張兵，劉博*，周濤，甘平洋，陳渠玲，李娜

1. 中南糧油食品科學(xué)研究院有限公司（長沙 410008）；2. 湖南糧食集團(tuán)有限責(zé)任公司（長沙 410008）；3. 湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)技術(shù)學(xué)院（長沙 410128）

中國是世界上人口最多的國家，糧食總產(chǎn)量大，但人均糧食占有量少，原糧日需量大，糧食安全問題嚴(yán)峻[1]。糧食在儲藏期間易受非生物因子（O2、溫度、水分等）和生物因子（蟲、霉、鼠）的影響，如何安全有效地儲藏小麥、稻谷和玉米等原糧，延長其儲藏期，并在儲藏期間保持其良好品質(zhì)是儲糧工作人員的重點研究方向[2]。溫度是決定儲糧穩(wěn)定性的重要因素，在各種科學(xué)保糧活動中，低溫儲糧無疑是首要手段，且低溫儲糧作為一種綠色儲糧技術(shù)一直備受國內(nèi)外儲糧界重視[3]。低溫儲糧技術(shù)不僅能限制有害生物因子的生命活動，避免糧食劣變、陳化，還可有效保障糧食的加工和食用品質(zhì)。此外，低溫儲糧可有效減少甚至避免化學(xué)藥劑的使用，既解決糧食表面藥物殘留的問題，又降低環(huán)境污染，是糧食行業(yè)最具發(fā)展前景的綠色儲糧技術(shù)之一[4]。

1 低溫儲糧關(guān)鍵技術(shù)

1.1 隔熱保冷技術(shù)

糧倉的隔熱性能直接關(guān)系到糧食儲存的難易程度，通過加強(qiáng)糧倉圍護(hù)結(jié)構(gòu)的隔熱性能，能夠達(dá)到節(jié)約能耗、維持糧倉溫度的效果。據(jù)相關(guān)資料顯示，倉房維護(hù)結(jié)構(gòu)能夠減少機(jī)械制冷中30%～35%的冷量被消耗[5]。常用的隔熱保冷技術(shù)主要包括糧面壓蓋和倉房改造。冷本好等[6]通過對高大平房倉散裝玉米采取稻殼包壓蓋、保溫棉毯壓蓋和無壓蓋3種方式對比得出，使用稻殼包壓蓋經(jīng)濟(jì)合理，對延緩糧溫升高、保持糧食品質(zhì)相對穩(wěn)定能起到更好作用。丁光志等[7]采用聚苯乙烯（EPS）泡沫板進(jìn)行糧面壓蓋試驗表明，試驗倉的糧溫要比對照倉的糧溫上升幅度低3～4 ℃。孫振北[8]研究證明高大平房倉中采用倉頂菱鎂板隔熱和倉內(nèi)吊頂?shù)母魺峒夹g(shù)，能夠有效緩解倉頂熱量向倉內(nèi)的傳遞及抑制害蟲的生長繁殖。

糧面壓蓋技術(shù)效果明顯，但存在一定弊端，每次通風(fēng)時需掀開壓蓋材料，增加儲糧成本和人員勞動強(qiáng)度；壓蓋材料與糧面接觸處易滋生蟲霉，且一旦發(fā)熱霉變不易被發(fā)現(xiàn)，未來儲糧中可尋求新型壓蓋材料和改進(jìn)通風(fēng)方法來降低儲糧成本。

1.2 機(jī)械通風(fēng)技術(shù)

機(jī)械通風(fēng)技術(shù)是指通過風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的壓力，將外界低溫干燥的空氣與糧堆內(nèi)熱空氣進(jìn)行交換，從而達(dá)到降溫、降水的目的。儲糧機(jī)械通風(fēng)是最常用的控溫儲糧技術(shù)，不僅控溫效果好，而且費用低廉、操作簡單、容易掌握[4]，其主要用途有：創(chuàng)造低溫儲糧環(huán)境、均衡糧堆溫度、高水分糧降水、低水分糧調(diào)質(zhì)、排除儲糧異味、環(huán)流熏蒸殺蟲和排積熱通風(fēng)。王平等[9]分階段進(jìn)行膜下橫向通風(fēng)降溫試驗，糧溫由29 ℃降至12.5 ℃，降溫效果明顯。實際儲糧過程中應(yīng)根據(jù)需求進(jìn)行通風(fēng)才能達(dá)到最好的效果，避免做無用功而增加儲糧成本[10]。

機(jī)械通風(fēng)技術(shù)如果應(yīng)用不當(dāng)會造成糧食水分損失、通風(fēng)效果適得其反、儲糧成本增加等后果。機(jī)械通風(fēng)時應(yīng)合理選擇通風(fēng)時機(jī)、確定目標(biāo)糧溫、選用節(jié)能保水雙向風(fēng)機(jī)、逆溫度梯度通風(fēng)、及時判斷通風(fēng)狀態(tài)、控制糧堆通風(fēng)量小于臨界單位通風(fēng)量、控制氣流溫差等[11]。

1.3 谷物冷卻技術(shù)

谷物冷卻機(jī)低溫儲糧是通過向糧堆通入一定溫度、濕度的空氣，使糧堆溫度降至低溫（或準(zhǔn)低溫）狀態(tài)，從而有效控制糧堆水分，實現(xiàn)安全儲糧的一種技術(shù)措施[12]。馮燕等[13]對現(xiàn)有谷物冷卻技術(shù)進(jìn)行改造，在糧堆上方布置22個送風(fēng)口，倉房東側(cè)布置4個回風(fēng)口，采用底送側(cè)回的方式使倉內(nèi)空氣更加充分地進(jìn)行濕熱交換，保證儲糧安全同時，又達(dá)到節(jié)能降耗的目的。

谷物冷卻技術(shù)不受區(qū)域氣候的限制，可根據(jù)實際情況調(diào)節(jié)所輸送空氣的溫濕度，確保糧堆處于低溫（或準(zhǔn)低溫）狀態(tài)，但其存在能耗大、溫度易回升的缺點，需要間歇性的進(jìn)行復(fù)冷作業(yè)[14]。

1.4 空調(diào)制冷技術(shù)

空調(diào)控溫具有安裝便捷、操作簡單、溫控精準(zhǔn)等優(yōu)點，此前常用于成品糧油的保管，隨著科技與經(jīng)濟(jì)不斷進(jìn)步，空調(diào)控溫逐漸走入糧食儲藏行業(yè)，越來越多的糧庫實施空調(diào)控溫技術(shù)。張慧敏等[15]對福建省1998年以后建成的100余座倉廒進(jìn)行空調(diào)控溫實驗，結(jié)果發(fā)現(xiàn)空調(diào)控溫持久，適用于高大平房倉。程永仙等[16]夏季采取倉內(nèi)空調(diào)、局部揭膜和壁角埋入畢托管的“立體式”控溫方式，將倉溫控制在23 ℃以下，平均糧溫控制在準(zhǔn)低溫儲藏范圍內(nèi)，明顯減緩稻谷脂肪酸值的上升速率，延長安全儲存期。

空調(diào)功率大且需長時間運行，如何設(shè)置好溫控閾值和空調(diào)開啟時間，對于節(jié)約儲糧成本方面意義重大。另外，糧倉空調(diào)易受粉塵和熏蒸藥劑腐蝕，需要注意保養(yǎng)并預(yù)防火災(zāi)發(fā)生。此外，空調(diào)控溫在實施過程中應(yīng)注意風(fēng)向往遠(yuǎn)上方吹，預(yù)防冷空氣長時間與糧堆表面直接接觸引起的結(jié)露現(xiàn)象的發(fā)生和糧堆表面的水分損失[17]。

1.5 內(nèi)環(huán)流技術(shù)

內(nèi)環(huán)流低溫儲糧技術(shù)主要是利用糧堆冬季儲存的冷心，通過內(nèi)循環(huán)的方式平衡糧堆內(nèi)的其他高溫部分，使整個糧堆處于低溫或準(zhǔn)低溫環(huán)境[18]。根據(jù)不同地域和實際儲糧需求，可將內(nèi)環(huán)流低溫儲糧技術(shù)分為整倉環(huán)流、膜下環(huán)流和局部環(huán)流。陳明偉等[19]研究發(fā)現(xiàn)，整倉內(nèi)環(huán)流可以明顯降低倉溫、倉濕，有效抑制書虱等儲糧害蟲，減少熏蒸用藥，延緩糧食品質(zhì)劣變。王興周等[20]探索應(yīng)用平房倉整倉內(nèi)環(huán)流保管玉米時發(fā)現(xiàn)，內(nèi)環(huán)流控溫能使倉濕控制在40%以下，一定程度上抑制書虱生長。膜下環(huán)流主要是通過表面覆蓋薄膜并增加風(fēng)管的方式，避免內(nèi)環(huán)流過程中倉內(nèi)空間積熱與糧堆的接觸，降低冷心損失，使內(nèi)環(huán)流降溫效果持續(xù)更久[21]。除此之外，膜下內(nèi)環(huán)流技術(shù)降溫均勻性好，且能夠有效降低糧食表面的水分損失[22]。許發(fā)兵[23]采用糧面壓蓋結(jié)合膜下內(nèi)環(huán)流的方式進(jìn)行夏季儲糧時發(fā)現(xiàn)：膜下內(nèi)環(huán)流可使糧堆表層溫度降低至12.3 ℃，平均糧溫較對照倉低3.5 ℃。局部內(nèi)環(huán)流操作簡捷、降溫效果明顯且受外界影響小[24]。

內(nèi)環(huán)流技術(shù)儲糧成本低，但對于倉房隔熱保冷性能要求較高，且受地域氣候影響較大，適用于北方冷源充足的地區(qū)，南方地區(qū)夏季長，冷源缺乏，若采用此技術(shù)則需要制冷設(shè)備輔助進(jìn)行。

2 低溫儲糧優(yōu)化組合技術(shù)

近年來，研究人員開始嘗試多種低溫儲糧技術(shù)綜合應(yīng)用，探索既能低溫儲糧又符合節(jié)能綠色的儲糧新技術(shù)。因為單一儲糧技術(shù)在實倉應(yīng)用中受地域氣候和環(huán)境等因素影響，難免會存在不足，如谷物冷卻制冷技術(shù)存在耗電高、糧溫易反彈的問題[14]；空調(diào)制冷技術(shù)受粉塵和熏蒸影響較大，壽命短、安全隱患高[25]；內(nèi)環(huán)流技術(shù)對蓄冷要求較高，可能存在冷源不充足導(dǎo)致整倉糧溫異常升高，造成發(fā)熱結(jié)露現(xiàn)象的發(fā)生[26]。因此，將不同制冷技術(shù)結(jié)合應(yīng)用來達(dá)到更好的儲糧效果將會成為低溫儲糧的研究方向。

2.1 空調(diào)結(jié)合內(nèi)環(huán)流技術(shù)

內(nèi)環(huán)流技術(shù)較為適合北方夏季短、冬季長且冷源充足的地區(qū)，對于南方地區(qū)，采取內(nèi)環(huán)流結(jié)合空調(diào)的方式來彌補(bǔ)其夏季長、冷源不夠用的缺點，從而達(dá)到低溫儲糧的目的。賀光輝等[27]采用內(nèi)環(huán)流結(jié)合空調(diào)的方式使糧食安全度夏，且在維持糧食品質(zhì)、節(jié)能降耗方面要優(yōu)于單一空調(diào)控溫的倉房。王進(jìn)衛(wèi)等[28]研究發(fā)現(xiàn)，內(nèi)環(huán)流結(jié)合空調(diào)控溫技術(shù)不受高溫多雨天氣影響，能有效抑制害蟲生長且能耗低。此技術(shù)解決冷源不足和氣候影響的問題，但空調(diào)和內(nèi)環(huán)流的開啟時間和溫度閾值尚未確定，冷氣環(huán)流均勻性及環(huán)流路徑也有待研究。

2.2 太陽能光伏發(fā)電結(jié)合空調(diào)制冷技術(shù)

太陽能光伏發(fā)電是一種綠色無污染技術(shù)，符合綠色儲糧的理念，結(jié)合空調(diào)使用，不僅可以有效利用倉頂面積，降低倉頂傳熱對倉溫的影響，還可以獲得額外的經(jīng)濟(jì)效益。劉東方[29]研究光伏發(fā)電結(jié)合空調(diào)時得出，盡管光伏發(fā)電系統(tǒng)建設(shè)初期投資高，但從儲糧損失和節(jié)能降耗等方面來算，每年帶來的額外經(jīng)濟(jì)效益2 011.5萬元。2017年，張紅建等[30]結(jié)合海南高溫高濕且日光充足的地理特點設(shè)計一個倉頂面積270 m2光伏發(fā)電系統(tǒng)，該系統(tǒng)總輸出功率29 160 W，能夠24 h為2臺功率為5 500 W左右的空調(diào)供電。光伏發(fā)電系統(tǒng)前期建設(shè)投入大、年折舊費用高，如何延長系統(tǒng)使用年限、提高光電轉(zhuǎn)換效率是未來此技術(shù)的前進(jìn)方向。

2.3 儲糧“四合一”升級新技術(shù)

儲糧“四合一”升級新技術(shù)基于橫向通風(fēng)系統(tǒng)，采取橫向通風(fēng)蓄冷，谷物冷卻制冷、多介質(zhì)環(huán)流防蟲和多參數(shù)糧情檢測的方式，使糧食常年處于較低溫?zé)o蟲狀態(tài)，能有效保障糧食品質(zhì)。儲糧“四合一”新技術(shù)不僅能夠使進(jìn)出糧效率得到有效提升，還能使糧食處于安全儲存狀態(tài)，為糧庫走向智能化低溫綠色儲糧奠定基礎(chǔ)[31]。穆俊偉等[32]進(jìn)行“四合一”新技術(shù)實倉應(yīng)用發(fā)現(xiàn)，該技術(shù)能有效降低糧溫，且抑蟲、殺蟲效果明顯，能有效延緩糧食品質(zhì)變化。但該技術(shù)需要對倉房供電系統(tǒng)、環(huán)流熏蒸系統(tǒng)、通風(fēng)系統(tǒng)等進(jìn)行改造，工程量大，且不適用于隔熱保溫性能差的倉房。

3 新技術(shù)、新冷源開發(fā)

3.1 重力熱管技術(shù)

重力熱管具有單向傳熱、傳熱效率高、等溫性好及溫度范圍廣等特點，在中國航天、電子等領(lǐng)域應(yīng)用，并逐漸推廣于低溫儲糧方向，但在糧堆中的實際效果有待進(jìn)一步研究[33]。張巖等[34]試驗發(fā)現(xiàn)，熱管技術(shù)應(yīng)用過程中可實現(xiàn)無能耗，60 d內(nèi)蓄冷量為6.36 MJ，單位降溫速度0.2 ℃/d。程小麗等[35]研究單根反重力熱管對糧堆溫度的影響時發(fā)現(xiàn)，單根熱管可對1.6 m的糧堆溫度產(chǎn)生影響，上層糧溫可降低10 ℃。

3.2 相變儲能技術(shù)

相變儲能技術(shù)是基于相變材料在相變過程中吸熱和釋熱的原理發(fā)展的一項技術(shù)，因相變材料經(jīng)濟(jì)實用且在隔熱保溫和能量轉(zhuǎn)化效率方面比較優(yōu)秀，故適用于低溫綠色儲糧[36]。王赫等[37]設(shè)計相變材料和空調(diào)組合的溫控系統(tǒng)，在夏季儲糧試驗中發(fā)現(xiàn)，試驗倉能夠達(dá)到準(zhǔn)低溫儲糧要求，且儲糧能耗較空調(diào)倉低25%。

3.3 液化天然氣（LNG）

液化天然氣（LNG）的溫度在-162 ℃，其氣化時會產(chǎn)生大量的冷能，而生產(chǎn)應(yīng)用中的冷能不能完全被利用，就會造成大量資源浪費。LNG接收站一般建設(shè)在港口等交通便利地區(qū)，與部分大型糧庫比鄰，可將LNG低溫液體氣化后產(chǎn)生的冷能，經(jīng)保溫管道引進(jìn)糧庫，替代空調(diào)、谷物冷卻機(jī)等大型耗電機(jī)械制冷設(shè)備，達(dá)到低溫綠色儲糧目的[38]。熊永強(qiáng)等[39]提出2種利用LNG冷能儲存糧食的方案：一是直接利用冷能；二是利用LNG冷能空分裝置副產(chǎn)的低溫干燥氮氣。中央儲備糧莆田直屬庫，發(fā)揮其與LNG接收站相近的優(yōu)勢，利用LNG的冷能實現(xiàn)低溫儲糧的目的[38]。利用液化天然氣冷能進(jìn)行儲糧，不僅促進(jìn)能源的高效利用，還能帶來較好經(jīng)濟(jì)效益。但其適用區(qū)域有限且冷量傳輸耗能等問題尚需進(jìn)一步完善優(yōu)化。

3.4 低溫地下水

低溫地下水是一種自然冷源，儲量豐富，是近年來低溫儲糧的研究熱點之一[40]。周福生等[41]以地下水作冷源，借助潛水泵和水溫調(diào)節(jié)器將一定溫濕度氣體引進(jìn)糧倉，循環(huán)降溫后倉溫下降9～10 ℃、糧溫降低7～10 ℃，且有效抑制害蟲生長，達(dá)到低溫儲糧目的。此技術(shù)不適宜水資源稀缺地區(qū)，且尚存在回灌技術(shù)難等問題。

3.5 風(fēng)能

風(fēng)能源不僅清潔低碳且安全高效，近年來已成為新能源重點開發(fā)對象之一，而中國沿海地區(qū)風(fēng)能資源豐富，具有較高開發(fā)潛力，且預(yù)計在“十三五”規(guī)劃結(jié)束前，風(fēng)電裝機(jī)總?cè)萘? 000萬 kW[42]。但是如何將風(fēng)能有效運用于低溫儲糧技術(shù)有待進(jìn)一步探索。

4 結(jié)語

根據(jù)不同地域及氣候情況，采用相應(yīng)的低溫儲糧技術(shù)。如北方冬長夏短且冷源充足，可采取內(nèi)環(huán)流技術(shù)和機(jī)械通風(fēng)技術(shù)進(jìn)行儲糧，能有效降低儲糧成本；南方高溫高濕糧食較難保管，可借助空調(diào)和谷物冷卻機(jī)進(jìn)行低溫儲糧。

單一低溫儲糧技術(shù)受氣候、成本等方面因素限制較多，可采取多種技術(shù)組合的方式，減少外界干擾，降低儲糧成本。應(yīng)用的組合技術(shù)較少，可適當(dāng)開發(fā)更多儲糧技術(shù)組合以達(dá)到最佳儲糧目的。

糧食倉儲行業(yè)正在朝現(xiàn)代化、智能化、綠色化方向發(fā)展，開發(fā)低廉、高效且無污染的低溫儲糧新技術(shù)和新能源更加適應(yīng)時代需求。不同地區(qū)應(yīng)借助新技術(shù)、新能源，并結(jié)合自身實際，發(fā)展特色低溫儲糧技術(shù)，最終形成有中國特色的儲糧技術(shù)體系。