楊曉帆，張文彥，李 輝，李 琛

（云南省糧油科學(xué)研究院，云南 昆明 650033）

水源熱泵技術(shù)屬于可再生能源利用技術(shù)，是直接利用地球表面淺層水源，如地下水、地表的河流和湖泊以及海洋等儲(chǔ)藏的太陽(yáng)能資源進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換的熱泵技術(shù)[1-2]。水源熱泵技術(shù)用于糧食低溫儲(chǔ)藏，可以提供糧食儲(chǔ)藏所需的一定溫濕度環(huán)境，是一種綠色環(huán)保的低溫儲(chǔ)糧技術(shù)，主要包括地下水或地表水采集裝置、分配裝置、水冷式制冷機(jī)組、送回風(fēng)管路及控制設(shè)備等。通過(guò)分析水源熱泵系統(tǒng)在低溫儲(chǔ)糧中的區(qū)域適用性、投資、運(yùn)行情況等方面，為不同區(qū)域糧食倉(cāng)儲(chǔ)企業(yè)在選擇水源熱泵進(jìn)行低溫儲(chǔ)糧時(shí)提供理論依據(jù)。

1 水源熱泵低溫儲(chǔ)糧系統(tǒng)原理

水源熱泵低溫儲(chǔ)糧的工作原理[3]是通過(guò)水泵將地球淺表層水源，采集到水源熱泵制冷機(jī)組的冷凝端，與機(jī)組內(nèi)的制冷劑進(jìn)行換熱降溫，降溫后冷卻的水通過(guò)熱泵轉(zhuǎn)換至蒸發(fā)端，糧倉(cāng)內(nèi)高溫空氣通過(guò)風(fēng)機(jī)作用不斷在蒸發(fā)端冷卻，再通過(guò)送風(fēng)管，在糧堆內(nèi)自下而上穿過(guò)糧層，與糧食充分進(jìn)行熱交換，最后到達(dá)糧堆上部，糧堆上部的空氣通過(guò)回風(fēng)管送至蒸發(fā)端再次被處理到需要的低溫狀態(tài)，重新送入糧堆或糧面吸收熱量。糧食熱量被冷風(fēng)傳遞給制冷劑，制冷劑再傳遞給循環(huán)水，最終實(shí)現(xiàn)糧食熱量向地下或地表水中的轉(zhuǎn)移過(guò)程，從而達(dá)到糧倉(cāng)內(nèi)糧食降溫目的。水源熱泵低溫儲(chǔ)糧降溫系統(tǒng)主要包括整倉(cāng)降溫與表層控溫。圖1為水源熱泵低溫儲(chǔ)糧原理示意圖。

圖1 水源熱泵低溫儲(chǔ)糧原理示意圖

2 水源熱泵儲(chǔ)糧技術(shù)適用性的影響因素

根據(jù)吳艷菊等[4]分析的水源熱泵在我國(guó)各典型氣候區(qū)的適用性可知，影響水源熱泵使用的關(guān)鍵因素包括水源、水量、水質(zhì)、水溫、氣候等。

2.1 水源

我國(guó)水資源分布極不平衡，總的分布范圍是東南多，西北少，由東南向西北逐漸遞減。我國(guó)主要水系分布見表1。

以上地區(qū)擁有安裝水源熱泵最基本的要素——水源，但是水溫、水質(zhì)、氣候等參數(shù)也是選擇水源熱泵技術(shù)必須評(píng)估的因素。

2.2 水量、水質(zhì)、水溫

水量要充足，水質(zhì)需符合《地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范》（GB 50366—2005）的要求，否則應(yīng)采取一定的清潔處理。根據(jù)ARJ 320標(biāo)準(zhǔn)，最適宜的水溫在10～22 ℃，5～38 ℃能滿足要求[5]。主要水系和湖泊水文特征如表2和表3。

表1 全國(guó)主要水系分布

表2 七大水系部分水文特征

表3 主要湖泊部分水文特征

2.3 典型氣候區(qū)水溫與氣候的關(guān)系

嚴(yán)寒地區(qū)如內(nèi)蒙、新疆、青海、西藏及東北等地區(qū)，屬夏季短促?zèng)鏊?，或水資源貧乏，不適合水源熱泵技術(shù)進(jìn)行低溫儲(chǔ)糧。

寒冷地區(qū)如黃河流域，夏熱冬冷，水量較豐富，但含沙量大，不符合開式系統(tǒng)的水質(zhì)要求；海河流域夏季水溫與氣溫相差不大，節(jié)能效率不顯著，且水資源缺乏，水質(zhì)污染重，不適合使用水源熱泵。

夏熱冬冷地區(qū)如長(zhǎng)江流域，是我國(guó)水資源最豐富的地區(qū)，水質(zhì)相對(duì)較好；淮河流域地處我國(guó)南北氣候過(guò)渡帶，從氣候、氣溫和水溫分析，這兩個(gè)區(qū)域都適合水源熱泵進(jìn)行低溫儲(chǔ)糧，但局部區(qū)域的水質(zhì)仍污染嚴(yán)重，需詳細(xì)的評(píng)估水質(zhì)。

夏熱冬暖地區(qū)如珠江流域，水質(zhì)較好，適合使用水源熱泵，但也需要結(jié)合投資、經(jīng)濟(jì)性方面綜合考量。

溫和地區(qū)如昆明的滇池，氣候?qū)俣瑴叵臎?，且考慮到水源熱泵投資大，滇池污染嚴(yán)重，水質(zhì)差，該地區(qū)不需要水源熱泵技術(shù)進(jìn)行低溫儲(chǔ)糧。

3 水源熱泵技術(shù)低溫儲(chǔ)糧實(shí)際應(yīng)用情況

根據(jù)本單位向成都某科技發(fā)展有限公司采集的低溫儲(chǔ)糧系統(tǒng)有關(guān)信息以及各項(xiàng)技術(shù)運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，分別對(duì)不同方式儲(chǔ)糧降溫系統(tǒng)的投資及投入使用情況進(jìn)行比較，如表4～表6所示。

3.1 設(shè)備廠家

近年來(lái)，我國(guó)涌現(xiàn)出了眾多的水源熱泵生產(chǎn)廠商，如清華同方、福爾達(dá)、郎博旺、三星-貝萊特、北京恒有源、山東宏力等[6]，糧食行業(yè)利用水源熱泵系統(tǒng)進(jìn)行低溫儲(chǔ)糧還處于起步階段，目前國(guó)內(nèi)較大的水源熱泵低溫儲(chǔ)糧設(shè)備生產(chǎn)企業(yè)主要包括成都朗博旺、無(wú)錫糧食設(shè)計(jì)院、江蘇永晟空調(diào)等，覆蓋范圍主要集中在江蘇省，如南京、常州、昆山、南通、番禺等地區(qū)的部分糧庫(kù)。

3.2 初始投資比較

由表4、表5可知，儲(chǔ)糧規(guī)模不同，不同低溫儲(chǔ)糧技術(shù)的初始投資情況不同。1萬(wàn)t儲(chǔ)糧規(guī)模的初始投資大小依次為：谷冷機(jī)＞地下水源熱泵≈河水源熱泵＞空調(diào)；5萬(wàn)t儲(chǔ)糧規(guī)模的初始投資大小依次為：地下水源熱泵=河水源熱泵＞谷冷機(jī)＞空調(diào)。由于谷冷機(jī)屬于移動(dòng)式降溫設(shè)備，對(duì)糧倉(cāng)降溫時(shí)可交替使用，因此，隨著儲(chǔ)糧規(guī)模增大，配備的谷冷機(jī)比例相應(yīng)減小；而兩種水源熱泵系統(tǒng)初始投資相對(duì)較高，因?yàn)樗礋岜孟到y(tǒng)包含整倉(cāng)降溫機(jī)組和表層控溫機(jī)組，設(shè)備價(jià)格高，配置數(shù)量多，另外還需配備多個(gè)水泵和水井，所以初期投入大，因此在選擇水源熱泵進(jìn)行低溫儲(chǔ)糧時(shí)，尤其要考慮投資的經(jīng)濟(jì)性和適用性。

3.3 運(yùn)行能耗

系統(tǒng)運(yùn)行能耗是糧食倉(cāng)儲(chǔ)企業(yè)在選擇低溫儲(chǔ)糧技術(shù)時(shí)考量的重要指標(biāo)之一，對(duì)幾種低溫儲(chǔ)糧技術(shù)的運(yùn)行能耗做了對(duì)比分析，如表6所示。

表4 低溫儲(chǔ)糧技術(shù)初始投資的對(duì)比（1萬(wàn)t初始投資的條件）

表5 低溫儲(chǔ)糧技術(shù)初始投資的對(duì)比（5萬(wàn)t初始投資的條件）

表6 低溫儲(chǔ)糧技術(shù)運(yùn)行費(fèi)用的對(duì)比（1萬(wàn)t規(guī)模條件）

由表6可知，三項(xiàng)低溫儲(chǔ)糧技術(shù)的噸糧能耗由低到高依次為：空調(diào)＜地下水源熱泵=河水源熱泵＜谷冷機(jī)。在后期運(yùn)行能耗上，水源熱泵系統(tǒng)相比谷冷機(jī)節(jié)能63%以上。水源熱泵系統(tǒng)由于運(yùn)作方式比較復(fù)雜，通過(guò)整倉(cāng)降溫（和谷冷機(jī)相同），將整倉(cāng)溫度降至 20 ℃以下，再通過(guò)表層機(jī)組進(jìn)行表層控溫，使倉(cāng)內(nèi)溫度長(zhǎng)期維持在穩(wěn)定狀態(tài)。谷冷機(jī)一次性降溫后，隨時(shí)間延長(zhǎng)，倉(cāng)內(nèi)溫度升高較快，尤其是在夏季，最短每周進(jìn)行一次降溫，由于設(shè)備功率大，電耗較高導(dǎo)致后期運(yùn)行成本高。普通空調(diào)由于不具備整倉(cāng)降溫功效，僅對(duì)表層進(jìn)行冷卻，冷卻深度為0.5 m，無(wú)法有效深入糧堆內(nèi)部進(jìn)行降溫，因此降溫效果不理想。

3.4 對(duì)糧食的影響

傳統(tǒng)儲(chǔ)糧技術(shù)造成糧食水份損失較大，根據(jù)張錫賢[7]報(bào)道的江蘇常州某庫(kù)在傳統(tǒng)機(jī)械通風(fēng)處理高溫糧的過(guò)程中，糧食水分損耗高達(dá) 0.8%左右，而采用水源熱泵低溫儲(chǔ)糧后，水分從 15.7%降到15.3%，僅降低了0.4%，有效地減少了糧食損耗，更好的保證了糧食品質(zhì)，減少了糧食倉(cāng)儲(chǔ)企業(yè)的經(jīng)濟(jì)損失。

3.5 設(shè)備維護(hù)

水源熱泵系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，要有符合要求的地表水源，即便如此，水源熱泵機(jī)組冷凝器仍易產(chǎn)生結(jié)垢、腐蝕、藻類或微生物滋長(zhǎng)，會(huì)影響機(jī)組運(yùn)行效率，需要定期清洗。而谷冷機(jī)配套設(shè)備少，操作方便，易維護(hù)，但不能長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)工作，較適用于糧堆內(nèi)部發(fā)熱“救急”和局部降溫。

4 結(jié)論

不同地區(qū)應(yīng)該根據(jù)投資、運(yùn)行能耗以及當(dāng)?shù)氐臍夂?、地理環(huán)境、水源情況等因素進(jìn)行綜合評(píng)估，判斷是否適合使用水源熱泵技術(shù)進(jìn)行低溫儲(chǔ)糧。

糧倉(cāng)低溫環(huán)境要靠制冷系統(tǒng)降溫，同時(shí)也必須做好糧倉(cāng)的保溫隔熱[8]，以減少糧庫(kù)的冷負(fù)荷，因此，如何快速降溫和保溫并最大限度降低能耗是選擇水源熱泵低溫儲(chǔ)糧技術(shù)需要重點(diǎn)考慮的問(wèn)題。

地表水源溫度常年變化不大，即水源熱泵技術(shù)的冷源較穩(wěn)定，運(yùn)行起來(lái)比普通空調(diào)、谷冷機(jī)等制冷設(shè)備節(jié)省耗電量 60%～70%，因此在條件適宜的地區(qū)使用水源熱泵低溫儲(chǔ)糧具有廣闊的前景。