某物流中心低溫糧庫空調設計方案探討

鐘瑋 鐘璘

1 深圳華森建筑與工程設計顧問有限公司

2 中國南方航空公司

低溫儲糧技術是近幾年最為流行的糧食儲存技術，低溫能有效抑制糧食尤其是谷物中害蟲和微生物的繁殖、防止糧食的老化，被公認為21 世紀糧食存儲的最佳方式之一。目前，我國大多數地區糧食儲存采取谷物冷卻機降低糧溫的方式來實現低溫或準低溫儲糧。然而，由于谷物冷卻機耗電量大，導致糧食儲存的成本高昂，相當大一部分糧食企業不敢大力推行低溫儲糧技術，使得低溫儲糧技術的應用難以落實。本文以某糧食現代物流中心為例，介紹了該中心采用熱泵+主機熱回收的低溫糧庫空調系統設計方案，以期為低溫儲糧技術的推廣，提供參考。

1 工程概況

本工程物流中心項目地址位于湖北省黃石市。項目規劃用地面積約為164526 m2（約246.79 畝）。其中實際可用地面積為154283 m2（約231.42 畝）。代征城市道路用地面積為10243 m2（約15.37 畝），本期建筑占地面積26502.92 m2。

低溫糧倉為平房倉共3 棟，軸線尺寸24 m×96 m，總倉容0.63 萬t，包糧堆高6 m，單倉倉容1860 t。倉頂為防水保溫屋面，采用60 mm 厚發泡聚氨酯（B1 級），發泡聚氨酯鋪設上下雙層，中間留空氣層，進出風口風別設在檐口和屋脊，利用空氣夾層的不均勻受熱達到自然通風的目的，更高效、更節能的提高糧倉的保溫和隔熱性能[1]。本工程結構圖如圖1 所示。

圖1 物流中心結構圖

本工程準低溫糧倉主要建筑特征如下：倉房裝糧高度6 m，建筑高度11.47 m，軸線尺寸24 m×96 m，數量3 棟，單倉容積2100 t，建筑面積2383.17 m2，結構形式鋼筋混凝土，門式鋼架結構，建筑耐火等級二級，自呼吸通風雙層板式屋蓋，承重墻體頁巖實心磚墻，機械通風形式地上籠通風。

2 冷熱負荷計算

2.1 參數選擇及啟動冷負荷計算

根據熱量平衡原理，低溫糧庫空調的負荷等于糧庫內所有得熱量與發熱量之和。以糧庫內儲存物為大米來計算，按照糧倉的設計要求[2]，設定糧倉每天換氣三次，糧庫內風機與照明等發熱設備熱量為10 W/m2，每天入倉的大米按照500 t 來計算，大米發熱量為0.37 W/t（取含水率為15%的大米），入倉溫度為30 ℃，入倉后三天時間糧食冷卻到18 ℃，則空調機組的啟動負荷（入倉3 天）為:

式中：ε 為計算系數，通常取1.1～1.3，本文中取1.2；Q1為糧庫的圍護結構與周邊環境傳熱產生的冷負荷；Q2為糧食降溫產生的冷負荷；Q3為糧食呼吸作用發熱產生的冷負荷；Q4為糧庫內的空氣降到所需溫度產生的冷負荷；Q5為糧庫內風機運行發熱產生的冷負荷；Q6為開啟庫門，通風換氣等產生的冷負荷。

其中，主要冷負荷來源于Q1～Q4其他幾項在總冷負荷中占比例較小，計算時可以忽略。因此，算式可以簡化為：

其中，

式中：K 為糧庫的圍護結構材料傳熱系數[2]，選1.2 W/(m2·K)；W 為糧庫外墻面積，包含屋頂面積與四面墻體面積；T外-T內為糧庫室內外溫差，取平均數為9 ℃；G 為糧食數量；C米為大米的比熱容，查詢可知為0.8×103J/(kg·℃)；T原-T終為大米的初始溫度與最終要求達到溫度之差；q 為大米發熱量；Cair為空氣的比熱容，取1.005×103J/ (kg·℃)，M 為糧庫裝糧后空氣的質量；T原-T終為空氣的初始溫度與最終要求達到溫度之差。

代入工程相關數據，經計算可知，地源熱泵空調機組所需的總供冷量為8400 MJ，入倉大米的冷負荷為32 kW。

2.2 日常冷負荷計算

日常冷負荷指的是冷卻降溫后大米儲藏的維持日負荷，根據糧庫管理方經驗，大米從入庫到出庫一般周期在一個月左右，則日常倉庫的儲量逐時冷負荷則可以近似地看成糧庫的圍護結構與周邊環境傳熱產生的冷負荷，根據當地的氣溫逐時變化計算具體如表1 所示。

表1 設計日逐時冷負荷表

2.3 糧食出倉熱負荷計算

糧食出庫之前，一般要提前10 天對低溫糧食進行加熱，糧食只有加熱到了28 ℃左右，在出庫后的運輸過程中才不至于表面結霜。因此，糧食出倉的總熱負荷，這里還是以大米為例，包含了把倉內大米從設計的準低溫儲存溫度18 ℃加熱到出庫標準溫度28 ℃的熱負荷，以及隔壁未出庫倉庫的到熱量，和室內空氣的加熱量。根據設計圖紙，相鄰糧倉高度為3 m，此處選擇位置位于中間的糧倉，即兩邊均有傳熱。

經計算，隔壁糧倉的傳熱量為8.1 GJ，外墻得熱量為0.77 GJ，空氣加熱量為0.023 GJ，大米加熱量為38 GJ，總加熱量為45 GJ。按照地源熱泵空調系統每天不停機運行18 h 計算，糧食出倉的總熱負荷為70 kW。

3 熱回收負荷計算

為了提高機組能效，讓冷凝器產生的冷凝熱量不浪費，本項目還設計了熱水回收系統，通過交換冷凝器中產生的冷凝熱，給員工宿舍和辦公樓提供日常生活熱水。通過蓄熱水罐將熱回收系統獲取的熱水儲存，蓄熱水罐的設計進水溫度為20 ℃，出水溫度為60 ℃。因此，熱回收系統的設計出水溫度為60 ℃，而進水溫度則為20 ℃。

根據設計要求，本項目地源熱泵空調系統的設計冷凍水進水溫度為4 ℃，冷凍水出水溫度12 ℃，設計冷卻水進水溫度為32 ℃，冷卻水出水溫度為37 ℃。當宿舍及辦公區域需要使用熱水時，蓄熱罐提供60 ℃熱水，同時補充20 ℃的進水。

3.1 設備選型

本項目地源熱泵+熱回收空調系統由帶熱回收的地源熱泵機組、供冷水泵、冷卻塔、冷卻水泵、供熱水泵、熱回收水泵、蓄熱水罐、風機盤管、閥門配件等組成，如表2 所示。根據空調系統冷負荷計算，設計冷負荷為205 kW（見表1），設計日總空調冷負荷為4736 kWh?？紤]到管道等過程熱損失，機組選型時預留一定冷量。因此，本項目選用三臺單機制冷量為650 kW 的地源熱泵機組，搭配三臺圓形逆流式冷卻塔，擺放在低溫糧倉屋面?？照{熱源由淺層地能采集井+冷凝器散熱提供，熱回收系統由設置在地下室制冷機房的兩臺額定換熱量為800 kW 的水-水板式換熱器完成，供辦公樓及員工宿舍日常熱水。

由上可知，本項目各主要設備選型如表2。

表2 地源熱泵空調系統主要設備表

3.2 控制系統

本項目為每個廒間配備兩套表層控溫機組，采用分體式設計，一套表層控溫機組由一臺室外機組和三臺室內機組構成，每套設備對應一口淺層地能采集井，室內機、室外機、采集井聯動運行，設備上已集成考慮控制系統。

3.3 項目運行優勢

本項目低溫工藝采用淺層地能低溫儲糧技術，該技術是一項綠色、生態、節能效果顯著的糧食保鮮儲藏技術。該技術采集地表下數十米深處低溫的冷氣資源（淺層地能），可使糧食一年四季保存在低溫狀態內，達到以下目的：

1）由于糧堆的吸濕性，糧堆內部溫度較高時，外部空氣相對溫度較低，接觸后產生結露，使得糧食發生霉變，因此，低溫儲糧能確保糧食的不發生霉變。

2）低溫情況下，糧堆內部的溫度降低，糧食的呼吸作用也減弱，因此，低溫儲糧能延長糧食的儲存時間。

3）低溫同時還能夠抑制細菌以及酶等微生物的活性，降低糧食中淀粉的水解速度和脂肪的氧化速度，抑制糧食在儲存過程中的代謝，延緩糧食的陳化速度，保證糧食的新鮮和營養價值。

4）在目前節能減排的大背景下，選擇可再生能源，選擇地源熱泵+熱回收機組，即保證了能源的有效利用，又不破壞當地的環境，同時還能為辦公樓及員工宿舍提供生活熱水，是一舉多得的設計方案。

4 結語

淺層地能是一種低溫的可再生資源，廣泛分布在地下的土壤、沙石、地下水以及深層江河湖海水體中，具有“冬暖夏涼”的熱源優勢。本項目地處長江流域，水源及地源熱泵均可以作為設計熱源，為了節省材料及縮短輸送距離，本項目選取淺層地熱能為熱源，通過各種采集井，將地面以下恒溫熱源采集出來，然后通過地源熱泵主機系統的轉換，形成糧食所需要的溫度、濕度合適的冷卻媒介，再通過末端通風系統，最終與糧食進行換熱，將糧食溫度控制在低溫狀態。

低溫儲糧技術是近幾年最為流行的糧食儲存技術，但由于空調運行費用高昂，一直沒有得到普及。本文采用地源熱泵＋熱回收空調系統方案，初投資相比傳統的谷物冷卻機高，但運行費用較谷物冷卻機低，且能制取宿舍及辦公樓的日常生活熱水，具有良好的節能性和經濟效益。