新型自然冷能馬鈴薯貯藏庫的研究

任洪忱 孫大明 金德海

摘 要：創新設計建設新型自然冷能馬鈴薯貯藏試驗庫;利用自然冷能，制備冰體;根據設計計算實施馬鈴薯貯藏試驗;根據試驗效果得出試驗結論并提出改進方案，為進一步研究與推廣做出積極建議。

關鍵詞：自然冷能;馬鈴薯貯藏;貯藏庫;冰;用冰量

中圖分類號：S532 ? ? ? ?文獻標識碼：A

doi：10.14031/j.cnki.njwx.2019.06.005

0 引言

馬鈴薯是世界第四大主糧，在全球糧食安全戰略中擔當重要角色。我國馬鈴薯因貯藏不當損失率在10%～15%，改善貯藏條件和方式，提高貯藏質量是當前急需解決的問題。目前，常用貯藏方式主要是窖存、自然通風貯藏和機械恒溫貯藏，前兩種方式受外界溫度變化影響大，溫濕度不易控制，最后一種方式投資成本高，設備復雜，管理要求高，不適合大面積推廣。

自然冷能概念的提出，理論上可以解決馬鈴薯低溫貯藏難題，使農產品低成本貯藏保鮮有了實現的可能性。利用我國北方自然冷資源，即利用冰水相變吸收和釋放潛熱的原理，以冰的形式儲存冬季自然冷能作為馬鈴薯貯藏庫冷源。研制出適合北方氣候的馬鈴薯自然冷能貯藏庫，具有節能、無污染等優點。

1 新型自然冷能馬鈴薯貯藏庫試驗模型的建立

新型自然冷能馬鈴薯貯藏試驗庫按各功能分三處區域，其中馬鈴薯貯藏間約24 m3，貯冰室約66 m3，控制室約19 m3，馬鈴薯貯藏量按4 t計，具體建設方案如圖1所示。

為更高效利用自然冷能，馬鈴薯貯藏間處于冰室的三面包圍中，貯冰室與馬鈴薯貯藏間之間熱交換通過帶風門的可控風機實現，在馬鈴薯貯藏期需要降溫時，可以較為均勻并快速提供冷氣。

馬鈴薯貯藏間及貯冰室庫門要方便馬鈴薯、水（冰）及其它物品運送，馬鈴薯貯藏間與外界設置帶風門可控風機，方便馬鈴薯貯藏間與外界通風及熱交換。貯冰室庫門對面墻壁設通風口，冰體制備時貯冰室內空氣對流，實現冰體庫內高效制備。

寒冷季節來臨前，封閉貯藏庫門，利用馬鈴薯呼吸作用及少量輔熱，維持貯藏間溫度在2～4 ℃，貯藏間內溫度高時，風機自動啟動，貯藏間與冰室或外界產生熱交換;溫度低時，輔熱自動啟動。同期，將貯冰室貯冰槽內盛水，盛水量在80%左右，貯冰槽分層布置，層間留有空隙，利于冷氣流通，提高制冰、用冰效率。為克服水變成冰后體積增大對容器的破壞，采用截面為半圓形的橡膠槽為盛水（冰）容器，此容器可重復利用，降低了制冰綜合成本。制冰時，開放貯冰室庫門與通風口，利用冷空氣流動制冰。制冰過程中產生的潛熱也可作為維持馬鈴薯貯藏間溫度的能源。冰塊凍實后，氣溫回升前，封閉貯冰室庫門及通風口，做好保溫措施。待氣溫回暖，且馬鈴薯休眠期結束，貯藏間溫度上升時，貯藏間與貯冰室間的風機自動啟動，將貯冰室內冷氣輸入貯藏間，隨著熱交換的進行，冰塊逐漸融化至無法提供冷量，適時出庫。貯存期內，貯藏間與外界及貯冰室的熱交換、濕度控制均通過自控實現，控制系統操作界面如圖2所示。

2 試驗用冰量概算

2.1 冰的制備與消耗基礎數據

本次試驗貯冰容器是截面為半圓形的長槽容器，貯冰容器分層排布，層間留有通風空間，由于我省漫長冬季的低溫環境，貯冰容器內的冰可以完全凍實。冰的溫度取用-15 ℃計算。

理論上單位體積冰在融化過程吸收熱量是一定的，但由于在制冰過程中空氣混入、外層結冰影響中心冰凍結等實際情況影響，冰塊表層溫度與中心層的溫度存在差異，參考中國農業大學董仁杰老師等人做的自然冷能在果蔬保鮮上的應用研究中提出的以寒積值作為凍結指標，以冰的體積純度計算冰融化過程吸收熱量的研究成果，本案冰的體積熱純度取為0754。

試驗庫體地上部分采用厚度200 mm聚氨酯保溫板，地面采用厚度380 mm水泥砂漿結構。聚氨酯保溫板具有良好的保溫隔熱性能，其導熱系數約0028 W/（m·k）;水泥砂漿結構導熱系數約為081 W/（m·k）。

2.2 耗冷量概算

引起冰體消耗主要有以下方面：馬鈴薯貯藏間與外界熱交換量Q1、馬鈴薯貯藏耗冷量Q2、通風耗冷量Q3、操作熱損耗Q4，下面分別按這四方面計算耗冷量，最后確定本試驗模型理論用冰量。

2.2.1 馬鈴薯貯藏間與外界熱交換量Q1

分析圖3～圖8，結合實際，得如下結論：

（1）室外濕度變化波動較大，最低為118%，最高達到994%。馬鈴薯貯藏間濕度始終維持在95%左右，處于較佳貯藏濕度，從實際貯藏效果看，貯藏間濕度環境控制較為理想，與貯冰室調節有直接關系。

（2）2月25日，氣溫升至0 ℃以上， 3月17日冰室溫度達0℃，貯冰室對貯藏間溫度調節作用不再顯著。冰量消耗高于預期，應與庫體保溫效果不甚理想有關。

（3）3月25日氣溫達到20 ℃，貯藏間溫度達到7 ℃，且隨著溫升CO2濃度波動顯著，貯存環境已不適宜，恰逢播種期，3月26日種薯出庫。

馬鈴薯貯藏效果見下表所示，實際損失率1.02%，損失率較低，貯藏效果較好。

4 存在的主要問題及今后研究工作建議

4.1 存在的主要問題

（1）經過試驗可知自然冷能貯存馬鈴薯是可行的，但應用自然冷能過程中對基礎建設硬件要求較高，貯藏庫保溫密閉性要求尤其高，本試驗基礎建設尚有不足，對試驗效果有一定影響。

（2）新穎的自然冷能馬鈴薯貯藏庫設計方案以及低價制冰高效用冰的冰塊制備方法，能為后續自然冷能利用研究提供參考，但方案還有不理想之處，如基礎建設要求高、貯冰占地面積較大等，有待完善。

4.2 今后研究工作建議

（1）進一步加強庫體、制冰、貯冰、冷氣輸送、智能控制等硬件設施建設及軟件設計，加強日常使用管理，逐步完善試驗模型，同時對比其它貯藏方式，結合貯后損失率及品質變化等因素，全面衡量自然冷能馬鈴薯貯藏庫利用經濟性。

（2）通過調整蓄冷劑的方式增加單位體積冰體蓄冷量，從而降低冰的需求量，減少基建投資，要注意確保蓄冷劑的應用安全性。

（3）建議增加輔助機械制冷裝置或裝置接口，預防因意外因素導致冷量不足影響貯存。

參考文獻：

[1] 李里特，溫旺.自然冷資源利用中的相變傳熱和果蔬保鮮的研究[J].農業工程學報，1993，9（4）：44-50.

[2] 周福君，劉健，喬穎，等.利用自然冷資源貯藏保鮮的應用研究[J].農機化研究，2001（1）：93-94.

[3] 陳曦.貯冰蓄冷油豆角保鮮試驗研究[D].哈爾濱：東北農業大學，2010.

[4] 李里特.關于利用冷資源貯藏生鮮農產品的研究現狀與前景[J].農業工程學報，1991，7（3）：18-23.

[5] 趙亮，董仁杰.自然冷能在果蔬保鮮上的應用[J].可再生能源，2006（2）：72-74.