馬鈴薯太陽能風補發電控溫土窖的設計及效果分析

王 潔，李喜宏，賈曉昱

（1.天津科技大學食品工程與生物技術學院，天津 300457；2.天津捷盛東輝保鮮科技有限公司，天津 300399）

馬鈴薯又稱地蛋、土豆、洋山芋等，是茄科植物的塊莖，具有很高的食用價值和保健功能。鮮薯中約含有9%～20%的淀粉、1.5%～2.3%的蛋白質、0.1%～1.1%的脂肪和0.6%～0.8%的粗纖維。中國是世界馬鈴薯產量最高的國家，年產近7 500 萬t。目前多數農戶特別是經濟欠發達的山區，主要用自家的土窖來貯藏馬鈴薯。傳統馬鈴薯土窖由于設施過于簡陋，通風不暢，貯存溫度難以控制，采后預處理配套技術不足，貯存后期馬鈴薯損耗高達50%，造成農民增產不增收，影響正常市場供應。因此，馬鈴薯窖藏保鮮設施亟待升級。

隨著農業產業的轉型、節能減排策略的實施以及居民綠色建筑意識的加強，普通農業設施向高效、節能、環保低碳的綠色建筑轉型已成必然趨勢。針對傳統馬鈴薯土窖秋季降溫慢馬鈴薯難以及時入貯、冬季保溫差凍害普遍和春季溫度回升快馬鈴薯易發芽腐爛等3 大產業難題，本課題組響應國家“十二五”規劃綱要提出的節能環保減排號召，率先開展國內土窖體形系數、通風體系、熱工性能、土壤冷源高效蓄冷取冷技術等研究，配套太陽能風補發電蓄電、控制軸流風機強制通風等，開發適合農村使用的低成本的特色馬鈴薯微型節能改良土窖，提高了馬鈴薯貯藏保鮮效果。本文主要介紹馬鈴薯太陽能風補發電控溫土窖的設計方案，并對其效果進行分析。

1 馬鈴薯庫房的設計

1.1 庫房設計的性能要求

在對傳統土窖、冷庫等薯類貯藏設施[1]調研的基礎上，以節能、高效、方便、實用為原則，對窖體構造、保溫結構、通風換氣、太陽能風輔發電控溫系統等進行創新性優化設計，確定的設計目標為：土窖馬鈴薯貯藏量5～6 t，可周年使用，耗電量為零，造價低于標準冷庫50%、運行費用減少90%。

馬鈴薯不耐低溫貯藏，它的貯藏條件為：溫度3～5 ℃，相對濕度 80%～85%[2]，避光貯藏。該庫要求溫度控制范圍-1～5 ℃，精度0.1 ℃，相對濕度變化范圍45%～98%，精度3%。馬鈴薯貯藏設施的保溫要求參照國家標準GB 50072—2001《冷庫設計規范》中的庫體保溫指標，并參考了王日葵等[3]和李喜宏等[4]研究成果進行設計。

以窖容為32 m3的貯藏間為例，建筑參考規格為：長4.5 m、寬2.7 m、高2.7 m。采用半地下式，庫內地面低于地面1.6 m，南北走向。建筑平面圖、剖面圖如圖 1、2 所示。

1.2 隔熱材料的選用與維護結構的熱工指標

隔熱材料選材本著因地制宜、經濟適用[4-6]的原則。維護結構為240 mm 厚磚混水泥，內貼爐渣隔熱。外墻涂淺藍色，減少太陽輻射。庫頂以鋼管做頂梁，依次鋪蓋木板、磚混水泥、保溫棉、塑料膜等保溫防潮材料，頂棚保溫層厚度為200 mm，呈一定坡度以利排水。窖底為毛砂水泥地面，素土鋪實。保溫門用苯板制成，與防鼠門之間掛一個棉門簾，以減少外界空氣對庫溫的侵擾。

1.3 通風系統設計

馬鈴薯屬氧呼吸活性蔬菜，貯藏期需足夠通風換氣[7]。通風系統由地下風道、屋頂排氣筒、強制送風機、對流窗口、保溫門和勻風空間等組成。安裝軸流風機進行強制通風，風量500～700 m3/h。南北墻各設置兩個對流窗口，風口面積均為20 mm×20 mm。通風窗設置活動通風管，可靈活調節通風高度與風量；周圍包保溫材料，防止結霜阻礙空氣流通。設置南北方向地下通風道，可通向庫外。窖頂排氣筒高出頂部1.5～2 m,風口面積均為80 mm×80 mm。

1.4 太陽能風補發電控溫系統

作為新能源的太陽能和風能儲量豐富，安全干凈，太陽能光伏發電和風力發電在我國已成快速發展的趨勢[8]。本土窖太陽能風補發電系統由光伏電池陣列、小型風力發電機組、系統控制器、蓄電池組和逆變器（表1）等幾部分組成。根據貯藏環境條件需要，通過控制風機開關來調節溫濕度。

表1 太陽能電池組件的技術參數Table 1 The technical parameters of solar energy battery components

2 馬鈴薯土窖庫內的貯藏管理

貯存前土窖用硫磺熏蒸消毒，清掃干凈，保持低溫。收獲的薯塊散熱形成愈傷組織后，選取大小一致無傷病的馬鈴薯裝筐進行試驗，采用α-萘乙酸甲酯對馬鈴薯進行抑芽處理。裝筐碼放成高0.4 m、寬1.5 m 的立垛。薯堆中設通風管道，以便散熱。為了維持馬鈴薯的貯存濕度條件，秋冬季干燥時，可以在窖內地面灑水降溫加濕。以改良窖內貯藏為處理Ⅰ，傳統窖內貯藏為處理Ⅱ（CK 處理），測試馬鈴薯的貯藏指標[9]。

3 效果分析

3.1 保溫效果

華北、西北、東北等地區冬季低溫在-10 ℃以下，此時貯藏馬鈴薯的主要問題是庫體保溫差，窖內結霜，產生凍害[10]。本土窖隔熱層參數如表2，總熱阻大于 2.84 m2·℃/W，符合 ZBJ73043—90 中的規定。實際觀測效果表明，該馬鈴薯土窖庫保溫與結構設計科學，冬季窖內不會結霜，窖溫可以穩定控制在3～5 ℃之間。

表2 維護結構保溫設計與熱工指標Table 2 Maintenance structure insulation design and thermal index

3.2 降溫速度

該馬鈴薯土窖庫在傳統土窖基礎上優化設計，采用強制通風，充分利用自然冷源，降溫速度明顯快于傳統土窖。9 月中旬氣溫連續下降的兩個晚上的通風降溫實測結果見圖3 和圖4。第1 天晚上7 h 內，庫外氣溫由18.5 ℃降到17.5 ℃；改良窖內溫度由19.5 ℃降到18.5 ℃；而傳統土窖依靠自然通風，庫溫21 ℃不變。第2 天晚上，庫外氣溫由15 ℃降到12 ℃；改良窖內用風機強制排風，溫度由18 ℃降到13 ℃；而傳統土窖依靠自然通風，溫度由20 ℃降到18.5 ℃，僅降1.5 ℃。由此可見，改良窖經兩晚上通風（白天閉窖），庫溫下降速度明顯快于傳統土窖。

3.3 節能分析

馬鈴薯太陽能風補發電土窖充分利用了豐富的太陽能、風能、土壤冷源等自然能源，利用太陽能、風能在時間上的互補性，蓄能方式可以合二為一、有機結合，構成風光互補發電系統，提高了系統供電控制和軸流風機通風的穩定性。該土窖實現零耗電，年電費節省約5 000 元左右；薯塊在冬季也處于平穩的貯藏環境，基本不用人工增溫，運行費用減少90%。

3.4 貯藏效果分析

馬鈴薯貯藏120 d，改良庫貯藏的馬鈴薯VC 損失率小于傳統土窖，腐爛率為2.4%，硬度為63.16 kg/cm2，失重率為5.20%，效果均明顯好于CK 組（表3）。

表3 改良土窖與傳統土窖對馬鈴薯貯藏效果的影響Table 3 Storage effect of improved cellar and traditional cellar for potato

4 結論

（1）馬鈴薯太陽能風補發電控溫土窖庫，充分利用自然冷源，將自然通風與機械通風相結合，降溫速度明顯快于傳統土窖；隔熱材料總熱阻大于2.84 m·2℃/W，冬季無結霜現象，保溫效果好。太陽能風補發電控溫系統的建立使土窖運行費用常規比冷庫減少90%，具有較強的推廣價值。

（2）窖溫可以穩定控制在3～5 ℃之間，創造了適宜的環境條件。馬鈴薯的腐爛率明顯降低，VC 損失率減小，硬度、失重率等綜合指標均明顯優于傳統土窖。