鐘瑋 鐘璘

1 深圳華森建筑與工程設(shè)計(jì)顧問(wèn)有限公司

2 中國(guó)南方航空公司

低溫儲(chǔ)糧技術(shù)是近幾年最為流行的糧食儲(chǔ)存技術(shù)，低溫能有效抑制糧食尤其是谷物中害蟲(chóng)和微生物的繁殖、防止糧食的老化，被公認(rèn)為21 世紀(jì)糧食存儲(chǔ)的最佳方式之一。目前，我國(guó)大多數(shù)地區(qū)糧食儲(chǔ)存采取谷物冷卻機(jī)降低糧溫的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)低溫或準(zhǔn)低溫儲(chǔ)糧。然而，由于谷物冷卻機(jī)耗電量大，導(dǎo)致糧食儲(chǔ)存的成本高昂，相當(dāng)大一部分糧食企業(yè)不敢大力推行低溫儲(chǔ)糧技術(shù)，使得低溫儲(chǔ)糧技術(shù)的應(yīng)用難以落實(shí)。本文以某糧食現(xiàn)代物流中心為例，介紹了該中心采用熱泵+主機(jī)熱回收的低溫糧庫(kù)空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，以期為低溫儲(chǔ)糧技術(shù)的推廣，提供參考。

1 工程概況

本工程物流中心項(xiàng)目地址位于湖北省黃石市。項(xiàng)目規(guī)劃用地面積約為164526 m2（約246.79 畝）。其中實(shí)際可用地面積為154283 m2（約231.42 畝）。代征城市道路用地面積為10243 m2（約15.37 畝），本期建筑占地面積26502.92 m2。

低溫糧倉(cāng)為平房倉(cāng)共3 棟，軸線(xiàn)尺寸24 m×96 m，總倉(cāng)容0.63 萬(wàn)t，包糧堆高6 m，單倉(cāng)倉(cāng)容1860 t。倉(cāng)頂為防水保溫屋面，采用60 mm 厚發(fā)泡聚氨酯（B1 級(jí)），發(fā)泡聚氨酯鋪設(shè)上下雙層，中間留空氣層，進(jìn)出風(fēng)口風(fēng)別設(shè)在檐口和屋脊，利用空氣夾層的不均勻受熱達(dá)到自然通風(fēng)的目的，更高效、更節(jié)能的提高糧倉(cāng)的保溫和隔熱性能[1]。本工程結(jié)構(gòu)圖如圖1 所示。

圖1 物流中心結(jié)構(gòu)圖

本工程準(zhǔn)低溫糧倉(cāng)主要建筑特征如下：倉(cāng)房裝糧高度6 m，建筑高度11.47 m，軸線(xiàn)尺寸24 m×96 m，數(shù)量3 棟，單倉(cāng)容積2100 t，建筑面積2383.17 m2，結(jié)構(gòu)形式鋼筋混凝土，門(mén)式鋼架結(jié)構(gòu)，建筑耐火等級(jí)二級(jí)，自呼吸通風(fēng)雙層板式屋蓋，承重墻體頁(yè)巖實(shí)心磚墻，機(jī)械通風(fēng)形式地上籠通風(fēng)。

2 冷熱負(fù)荷計(jì)算

2.1 參數(shù)選擇及啟動(dòng)冷負(fù)荷計(jì)算

根據(jù)熱量平衡原理，低溫糧庫(kù)空調(diào)的負(fù)荷等于糧庫(kù)內(nèi)所有得熱量與發(fā)熱量之和。以糧庫(kù)內(nèi)儲(chǔ)存物為大米來(lái)計(jì)算，按照糧倉(cāng)的設(shè)計(jì)要求[2]，設(shè)定糧倉(cāng)每天換氣三次，糧庫(kù)內(nèi)風(fēng)機(jī)與照明等發(fā)熱設(shè)備熱量為10 W/m2，每天入倉(cāng)的大米按照500 t 來(lái)計(jì)算，大米發(fā)熱量為0.37 W/t（取含水率為15%的大米），入倉(cāng)溫度為30 ℃，入倉(cāng)后三天時(shí)間糧食冷卻到18 ℃，則空調(diào)機(jī)組的啟動(dòng)負(fù)荷（入倉(cāng)3 天）為:

式中：ε 為計(jì)算系數(shù)，通常取1.1～1.3，本文中取1.2；Q1為糧庫(kù)的圍護(hù)結(jié)構(gòu)與周邊環(huán)境傳熱產(chǎn)生的冷負(fù)荷；Q2為糧食降溫產(chǎn)生的冷負(fù)荷；Q3為糧食呼吸作用發(fā)熱產(chǎn)生的冷負(fù)荷；Q4為糧庫(kù)內(nèi)的空氣降到所需溫度產(chǎn)生的冷負(fù)荷；Q5為糧庫(kù)內(nèi)風(fēng)機(jī)運(yùn)行發(fā)熱產(chǎn)生的冷負(fù)荷；Q6為開(kāi)啟庫(kù)門(mén)，通風(fēng)換氣等產(chǎn)生的冷負(fù)荷。

其中，主要冷負(fù)荷來(lái)源于Q1～Q4其他幾項(xiàng)在總冷負(fù)荷中占比例較小，計(jì)算時(shí)可以忽略。因此，算式可以簡(jiǎn)化為：

其中，

式中：K 為糧庫(kù)的圍護(hù)結(jié)構(gòu)材料傳熱系數(shù)[2]，選1.2 W/(m2·K)；W 為糧庫(kù)外墻面積，包含屋頂面積與四面墻體面積；T外-T內(nèi)為糧庫(kù)室內(nèi)外溫差，取平均數(shù)為9 ℃；G 為糧食數(shù)量；C米為大米的比熱容，查詢(xún)可知為0.8×103J/(kg·℃)；T原-T終為大米的初始溫度與最終要求達(dá)到溫度之差；q 為大米發(fā)熱量；Cair為空氣的比熱容，取1.005×103J/ (kg·℃)，M 為糧庫(kù)裝糧后空氣的質(zhì)量；T原-T終為空氣的初始溫度與最終要求達(dá)到溫度之差。

代入工程相關(guān)數(shù)據(jù)，經(jīng)計(jì)算可知，地源熱泵空調(diào)機(jī)組所需的總供冷量為8400 MJ，入倉(cāng)大米的冷負(fù)荷為32 kW。

2.2 日常冷負(fù)荷計(jì)算

日常冷負(fù)荷指的是冷卻降溫后大米儲(chǔ)藏的維持日負(fù)荷，根據(jù)糧庫(kù)管理方經(jīng)驗(yàn)，大米從入庫(kù)到出庫(kù)一般周期在一個(gè)月左右，則日常倉(cāng)庫(kù)的儲(chǔ)量逐時(shí)冷負(fù)荷則可以近似地看成糧庫(kù)的圍護(hù)結(jié)構(gòu)與周邊環(huán)境傳熱產(chǎn)生的冷負(fù)荷，根據(jù)當(dāng)?shù)氐臍鉁刂饡r(shí)變化計(jì)算具體如表1 所示。

表1 設(shè)計(jì)日逐時(shí)冷負(fù)荷表

2.3 糧食出倉(cāng)熱負(fù)荷計(jì)算

糧食出庫(kù)之前，一般要提前10 天對(duì)低溫糧食進(jìn)行加熱，糧食只有加熱到了28 ℃左右，在出庫(kù)后的運(yùn)輸過(guò)程中才不至于表面結(jié)霜。因此，糧食出倉(cāng)的總熱負(fù)荷，這里還是以大米為例，包含了把倉(cāng)內(nèi)大米從設(shè)計(jì)的準(zhǔn)低溫儲(chǔ)存溫度18 ℃加熱到出庫(kù)標(biāo)準(zhǔn)溫度28 ℃的熱負(fù)荷，以及隔壁未出庫(kù)倉(cāng)庫(kù)的到熱量，和室內(nèi)空氣的加熱量。根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙，相鄰糧倉(cāng)高度為3 m，此處選擇位置位于中間的糧倉(cāng)，即兩邊均有傳熱。

經(jīng)計(jì)算，隔壁糧倉(cāng)的傳熱量為8.1 GJ，外墻得熱量為0.77 GJ，空氣加熱量為0.023 GJ，大米加熱量為38 GJ，總加熱量為45 GJ。按照地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)每天不停機(jī)運(yùn)行18 h 計(jì)算，糧食出倉(cāng)的總熱負(fù)荷為70 kW。

3 熱回收負(fù)荷計(jì)算

為了提高機(jī)組能效，讓冷凝器產(chǎn)生的冷凝熱量不浪費(fèi)，本項(xiàng)目還設(shè)計(jì)了熱水回收系統(tǒng)，通過(guò)交換冷凝器中產(chǎn)生的冷凝熱，給員工宿舍和辦公樓提供日常生活熱水。通過(guò)蓄熱水罐將熱回收系統(tǒng)獲取的熱水儲(chǔ)存，蓄熱水罐的設(shè)計(jì)進(jìn)水溫度為20 ℃，出水溫度為60 ℃。因此，熱回收系統(tǒng)的設(shè)計(jì)出水溫度為60 ℃，而進(jìn)水溫度則為20 ℃。

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，本項(xiàng)目地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)冷凍水進(jìn)水溫度為4 ℃，冷凍水出水溫度12 ℃，設(shè)計(jì)冷卻水進(jìn)水溫度為32 ℃，冷卻水出水溫度為37 ℃。當(dāng)宿舍及辦公區(qū)域需要使用熱水時(shí)，蓄熱罐提供60 ℃熱水，同時(shí)補(bǔ)充20 ℃的進(jìn)水。

3.1 設(shè)備選型

本項(xiàng)目地源熱泵+熱回收空調(diào)系統(tǒng)由帶熱回收的地源熱泵機(jī)組、供冷水泵、冷卻塔、冷卻水泵、供熱水泵、熱回收水泵、蓄熱水罐、風(fēng)機(jī)盤(pán)管、閥門(mén)配件等組成，如表2 所示。根據(jù)空調(diào)系統(tǒng)冷負(fù)荷計(jì)算，設(shè)計(jì)冷負(fù)荷為205 kW（見(jiàn)表1），設(shè)計(jì)日總空調(diào)冷負(fù)荷為4736 kWh?？紤]到管道等過(guò)程熱損失，機(jī)組選型時(shí)預(yù)留一定冷量。因此，本項(xiàng)目選用三臺(tái)單機(jī)制冷量為650 kW 的地源熱泵機(jī)組，搭配三臺(tái)圓形逆流式冷卻塔，擺放在低溫糧倉(cāng)屋面?？照{(diào)熱源由淺層地能采集井+冷凝器散熱提供，熱回收系統(tǒng)由設(shè)置在地下室制冷機(jī)房的兩臺(tái)額定換熱量為800 kW 的水-水板式換熱器完成，供辦公樓及員工宿舍日常熱水。

由上可知，本項(xiàng)目各主要設(shè)備選型如表2。

表2 地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)主要設(shè)備表

3.2 控制系統(tǒng)

本項(xiàng)目為每個(gè)廒間配備兩套表層控溫機(jī)組，采用分體式設(shè)計(jì)，一套表層控溫機(jī)組由一臺(tái)室外機(jī)組和三臺(tái)室內(nèi)機(jī)組構(gòu)成，每套設(shè)備對(duì)應(yīng)一口淺層地能采集井，室內(nèi)機(jī)、室外機(jī)、采集井聯(lián)動(dòng)運(yùn)行，設(shè)備上已集成考慮控制系統(tǒng)。

3.3 項(xiàng)目運(yùn)行優(yōu)勢(shì)

本項(xiàng)目低溫工藝采用淺層地能低溫儲(chǔ)糧技術(shù)，該技術(shù)是一項(xiàng)綠色、生態(tài)、節(jié)能效果顯著的糧食保鮮儲(chǔ)藏技術(shù)。該技術(shù)采集地表下數(shù)十米深處低溫的冷氣資源（淺層地能），可使糧食一年四季保存在低溫狀態(tài)內(nèi)，達(dá)到以下目的：

1）由于糧堆的吸濕性，糧堆內(nèi)部溫度較高時(shí)，外部空氣相對(duì)溫度較低，接觸后產(chǎn)生結(jié)露，使得糧食發(fā)生霉變，因此，低溫儲(chǔ)糧能確保糧食的不發(fā)生霉變。

2）低溫情況下，糧堆內(nèi)部的溫度降低，糧食的呼吸作用也減弱，因此，低溫儲(chǔ)糧能延長(zhǎng)糧食的儲(chǔ)存時(shí)間。

3）低溫同時(shí)還能夠抑制細(xì)菌以及酶等微生物的活性，降低糧食中淀粉的水解速度和脂肪的氧化速度，抑制糧食在儲(chǔ)存過(guò)程中的代謝，延緩糧食的陳化速度，保證糧食的新鮮和營(yíng)養(yǎng)價(jià)值。

4）在目前節(jié)能減排的大背景下，選擇可再生能源，選擇地源熱泵+熱回收機(jī)組，即保證了能源的有效利用，又不破壞當(dāng)?shù)氐沫h(huán)境，同時(shí)還能為辦公樓及員工宿舍提供生活熱水，是一舉多得的設(shè)計(jì)方案。

4 結(jié)語(yǔ)

淺層地能是一種低溫的可再生資源，廣泛分布在地下的土壤、沙石、地下水以及深層江河湖海水體中，具有“冬暖夏涼”的熱源優(yōu)勢(shì)。本項(xiàng)目地處長(zhǎng)江流域，水源及地源熱泵均可以作為設(shè)計(jì)熱源，為了節(jié)省材料及縮短輸送距離，本項(xiàng)目選取淺層地?zé)崮転闊嵩矗ㄟ^(guò)各種采集井，將地面以下恒溫?zé)嵩床杉鰜?lái)，然后通過(guò)地源熱泵主機(jī)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換，形成糧食所需要的溫度、濕度合適的冷卻媒介，再通過(guò)末端通風(fēng)系統(tǒng)，最終與糧食進(jìn)行換熱，將糧食溫度控制在低溫狀態(tài)。

低溫儲(chǔ)糧技術(shù)是近幾年最為流行的糧食儲(chǔ)存技術(shù)，但由于空調(diào)運(yùn)行費(fèi)用高昂，一直沒(méi)有得到普及。本文采用地源熱泵＋熱回收空調(diào)系統(tǒng)方案，初投資相比傳統(tǒng)的谷物冷卻機(jī)高，但運(yùn)行費(fèi)用較谷物冷卻機(jī)低，且能制取宿舍及辦公樓的日常生活熱水，具有良好的節(jié)能性和經(jīng)濟(jì)效益。