比较高。同时现阶段人民对生活品质的追求，对药物残留都有严格要求。低温储藏不需要进行频繁气调、减少了化学药剂使用，同时可以有效延缓粮食品质劣变。

粮堆是由粮食颗粒堆积而成的多孔介质。对粮堆进行控温控湿的过程实质上是粮食颗粒与空气之间进行的热湿耦合传递过程，也就是多孔介质的传热传质过程。通过对粮堆对流换热，从而达到降温或者降湿目的。目前，针对储粮的控温技术国内外均进行了大量研究。随着谷冷机、空调控温、智能通风技术等控温技术的发展，对不同地域气候的储粮区域进行针对性建设储粮设施、采用相应的控温技术体系。本文通过综述国内外主流的控温技术及保温技术，分析了低温储藏技术未来发展方向。

1 低温储藏在储粮中的应用研究

1.1 自然低温储藏技术

自然低温储粮是利用天然冷气资源(秋冬季节的低温干冷空气)通过开窗通风、轴流风机送风等方式，让外界的低温干冷空气与粮堆进行热交换，从而使粮堆温度处于低温状态。同时通过粮面覆膜、铺设保温墙体等保冷措施，降低粮堆与外界热交换速率，延缓粮堆温度上升，继而达到延长粮食储存时间的目的。我国气候环境多样，自然低温储粮技术在华北、东北、西北等低温天气时间长的地区拥有广泛前景[2]。长江中下游流域在冬季也有较长的低温期，在冬季干燥的天气时可以对粮仓进行谷冷作业。周建新[3]通过研究发现在进行自然冷源作业之后，通过增加保冷隔热措施及科学优化储粮工艺管理，粮堆最高月平均温度能够处于准低温状态。试验同时发现自然低温储藏对粮堆病虫害发生有一定抑制作用，有利于保持粮食品质，减少粮食因病虫害的损失。在春季环境温度逐渐上升期间，对粮仓进行保冷作业：如关闭通风窗口，在粮面压盖保温材料、通过屋顶喷涂高反射率保温涂料、粮仓外壁铺设隔热材料、粮仓顶部改为双层通风屋顶等，降低外界热传导对粮堆的影响；同时对粮仓进行密封作业，如：粮面覆膜，对平房仓气密性改造，减少粮堆内部与外界气流热交换，提高保冷效果。

1.2 机械通风控温储粮技术

针对外界环境温度高于粮堆温度，通过机械通风或谷物冷却机来降低粮温、实现控温储藏。

1.2.1 垂直通风 对粮堆进行机械通风，就必须对粮仓的通风系统进行合理设计，同时针对不同需求如：降温、降水、保水，采取不同通风方式。针对不同粮情，利用粮堆通风窗口理论对粮堆进行通风控制，保障储粮安全与减少能耗[4]。通过对垂直通风系统进行研究发现，地上笼通风能耗比地槽低，钢板通风笼比竹笼材质能耗低；轴流风机比混流风机节能，而混流风机比离心风机节能，但是使用离心风机压入再用混流风机吸出的组合方式进行通风较单纯压入或者吸出通风的保水效果更好[5]。

随着国家对储粮安全提出了更高要求，国内研究人员对不同粮仓通风系统进行了进一步研究。目前国内实仓试验的研究对象多集中在风机和通风方向，缺少对风网系统的研究。吴琼[6]对粮仓通风管网系统进行了研究完善。在高大平房仓“圭”字形通风地笼基础上，合理安排内环流管网系统，调节粮堆温湿度的均匀性；对筒仓则大部分采用地槽方便出料和清理，同时通过改进已有的放射型与梳型风道，对其支风道进行加密；还开发了“圭”字形、环形、“丰”形风道，增大风网出风面积降低通风阻力。吴琼与郑颂[7]通过研究浅圆仓的风速、风压对风道设计的影响，根据试验结果可知：相同风机参数下，风机台数越多通风阻力越大，对比的几种风道中“圭”字形风道较为合适。

综上所述，在垂直通风过程中，合理选用风机类型及适当的通风方式，同时合理设计风道可以有效提高通风效率，节约能源，保持水分均匀。在风道设计方面，依然可以进行优化升级，以改进通风热湿传递效果。

1.2.2 径向通风 目前国内主流仓型为高大平房仓、立筒仓、浅圆仓，装粮高度越来越高，传统垂直通风模式越来越无法快速高效地将高温粮堆温度降至安全储粮温度，而且在垂直通风过程中，粮堆内部温度与水分梯度仍然明显。在耗能方面，垂直通风由于存在通风阻力，耗能加大，经济效益不佳。国内外对粮堆通风阻力进行了研究，研究成果如表1。

表1 垂直/水平通风单位阻力比

由表1可以看出，水平通风阻力低于垂直通风，尤其是在玉米储藏过程中垂直通风阻力为水平通风的2.6倍。由通风基本原理可以知道，在相同的传热传质速率情况下，径向通风风速比纵向通风低。平房仓虽然水平通风时长较垂直通风长一倍，但是通风能耗相差不大，不用揭膜封膜、拆装风笼，同时可以采用小功率轴流风机通风，保水效果显著提高[8]。由于筒仓粮堆高度远高于平房仓，垂直通风路径长，通风阻力大，温度下降速率慢，刘天寿[9]把筒仓垂直通风改为径向通风，同时利用活塞控制风道的关闭与隔离，达到减少通风阻力和防止气流短路的目的，但是通风管路控制复杂。通过进一步研究水平通风与垂直通风两种风网的通风效果，发现水平通风形式能够减少通风阻力、提高温湿度均匀性。在筒仓水平通风风网的设计中，未加设垂直支风道风网的气流不能像平房仓那样近乎水平，通风路径长，在保证气流不短路的情况下，支风道高度对筒仓水平通风效果有明显影响。李杰[10]针对不同高度的支风道进行研究，结果表明增加支风道能够加快气流速度，但粮堆中心风管顶部流速变化不明显。杜传致[11]通过对小麦横向通风与竖向通风的温湿度变化情况进行研究，发现横向通风的温度不仅变化趋势比竖向通风快，而且变化幅度也比竖向通风大。张修霖[12]对浅圆仓径向通风进行了模拟研究，发现在一定范围内增加支风道高度，会降低粮堆通风阻力和通风均匀性；中心风管的形状也会影响粮堆内部气流的流动，进一步影响通风效率和粮仓高温区域的位置及规模。姜俊伊[13]利用两个尺寸基本相同的平房仓分别进行水平通风和垂直通风试验，发现横向通风均匀性更好，间隔为1 m的通风截面上温差约为0.25℃，而纵向通风则为0.49℃，另外横向通风使用2台3 kW的小功率轴流风机通风效果较使用3台竖向通风的对照仓好。杨泰[14]对浅圆仓三种不同形式的通风管网进行14 h的通风效果试验，发现在试验粮堆高度下：垂直通风速率快，但通风均匀性相差不大，联合通风形式的耗能更低。

综上所述，利用水平通风，同时合理设计通风管路能够提高通风效率、在保证粮堆储藏安全的情况下，能够降低设备成本和能源消耗。虽然水平通风技术研究取得了一定进展，但是还有很多待研究的部分。水平通风与其他通风技术，如与谷冷机、空调降温、环流、熏蒸等的结合应用还有待研究。还要进一步优化通风管网系统的设计，提高通风均匀性，消除通风死角，提高通风效率。

1.2.3 机械通风数值模拟技术 由于进行实仓试验需要耗费大量人力物力，通过数值模拟技术可以验证通风系统的合理性，节约试验成本。国内外学者利用数值模拟技术对粮仓通风进行模拟。

Chang和Converse[15]等人利用两个直径6.6 m的筒仓进行机械通风与自然储藏粮食试验，建立了一种预测储藏期间籽粒水分含量及其在籽粒内部分布的模型，该模型和所确定的参数值可用于预测在机械通风和无机械通风储藏小麦的水分含量和分布。Chen和Wang[16]等根据静态储存散粮的特点和虚拟连续介质的假设，采用局部热平衡方法，选取散粮中具有代表性的基本体积，建立了散粮传热传质模型，建立了小麦静态储藏过程的传热传质耦合模型。Abbouds和Chung[17]利用有限差分法建立了粮堆的热湿传递数学模型，同时考虑了水分扩散、热对流、热传导、热源的影响，特别是热对流对模型精度影响很大。王远成团队[18-19]在研究粮食储藏过程中的热湿传递规律做了许多探索，利用数值模拟与试验相结合的方法，对粮堆自然储藏及机械通风过程的温度水分变化规律进行了研究，同时探索了垂直通风与水平通风的效果对比。张淑红[23]以“U”形地槽平房仓作为模型对机械通风降温效果进行模拟研究，取得与实仓相符合的结果，对进一步改进平房仓机械通风系统有重要意义。

综上所述，利用数值模拟的办法探究粮堆内部热湿传递规律，是切实可行的。通过国内外对粮堆内部热湿耦合规律的研究成果，为研究粮堆的结露现象提供了可用的预警模型，为分析及预测粮食储藏规律与优化储藏工艺提供了工具。虽然粮堆储存过程中的传热传质机理取得了相当大的进展，但是在对一个储粮周期内的模拟研究还比较少。

1.3 机械制冷控温技术

1.3.1 空调控温技术 空调控温技术是将粮仓上部空间空气通过空调机进行制冷，然后再通入粮仓，达到降低粮仓上部温度的目的。粮仓上部的空气再与粮堆进行换热，进一步使粮堆温度由表层到底层逐次降低，最后使粮堆处于低温状态，达到低温储粮的目的。家用空调或工业用空调对粮仓进行降温容易导致以下问题：不防尘防爆、不耐腐蚀，降水明显等[24]，近年来都使用专用空调来解决上述问题。单独使用空调对粮仓进行降温，会导致能耗大、容易结露，采用内环流与空调控温结合的技术，能够有效减少空调开启时间，而且比单独使用空调减少62%的能耗，同时能够有效避免粮温过高，结露现象[25]。研究空调控温与其他通风技术结合，对提高储粮安全，达到科学、经济的目的具有重大意义。

1.3.2 谷物冷却机控温技术 谷冷机控温技术是利用可调节出风温度与湿度的谷冷机，将满足储粮需要的温度、湿度的空气输送到粮堆中。通过与粮堆进行热湿交换，达到低温储粮，保水降温的目的。另外谷冷机能够控制送风温湿度，可以不受环境影响，达到使粮温下降的目的，同时粮堆的水分损失较普通通风少[26]。我国幅员辽阔，气温差别明显，北方部分地区高温天气维持时间短，导致谷冷机的需求不强烈；南方高温天气持续时间长，谷冷机作业时间长、使用频繁，能耗过高，李杰[27]研究了谷冷机与空调制冷控温成本，发现谷冷机制冷成本高于空调制冷。其主要原因是粮堆是热的不良导体，粮堆表层温度超过安全温度，而粮堆内部依然保持低温状态，利用空调控温仅需要对表层粮堆降温，故能耗低。张淑珍[28]根据以往谷冷机的应用经验，总结出合理配置谷冷机、合理计划储粮温度、充分利用粮堆蓄热特性、合理规划通风时机、分段冷却通风和科学制定通风参数六个方面来降低谷冷机作业的能耗。另外，也可以利用内环流通风技术与谷冷机控温技术相结合的方法，优化谷冷工艺，在一次作业期间吨粮电耗能够减少46%[29]。通过结合不同区域的气候特点，科学合理利用谷冷机，实现控温保水的要求下，减少能耗。

1.3.3 其它制冷控温技术 热泵技术与太阳能制冷控温技术是新型控温技术，绿色环保，对环境没有污染，符合绿色生态、节能低碳的要求，虽然技术门槛高，使用成本大，但随着技术发展，在粮仓制冷控温应用前景良好。

2 粮仓的保温隔热技术

当外界温度高于粮堆温度时，热量将通过仓顶、仓壁等传进粮堆，由于粮仓的密封性较好，无法及时将外部传入的热量排出仓外，导致热量堆积在粮堆表层及近壁面，从而形成“热皮”现象。高大平房仓粮堆“热皮”主要来源于仓顶、仓墙四周和门窗，其中以仓顶辐射热量最多，约占70%[30]。王薇[31]对浅圆仓进行实测也发现70%左右的热量是由仓顶传入。

由此可见，解决好仓体的隔热问题是粮仓保温隔热的关键。袁育芬[32]通过热平衡计算的方法，提出不同粮区采用的粮仓保温隔热方法。《粮油储藏技术规范》[33]对粮仓隔热性能在不同区域范围提出了相关要求，具体措施如表2所示。

表2 不同区域粮仓保温隔热方法

在对粮仓围护结构保温隔热的条件下，还要进一步对粮堆进行保温隔热。对粮面一般采取覆膜和加隔热板等压盖措施，减少热量传递[41]。在建设粮仓选用隔热措施的时候，应该根据不同需求，按热平衡计算结果，选用合适的保温结构和保温材料，实现安全、节能储粮的目的。

3 内环流技术

由于在自然低温储藏过程中粮堆内部存在冷心，可以使用内环流技术，降低粮面温度，减少粮堆温度梯度，达到均温保水作用。吴镇等[42]通过对高大平房仓进行内环流控温试验，在7～9月温度超过25℃、粮堆内部温度梯度大于4℃或者水分梯度大于0.5%的情况下开启内环流系统。试验发现：试验仓粮堆中下部温度相比对照仓温度高，而顶层温度低于对照仓温度。而且在气温逐渐上升的7月、8月试验仓仍能保持整体温度低于对照仓，9月随着气温转凉，试验仓表层高温区域温度在15℃～20℃，对照仓由于没有采用内环流技术，无法利用中下层低温冷源，表层温度在20℃～30℃。故采用内环流技术，可以彻底消除“冷心热皮”现象，有效降低表层近壁侧的温度，保证低温储粮环境；另外，内循环不会带走粮堆内部的水分，并且可以降低水分梯度，进一步达到低温储粮、保质保水目的。使用内环流控温技术可以降低制冷能耗，达到节能减排的作用[43]。但是内环流技术在高温天气不能降低粮堆整体平均温度，为了保证储粮安全应该在内环流过程中进行补冷作业，降低粮堆整体温度，达到低温储粮要求。王远成等[30]将粮堆视为可吸湿性多孔介质，基于局部热平衡假设及谷物等温吸附原理建立粮堆的热湿耦合数学模型。研究了浅圆仓稻谷在自然对流状态下，全年粮堆内部热量及水分变化情况。通过对粮堆内部温度变化规律的研究，选择合适时机对粮堆进行科学降温补冷作业，最大化做到节能与安全储粮。

4 粮食低温储藏技术总结与展望

低温储藏技术是多种控温措施集成的一种储粮技术，主要是利用多种控温措施将粮堆温度保持在安全储粮温度之下，从而延长粮食保质期，减少储粮损失；同时减少化学药剂的对粮食本身的污染，保证食品安全，是绿色的储存技术。目前，全国各个地区针对各自环境特点，开展各具特色的储粮方式，取得了很好的储粮效果。然而在实际生产中还有一些问题待优化：在仓房的结构方面，为了增加保冷隔热效果，大都是从建筑材料上进行改进，如墙体采用空心砖及气砖隔热层、墙壁铺贴保温隔热涂层、仓顶铺设反光材料，缺乏对这些措施实际参数的研究，特别是对改造后的传热系数等重要参数进行实验论证。应该对保温材料及其施工工艺进行标准化、规范化操作。在仓房改造过程中，气密性仍然是需重点关注的问题，粮仓依然存在漏气问题，尤其是还未进行改造的旧粮仓。即使是新建粮仓，其气密性也会随着时间慢慢下降，所以要定期对粮仓展开气密性检查。针对国家节能减排的要求，还可将太阳能、地热能、风能等可再生能源应用于储粮，进一步提高储粮经济性。尤其是对仓顶应用太阳能制冷技术的研究，既可以为制冷提供能源，也可以减少太阳辐射对粮面的温度传递，减少“热皮”的范围和高温程度。

要进一步对粮仓通风制冷的基础理论进行研究。利用计算机模拟仿真技术建立更加精确的数学模型，然后对现有的通风技术进行优化。目前储粮传热传质机理研究正在逐步完善，现行的传热传质数学模型基本上能够准确预测粮堆在通风与自然储藏状态下的温度湿度变化。但是大多数研究忽略了粮堆是一个生态系统，粮食颗粒呼吸作用，病虫害的生物作用，都会引起粮堆温度变化，而温度变化又会进一步影响粮堆的储藏安全。将整个粮堆看作多孔介质，在模型当中大多数都将多孔介质孔隙率视为不变，在实际储藏中，粮堆是含有杂质的，在布料过程中，粮堆是不均匀的。这些都会导致孔隙率的改变，进一步影响模型的精确度。在引入环境温度作为边界条件加入模型当中，并没有考虑到仓壁物理特性的影响，而直接利用仓壁外侧温度作为仓壁内侧温度作为边界条件。在未来的研究中，进一步完善粮食储藏过程中的数学模型，从粮堆的生物特性和物理特性进行研究，各参数设置对模型精确度影响开展实验并找到最适值。

针对粮仓进行智能化控制，降低劳动强度达到实时迅速控制储粮安全，要从生物、机械通风原理、检测设备和编程四个方向共同研究。合理控制粮堆温度湿度以及调控粮堆生态系统，以求达到延长粮食保质期和降低能耗的目的。加大对粮情控制系统的投入，引进云平台，对粮仓进行远程实时监管，能够对粮情变化做到自动控制。可以将粮情实时汇总到国家主管单位，主管单位能够对全国粮库进行线上核查，线上监督，对粮食储存依照实时反馈的信息予以指导。