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(zhǎng)沙 410008）；2. 湖南糧食集團(tuán)有限責(zé)任公司（長(zhǎng)沙 410008）；3. 湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)技術(shù)學(xué)院（長(zhǎng)沙 410128）

中國(guó)是世界上人口最多的國(guó)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(wèn)題嚴(yán)峻[1]。糧食在儲(chǔ)藏期間易受非生物因子（O2、溫度、水分等）和生物因子（蟲(chóng)、霉、鼠）的影響，如何安全有效地儲(chǔ)藏小麥、稻谷和玉米等原糧，延長(zhǎng)其儲(chǔ)藏期，并在儲(chǔ)藏期間保持其良好品質(zhì)是儲(chǔ)糧工作人員的重點(diǎn)研究方向[2]。溫度是決定儲(chǔ)糧穩(wěn)定性的重要因素，在各種科學(xué)保糧活動(dòng)中，低溫儲(chǔ)糧無(wú)疑是首要手段，且低溫儲(chǔ)糧作為一種綠色儲(chǔ)糧技術(shù)一直備受?chē)?guó)內(nèi)外儲(chǔ)糧界重視[3]。低溫儲(chǔ)糧技術(shù)不僅能限制有害生物因子的生命活動(dòng)，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(chǔ)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(wèn)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(chǔ)糧技術(shù)之一[4]。

1 低溫儲(chǔ)糧關(guān)鍵技術(shù)

1.1 隔熱保冷技術(shù)

糧倉(cāng)的隔熱性能直接關(guān)系到糧食儲(chǔ)存的難易程度，通過(guò)加強(qiáng)糧倉(cāng)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(cāng)溫度的效果。據(jù)相關(guān)資料顯示，倉(cāng)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(cāng)房改造。冷本好等[6]通過(guò)對(duì)高大平房倉(cāng)散裝玉米采取稻殼包壓蓋、保溫棉毯壓蓋和無(wú)壓蓋3種方式對(duì)比得出，使用稻殼包壓蓋經(jīng)濟(jì)合理，對(duì)延緩糧溫升高、保持糧食品質(zhì)相對(duì)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(yàn)表明，試驗(yàn)倉(cāng)的糧溫要比對(duì)照倉(cāng)的糧溫上升幅度低3～4 ℃。孫振北[8]研究證明高大平房倉(cāng)中采用倉(cāng)頂菱鎂板隔熱和倉(cāng)內(nèi)吊頂?shù)母魺峒夹g(shù)，能夠有效緩解倉(cāng)頂熱量向倉(cāng)內(nèi)的傳遞及抑制害蟲(chóng)的生長(zhǎng)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(shí)需掀開(kāi)壓蓋材料，增加儲(chǔ)糧成本和人員勞動(dòng)強(qiáng)度；壓蓋材料與糧面接觸處易滋生蟲(chóng)霉，且一旦發(fā)熱霉變不易被發(fā)現(xiàn)，未來(lái)儲(chǔ)糧中可尋求新型壓蓋材料和改進(jìn)通風(fēng)方法來(lái)降低儲(chǔ)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(guò)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(chǔ)糧機(jī)械通風(fēng)是最常用的控溫儲(chǔ)糧技術(shù)，不僅控溫效果好，而且費(fèi)用低廉、操作簡(jiǎn)單、容易掌握[4]，其主要用途有：創(chuàng)造低溫儲(chǔ)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(chǔ)糧異味、環(huán)流熏蒸殺蟲(chóng)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(yàn)，糧溫由29 ℃降至12.5 ℃，降溫效果明顯。實(shí)際儲(chǔ)糧過(guò)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(wú)用功而增加儲(chǔ)糧成本[10]。

機(jī)械通風(fēng)技術(shù)如果應(yīng)用不當(dāng)會(huì)造成糧食水分損失、通風(fēng)效果適得其反、儲(chǔ)糧成本增加等后果。機(jī)械通風(fēng)時(shí)應(yīng)合理選擇通風(fēng)時(shí)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(shí)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(chǔ)糧是通過(guò)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(shí)現(xiàn)安全儲(chǔ)糧的一種技術(shù)措施[12]。馮燕等[13]對(duì)現(xiàn)有谷物冷卻技術(shù)進(jìn)行改造，在糧堆上方布置22個(gè)送風(fēng)口，倉(cāng)房東側(cè)布置4個(gè)回風(fēng)口，采用底送側(cè)回的方式使倉(cāng)內(nèi)空氣更加充分地進(jìn)行濕熱交換，保證儲(chǔ)糧安全同時(shí)，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(shí)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(diǎn)，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(jiǎn)單、溫控精準(zhǔn)等優(yōu)點(diǎn)，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(chǔ)藏行業(yè)，越來(lái)越多的糧庫(kù)實(shí)施空調(diào)控溫技術(shù)。張慧敏等[15]對(duì)福建省1998年以后建成的100余座倉(cāng)廒進(jìn)行空調(diào)控溫實(shí)驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)空調(diào)控溫持久，適用于高大平房倉(cāng)。程永仙等[16]夏季采取倉(cāng)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(cāng)溫控制在23 ℃以下，平均糧溫控制在準(zhǔn)低溫儲(chǔ)藏范圍內(nèi)，明顯減緩稻谷脂肪酸值的上升速率，延長(zhǎng)安全儲(chǔ)存期。

空調(diào)功率大且需長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，如何設(shè)置好溫控閾值和空調(diào)開(kāi)啟時(shí)間，對(duì)于節(jié)約儲(chǔ)糧成本方面意義重大。另外，糧倉(cāng)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(shí)施過(guò)程中應(yīng)注意風(fēng)向往遠(yuǎn)上方吹，預(yù)防冷空氣長(zhǎng)時(shí)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(chǔ)糧技術(shù)主要是利用糧堆冬季儲(chǔ)存的冷心，通過(guò)內(nèi)循環(huán)的方式平衡糧堆內(nèi)的其他高溫部分，使整個(gè)糧堆處于低溫或準(zhǔn)低溫環(huán)境[18]。根據(jù)不同地域和實(shí)際儲(chǔ)糧需求，可將內(nèi)環(huán)流低溫儲(chǔ)糧技術(shù)分為整倉(cāng)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(cāng)內(nèi)環(huán)流可以明顯降低倉(cāng)溫、倉(cāng)濕，有效抑制書(shū)虱等儲(chǔ)糧害蟲(chóng)，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(cāng)整倉(cāng)內(nèi)環(huán)流保管玉米時(shí)發(fā)現(xiàn)，內(nèi)環(huán)流控溫能使倉(cāng)濕控制在40%以下，一定程度上抑制書(shū)虱生長(zhǎng)。膜下環(huán)流主要是通過(guò)表面覆蓋薄膜并增加風(fēng)管的方式，避免內(nèi)環(huán)流過(guò)程中倉(cāng)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(chǔ)糧時(shí)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(duì)照倉(cāng)低3.5 ℃。局部?jī)?nèi)環(huán)流操作簡(jiǎn)捷、降溫效果明顯且受外界影響小[24]。

內(nèi)環(huán)流技術(shù)儲(chǔ)糧成本低，但對(duì)于倉(cāng)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(zhǎng)，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(chǔ)糧優(yōu)化組合技術(shù)

近年來(lái)，研究人員開(kāi)始嘗試多種低溫儲(chǔ)糧技術(shù)綜合應(yīng)用，探索既能低溫儲(chǔ)糧又符合節(jié)能綠色的儲(chǔ)糧新技術(shù)。因?yàn)閱我粌?chǔ)糧技術(shù)在實(shí)倉(cāng)應(yīng)用中受地域氣候和環(huán)境等因素影響，難免會(huì)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(wèn)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(duì)蓄冷要求較高，可能存在冷源不充足導(dǎo)致整倉(cāng)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(lái)達(dá)到更好的儲(chǔ)糧效果將會(huì)成為低溫儲(chǔ)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(zhǎng)且冷源充足的地區(qū)，對(duì)于南方地區(qū)，采取內(nèi)環(huán)流結(jié)合空調(diào)的方式來(lái)彌補(bǔ)其夏季長(zhǎng)、冷源不夠用的缺點(diǎn)，從而達(dá)到低溫儲(chǔ)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(cāng)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(chóng)生長(zhǎng)且能耗低。此技術(shù)解決冷源不足和氣候影響的問(wèn)題，但空調(diào)和內(nèi)環(huán)流的開(kāi)啟時(shí)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(yáng)能光伏發(fā)電結(jié)合空調(diào)制冷技術(shù)

太陽(yáng)能光伏發(fā)電是一種綠色無(wú)污染技術(shù)，符合綠色儲(chǔ)糧的理念，結(jié)合空調(diào)使用，不僅可以有效利用倉(cāng)頂面積，降低倉(cāng)頂傳熱對(duì)倉(cāng)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(shí)得出，盡管光伏發(fā)電系統(tǒng)建設(shè)初期投資高，但從儲(chǔ)糧損失和節(jié)能降耗等方面來(lái)算，每年帶來(lái)的額外經(jīng)濟(jì)效益2 011.5萬(wàn)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(diǎn)設(shè)計(jì)一個(gè)倉(cāng)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(tái)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(fèi)用高，如何延長(zhǎng)系統(tǒng)使用年限、提高光電轉(zhuǎn)換效率是未來(lái)此技術(shù)的前進(jìn)方向。

2.3 儲(chǔ)糧“四合一”升級(jí)新技術(shù)

儲(chǔ)糧“四合一”升級(jí)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(chóng)和多參數(shù)糧情檢測(cè)的方式，使糧食常年處于較低溫?zé)o蟲(chóng)狀態(tài)，能有效保障糧食品質(zhì)。儲(chǔ)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(chǔ)存狀態(tài)，為糧庫(kù)走向智能化低溫綠色儲(chǔ)糧奠定基礎(chǔ)[31]。穆俊偉等[32]進(jìn)行“四合一”新技術(shù)實(shí)倉(cāng)應(yīng)用發(fā)現(xiàn)，該技術(shù)能有效降低糧溫，且抑蟲(chóng)、殺蟲(chóng)效果明顯，能有效延緩糧食品質(zhì)變化。但該技術(shù)需要對(duì)倉(cāng)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(cāng)房。

3 新技術(shù)、新冷源開(kāi)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(diǎn)，在中國(guó)航天、電子等領(lǐng)域應(yīng)用，并逐漸推廣于低溫儲(chǔ)糧方向，但在糧堆中的實(shí)際效果有待進(jìn)一步研究[33]。張巖等[34]試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，熱管技術(shù)應(yīng)用過(guò)程中可實(shí)現(xiàn)無(wú)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(duì)糧堆溫度的影響時(shí)發(fā)現(xiàn)，單根熱管可對(duì)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(chǔ)能技術(shù)

相變儲(chǔ)能技術(shù)是基于相變材料在相變過(guò)程中吸熱和釋熱的原理發(fā)展的一項(xiàng)技術(shù)，因相變材料經(jīng)濟(jì)實(shí)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(chǔ)糧[36]。王赫等[37]設(shè)計(jì)相變材料和空調(diào)組合的溫控系統(tǒng)，在夏季儲(chǔ)糧試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，試驗(yàn)倉(cāng)能夠達(dá)到準(zhǔn)低溫儲(chǔ)糧要求，且儲(chǔ)糧能耗較空調(diào)倉(cāng)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(shí)會(huì)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(huì)造成大量資源浪費(fèi)。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(kù)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(kù)，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(chǔ)糧目的[38]。熊永強(qiáng)等[39]提出2種利用LNG冷能儲(chǔ)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?dú)?。中央?chǔ)備糧莆田直屬庫(kù)，發(fā)揮其與LNG接收站相近的優(yōu)勢(shì)，利用LNG的冷能實(shí)現(xiàn)低溫儲(chǔ)糧的目的[38]。利用液化天然氣冷能進(jìn)行儲(chǔ)糧，不僅促進(jìn)能源的高效利用，還能帶來(lái)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(wèn)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(chǔ)量豐富，是近年來(lái)低溫儲(chǔ)糧的研究熱點(diǎn)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(cāng)，循環(huán)降溫后倉(cāng)溫下降9～10 ℃、糧溫降低7～10 ℃，且有效抑制害蟲(chóng)生長(zhǎng)，達(dá)到低溫儲(chǔ)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(wèn)題。

3.5 風(fēng)能

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

4 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)不同地域及氣候情況，采用相應(yīng)的低溫儲(chǔ)糧技術(shù)。如北方冬長(zhǎng)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(chǔ)糧，能有效降低儲(chǔ)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(chǔ)糧。

單一低溫儲(chǔ)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(chǔ)糧成本。應(yīng)用的組合技術(shù)較少，可適當(dāng)開(kāi)發(fā)更多儲(chǔ)糧技術(shù)組合以達(dá)到最佳儲(chǔ)糧目的。

糧食倉(cāng)儲(chǔ)行業(yè)正在朝現(xiàn)代化、智能化、綠色化方向發(fā)展，開(kāi)發(fā)低廉、高效且無(wú)污染的低溫儲(chǔ)糧新技術(shù)和新能源更加適應(yīng)時(shí)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(shí)際，發(fā)展特色低溫儲(chǔ)糧技術(shù)，最終形成有中國(guó)特色的儲(chǔ)糧技術(shù)體系。