山東農作物種質資源中期庫制冷系統設計與建設

李湛　張曉冬　李潤芳　王棟　劉世華　李娜娜　丁漢鳳

摘要：農作物種質資源是新品種選育的物質基礎，是事關糧食生產、生態安全與農業可持續發展的戰略資源。建設科學、環保、節能的中期庫對于種質資源保護至關重要。由于中期庫建設涉及學科廣且沒有統一的設計規范，因此其建設與應用困難重重。本文從中期庫制冷系統關鍵參數入手，計算了省級中期庫制冷負荷，確定了關鍵系統方案，并根據計算結果與設計方案，探討了中期庫設備選型，同時對庫體及監測系統的構建提出了具體要求，以期為種質庫的設計和設備選型提供參考與借鑒。

關鍵詞：農作物；種質資源；中期庫；制冷負荷；設備選型；山東

中圖分類號：S502.4文獻標識號：A文章編號：1001-4942（2014）12-0011-04

農作物種質資源是寶貴的基因資源、遺傳資源，既包括地方品種和育成品種，也包括重要遺傳材料和野生近緣植物。低溫種質庫是種質資源保存的主要途徑之一，其保存的種質材料屬于耐低溫、耐干燥的正常型種子[1]。美國于1958年在科羅拉多州建成的“美國國家種質庫”是世界上第一座現代種質庫。至2010年底，全世界已建成了1 750多座種質庫，共保存740多萬份農作物種質資源[2]。1986年，中國農業科學院建成了庫容為40萬份的國家作物種質庫；2002年，“國家農作物種質保存中心”建成并投入使用，貯存容量為60萬份以上，其主要任務是負責作物種質資源的中期保存與分發利用[3]。2010年，山東省農作物種質資源中心建成了庫容為20萬份的低溫種質庫，該庫的投入使用為山東農作物種質資源的保存和研究提供了重要的條件平臺。

中期庫是保存應用收集品材料的低溫種質庫，貯存溫度-4～4℃，相對濕度<65%，種質含水量6%±2%，貯存壽命10～20年[1，4]。中期庫的主要任務是種質收集、鑒定、編目保存、分發交換、繁殖更新及信息匯編，并對接長期庫和短期庫，因此，中期庫是種質資源非原生境保護的重要方式之一。中期庫建設是一項涉及多學科的系統工程，目前國內外還沒有統一的設計標準與規范，特別是關于制冷系統設計建設的研究更是鮮見報道。針對這一問題，本文從設計角度出發，對山東農作物種質資源中期庫的制冷參數進行了理論計算，并結合計算結果對中期庫建設的具體要求進行了系統論述，旨在為中期庫建設提供理論參考和實踐指導。

1制冷負荷參數的確定與計算

制冷系統是中期庫的核心部分，其制冷和除濕性能的優劣決定了種質資源保存時間的長短，因此，需要根據中期庫的建設規模和當地環境對系統參數進行科學計算，以便選用合理的制冷設備。

1.1制冷負荷參數確定

中期庫的制冷負荷是指在單位時間內從庫房內移走的熱量。根據熱源的不同，庫房的熱量來源由以下五項組成[5]：

Φ1=圍護結構傳熱量（W）

Φ2=貨物（種質資源）熱量（W）

Φ3=通風換氣熱量（W）

Φ4=電動機運轉熱量（W）

Φ5=操作熱量（W）

由于能量平衡，中期庫制冷負荷等于熱源負荷，即：

式中，Φs為中期庫冷卻設備的制冷負荷，單位W；P為負荷系數；Φ1～Φ5計算公式如表1所示。

1.2制冷負荷參數計算

根據《實用制冷與空調工程手冊》[6]，可得濟南室外設計參數如下：

室外計算干球溫度：夏季空氣調節日平均溫度tw=34.8℃；室外計算濕球溫度：歷年平均不保證50 h的濕球溫度26.7℃。山東中期庫庫內平均溫度-5℃，室外散熱溫度45℃，凈容積180 m3，負荷系數1.3，由式（1）及表1的公式計算得山東中期庫冷卻設備制冷負荷Φs=9.04 kW。

2制冷除濕方案與設備選型

2.1制冷方案選擇

機組制冷主要有風冷和水冷兩種方式[7]，風冷方式由于造價低、維護簡單、安裝方便等原因，已經成為國內外種質庫的首選制冷方式[8]。此外，在選擇風冷機組時，制冷劑的選擇也至關重要，優選R404A、R410A、R134A等環保型制冷劑，禁用R502、R12、R22等制冷劑[9]。若中期庫建在居民文教區，其設計標準參照GB-12348《工業企業廠界環境噪聲排放標準》執行。

2.2除濕方案選擇

目前國內外種質庫采用的除濕技術包括：輪轉除濕、冷凍熱回收除濕、電加熱除濕、化學溶液除濕、熱氟回收除濕等[7]。相比而言，冷凍熱回收除濕系統采用無級熱流量控制方式，溫濕度聯合控制，可根據庫內溫度變化，無級調節冷凝器的加熱量，節能效果明顯。考慮到高溫高濕或長期停機再啟時的惡劣工況，系統應設計適合惡劣工況條件的化霜頻率及自動控制程序，當達到設計要求時自動切換到標準程序運行。冷凍熱回收除濕方式耗能小，不需要大功率再生電加熱，裝機功率僅為其他形式的20%，節能優勢明顯。與此同時，該方式使用壽命長，易損部件造價低，更換成本小，維護簡便，因此，投資相對較少，具有明顯的成本優勢[10]。

2.3設備選型

考慮長期運轉、設備壽命及設計制冷量等問題，山東中期庫每庫配備制冷機2臺（1用1備），每臺制冷量要求為理論制冷負荷的1.56倍，即為14.1 kW，此外必須保證系統設備的壽命不低于20年。山東中期庫選用的制冷除濕機型號為尤尼布FM0100D，主機選用美優樂MTZ100型，溫濕度控制器及傳感器為意大利伊利威生產，電氣元件由法國施耐德生產，冷媒采用R404A環保制冷劑。根據制冷機容量，風機干燥風量配套為4 500 m3/h，總裝機功率46 kW。最終實現中期庫庫溫（-4±2）℃，相對濕度≤45%，完全滿足種質資源中期保存的要求。

3庫體構建

3.1保溫構建

中期庫庫體包括墻體與地坪，為減少庫體內外熱量交換、保持穩定的庫內溫度，同時減少能源消耗，必須做好庫體的保溫構建。根據山東中期庫的設計要求與實際情況，庫板選用150 mm硬質聚氨酯泡沫板，密度41 kg/m3，導熱系數0.022 W/（m·K），吸水率2.4% （V/V）；庫板內層表面為不銹鋼，外層表面為聚酯涂層彩鋼板，彩鋼板基板熱鍍鋅，涂層干膜總厚度≥25 μm，聚酯涂層厚度≥20 μm，鋼板厚度≥0.6 mm。地坪使用擠出型聚苯乙烯板（XPS）作為隔熱材料，3層錯縫鋪設，設上下雙層防潮層。XPS板厚度150 mm，抗壓度353 kPa，吸水率0.5%（V/V）。板面平整，無碰傷、劃痕、凹凸坑和翅曲現象。保溫夾層與面板粘結均勻牢固，無穿透性空洞和局部斷裂現象。

3.2密封構建

在做好中期庫保溫構建的同時也需做好密封構建。山東中期庫每個標準門均裝有單轉軸（鉸鏈門），開關靈活、無變形、密封良好，同時加裝電熱線以防結露和凍粘。接縫處板間錯位不大于2 mm，庫體每個表面對角線之差不大于理論值的1.5‰，保證接縫嚴密可靠。地坪保溫材料與立板接縫處澆筑PU料密封，無毒、耐老化、耐低溫、有良好的彈性和隔熱隔潮性能。庫內地面鋪設鋼筋混凝土層，并符合圍護結構密封處理標準。

4計算機監測系統構建

中期庫監測分為人工與智能兩種方式[7]，人工監測需工作人員實時在線工作，并根據現場數據進行相關調控操作，因此不僅浪費人力物力而且調控效率低，有時會出現調控延誤。山東中期庫采用智能監控方式，即構建計算機監測系統，實時對庫內溫度、濕度進行調控，工作連續、穩定、可靠。該庫配備溫濕度運行顯示、故障報警顯示、打印存儲數據等功能的硬件和軟件系統。溫濕度調控采用意大利伊利威溫濕度轉化系統，溫度控制精度優于滿刻度的0.5%，濕度控制精度為3%。

5結語

山東農作物種質資源中期庫建設有力地推動了全省種質資源的保存及研究工作，該庫的建設是涉及能源、材料、機械等多學科的專業性系統工程。本文計算了制冷系統參數并探討了設備選型，主要結論如下：

（1）制冷系統是中期庫的核心部分，需要根據中期庫建設規模和當地環境，對系統重要參數進行科學計算。根據濟南市的環境參數，山東中期庫的室外散熱溫度45℃，庫內設定溫度-5℃，凈容積180 m3，計算得制冷負荷為9.04 kW。

（2）考慮系統節能性、經濟性、環保性，山東中期庫選用風冷方式，采用冷凍熱回收除濕和無級熱流量控制，可根據工況條件自動切換運行程序。

（3）設備制冷量要求為理論制冷負荷的1.56倍，即為14.1 kW。為此，制冷除濕機選用尤尼布FM0100D型，主機選用美優樂MTZ100型，其他控制及監測部件均為國外進口，提高了系統使用壽命，最終實現了中期庫庫溫（-4±2）℃，相對濕度≤45%。

（4）做好中期庫的保溫構建和密封構建，配合使用智能監控系統，可以減少庫體、地坪與外界的熱量交換，穩定庫內溫度，提高調控效率，減少資源浪費。

參考文獻：

[1]

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[2]王述民，李立會，黎裕，等.中國糧食和農業植物遺傳資源狀況報告（Ⅰ）[J].植物遺傳資源學報，2011，12（1）：1-12.

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[9]盧新雄.植物種質資源庫的設計與建設要求[J].植物學通報，2006，23（1）：119-125.

[10]梁才航.膜法全熱回收制冷除濕系統的數值模擬與實驗研究[D].廣州：華南理工大學，2010.