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平衡水分理论和通风窗口指导稻谷降温通风

文档作者：李兴军1，吴晓明2，殷树德3 文档来源： 1．国家粮食局科学研究院 2．津市明伦电子技术有限公司 3．重庆市垫江国家粮食储备库		点击数： 46 1	更新时间： 2024年07月27日
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仓储物流粮油食品科技第22 卷2014 年第3 期
98
平衡水分理论和通风窗口指导稻谷降温通风
李兴军1，吴晓明2，殷树德3
( 1． 国家粮食局科学研究院，北京100037; 2． 天津市明伦电子技术有限公司，天津300384;
3． 重庆市垫江国家粮食储备库，重庆垫江408300)
摘要: 将智能化粮情检测技术与通风窗口控制模型相结合，依据CAE 方程控制稻谷仓房通风的
原理，以稻谷的吸附平衡绝对湿度曲线、饱和湿度曲线建立了降温通风窗口区域，当大气状态点位
于窗口区域，风机运转; 当大气状态点在窗口区域外，风机则关闭。应用该通风窗口控制稻谷降温
通风作业，单位能耗值远小于传统的人工控制降温通风的单位能耗值。
关键词: 稻谷; 平衡水分; 机械通风; 降温; 通风窗口区域; CAE 方程
中图分类号: TS 379 文献标识码: A 文章编号: 1007 － 7561( 2014) 03 － 0098 － 04
Lowering paddy temperature by equilibrium moisture theory and ventilation window
LI Xing － jun1，WU Xiao － ming2，YIN Shu － de3
( 1． Academy of State Administration of Grain，Beijing 100037;
2． Tianjin Minglun Electric Technique Co． ，Ltd，Tianjin 300384;
3． Chongqing Dianjiang State Grain Ｒeserve Depot，Dianjiang Chongqing 408300)
Abstract: Combined the intelligent detection technology with ventilation window control model，the ventilation
window region for lowering the temperature was constructed according to the principle of controlling
aeration by CAE equation，the absolute humidity adsorption equilibrium curve of paddy and saturated humidity
curve． The ventilator turned on when the air status point within the window region，turned off
when outside． The unit energy consumption of aeration controlled by ventilation window was much less
than that by man．
Key words: paddy; equilibrium moisture; mechanical aeration; lower the temperature; ventilation window
region; CAE equation
收稿日期: 2013 － 11 － 8
作者简介: 李兴军，1
971 年出生，男，博士，副研究员．
粮食储藏调控技术主要是通过调控粮食含水率
和温度来延缓品质劣变、抑制有害生物生长发育。
在密闭环境内和一定温度条件下，粮食含水率随平
衡相对湿度( EＲH) 的变化，作成图是光滑的连续S
形曲线，被称为水分吸着等温线。采用生物统计学
软件中的非线性回归方法对粮食水分吸着等温线数
据进行拟合分析，确定了粮食相对湿度( ＲH) 与粮
食温度、含水率之间的函数关系［1 － 2］。在ＲH 20%
～ 65% 范围内，储粮是安全的，既不发霉，也不发生
脂肪过氧化作用［3 － 4］。鉴于粮堆EＲH 较难准确测
定，所以通常通过测定粮食含水率和温度，进而推知
粮堆EＲH［2］。平衡水分等温线及CAE 方程在实际
通风应用中，分别比较储粮与大气之间的绝对湿度、
温度及露点温度，确定粮堆能否进行各种目的的通
风包括降温、降水或调质［5 － 7］。本文在稻谷平衡水
分等温线和CAE 方程研究［6］基础上，深入介绍将数
字型储粮通风测控系统与通风窗口控制模型相结
合，降温通风过程中通风窗口区域随温度下降的变
化，以期为高效节能智能化通风提供参考。
1 储粮降温通风窗口控制原理
根据吴子丹等［8 － 10］储粮通风自动判断的窗口
控制系统，将粮情检测与智能通风控制系统相结
合，根据粮食品种、测定的粮食含水率，测控系统
检测的粮堆温度、大气温度及大气相对湿度，按照
储粮机械通风技术规程( LS /T 1202—2002) 提供的
降温通风的判断条件，当大气温度、相对湿度条件具
备通风条件时，开启风机，进行降温通风作业; 当大
气条件不具备降温通风的作业条件时，关闭风机，避
免出现低效的通风作业，提高电能的利用效率。通
风进行中通风窗口控制如图1。根据粮食状态点A
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( ★) 、吸附湿度线及饱和湿度线确定的降温通风窗
口区域，大气状态点( ◆) 可在BCDFG 窗口区域内
移动。
注: ＲH = 100%饱和湿度曲线，以下同。
图1 通风窗口控制区域
1． 1 概念和依据
1． 1． 1 储粮有害生物生长条件: 储粮昆虫生长温度
8 ～ 41 ℃、ＲH 1% ～ 99% ( 最佳30 ℃、ＲH 50% ～
70%) ，真菌2 ～ 55 ℃、ＲH 70% ～ 90% ( 最佳30 ℃、
ＲH 80%) ，螨类3 ～ 41 ℃、ＲH 42% ～ 99% ( 最佳25
℃、ＲH 70 ～ 90%) ，细菌55 ℃、ＲH 100%。细菌不
能在没有可利用的游离水的情况下生长，也就是大
约与相对湿度100%相平衡的水分。在真菌使粮食
发热的温度升高到55℃，同时出现可利用的游离水
的时候，嗜热细菌发展，使温度升到70 ～ 75℃，并与
嗜热真菌一起可使霉变发展到最后阶段。如果发热
已进展到有嗜热细菌参与的时候，粮食早已无任何
食用价值［11 － 12］。
图2 大气绝对湿度曲线图
1． 1． 2 大气状态点: 当前大气的温度( t1
) 和绝对湿
度。相对湿度( ＲH) 为100%饱和湿度曲线，指大气
饱和绝对湿度曲线。从表1 看出，在我国七大储粮
区域，秋冬季通风时期大气ＲH 在青藏高原储粮区
小于40%，在北方其他储粮区为52． 0% ～ 68． 5%，
在南方储粮区为70． 3% ～ 80． 7%。在上述这些大
气ＲH 下，谷物平衡水分均在8% ( 湿基) 以上。由
于蒙新干旱区和东北冷湿区仓库外冬季气温过低，
所以储粮冬季重点考虑保温。华北、华中华东、西
南、华南储粮区如果采用气温低于15 ℃的正温度、
ＲH 大于50%的冷空气降温通风，大气绝对湿度均
大于2． 5 mm Hg ( 图2) ，大气状态点在图1 的BCDFG
区域内移动。
1． 1． 3 粮食状态点: 当前粮堆温度( t2
) 下一定含水
率粮堆的平衡绝对湿度，如图1 中12． 5% 含水率的
粮堆温度25 ℃、吸附平衡绝对湿度17． 0 mm Hg。
降温通风采用吸附平衡绝对湿度曲线。吸附平衡绝
对湿度曲线指以温度、平衡含水率为自变量表示的
粮食绝对湿度变化曲线。
表1 我国储粮区大气月均气温和月均相对湿度
储粮区域温湿度10 月11 月12 月1 月2 月3 月
青藏高原区t1 /℃ 8． 1 2． 3 － 1． 6 － 2． 1 1． 1 4． 6
ＲH /% 50 39 34 28 25 28
蒙新干旱区t1 /℃ 7． 2 － 2． 8 － 10． 1 － 12． 6 － 9． 5 － 1． 2
ＲH /% 59． 5 66． 5 68． 5 67． 5 65 59
东北冷湿区t1 /℃ 5． 6 － 5． 7 － 15． 6 － 19． 4 － 15． 4 － 4． 8
ＲH /% 65 67 73 74 70 58
华北区t1 /℃ 12． 4 4． 3 － 2． 5 － 4． 5 － 1． 7 5． 1
ＲH /% 67． 3 63． 7 57． 3 52 53． 7 54． 3
华中华东区t1 /℃ 17． 9 11． 9 6 3． 5 5． 1 9． 5
ＲH /% 76． 3 76． 5 76 75． 8 78 78． 8
西南区t1 /℃ 15． 9 11． 5 7． 5 6 7． 9 12． 2
ＲH /% 81． 7 79． 7 78． 3 75． 3 73． 3 70． 3
华南区t1 /℃ 22． 9 18． 5 14． 3 12． 2 13． 1 16． 3
ＲH /% 73 71 71． 7 73 78． 3 82
注: 图中数据参考文献［13 － 15］整理。
1． 1． 4 降温通风上限温度线: 我国粮食一般储藏在
暖温带、中温带及亚热带地区。根据储粮机械通风
技术规程，降温通风的温度条件是，通风开始时，粮
堆温度( t2
) 与大气温度( t1
) 之差在暖温带、中温带
地区大于8 ℃，在亚热带大于6 ℃; 通风进行时，t 2
－ t1
在暖温带、中温带地区大于4 ℃，在亚热带大于
3 ℃。我们在通风窗口控制图中标出降温通风上限
温度线，即允许降温机械通风作业的大气温度上限，
通风开始时暖温带、中温度地区为t2 － 8 ℃，亚热带
地区为t2 － 6 ℃; 通风进行中暖温带、中温度地区为
t2 － 4 ℃，亚热带地区为t2 － 3 ℃。
1． 1． 5 湿度判定条件: 当大气绝对湿度低于粮堆平
衡绝对湿度，通风作业过程中不会增加粮食的含水
率。当大气绝对湿度高于粮堆平衡绝对湿度，通风
作业过程中则会增加粮食的含水率。
1． 2 通风窗口控制技术
在具备通风降温条件的通风窗口区域BCDEH
( 图1) ，当大气状态点在BDEH 或EFGH 区域内左
移时，粮堆温度快速降低。虽然粮食能够发生吸附
或解吸作用，但是由于温度低于10 ℃，粮堆水分增
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加或减少速率非常地小。
2 通风窗口控制模型指导风机运行
2． 1 通风作业试验条件
本试验在重庆市垫江国家粮食储备库进行。该
库地处我国第五储粮区。垫江县( 北纬30°、东经
107°) 地貌为盆地，平均海拔450 m，属于亚热带湿
润季风气候，年平均气温在18 ℃，6 ～ 8 月气温高达
40 ℃以上，冬温夏热、四季分明。在每年10 月底～
次年的元月采用机械通风降低储粮温度，以延缓次
年开春后粮温随气温升高。
试验仓是该库8 号房式仓，仓房长31． 4 m，宽
14． 12 m，高5． 01 m，鱼磷板地上笼一机三道，两个
通风道接入口，共6 条风道，每条风道之间的间距为
5． 0 m，通路比K = 1． 5，单位通风量为16． 4 m3 /ht。
本地产的稻谷，入仓时间为2010 年10 月，共1 340
t，杂质率0． 4%。在2012 年12 月20 日用LSKC －
4B 型粮食水分测量仪测定的粮堆综合水分为
13． 2%。二台小功率( 1． 5 kw) 轴流风机型号是
SFG4 － 2 型，全压/静压320 /220 Pa，风量11 000
m3 /h，转速2 800 r /min。在12 月23 日将二台轴流
风机安装在两个通风道中，用编织袋塞紧，同时安装
了MLG 粮情测控与智能通风系统，采集粮温、仓湿、
外温、外湿等数据，该系统软件利用平衡水分理论和
通风窗口来控制风机的启停。通风方式为负压吸出
式通风，关好门，开启四角的四个通风窗子，外界的
冷空气由四个窗子进入，经过粮层，由小轴流风机排
出仓外。为了准确的统计用电量，在通风作业仓安
装了电表。
2． 2 通风窗口区域随粮堆温度变化
MLG 储粮通风控制系统由控制系统、检测系统
和测控软件三部分组成。控制系统包含风机控制模
块［16］、数字湿度变送器［17］、湿度传感器过滤保护罩
等硬件。检测系统由新型储粮数字式测温电缆［18］
和检测分机构成。数字式测温电缆减少了电路之间
的噪声信号干扰，提高了分机的电缆负载。检测分
机用于测量各种数据，控制系统主要用于控制风机
的启动和停止。智能化模型计算分析由测控软件来
完成。于2012 年12 月24 日，对8 号仓进行通风降
温作业。通风控制过程中，系统每15 min 检测作业
仓的粮温、仓温及仓湿; 每5 min 检测一次外温与外
湿，通过模型计算，确定通风窗口。通风过程中，通
风窗口不断地被调整。如果大气状态点在窗口内，
则具备通风作业的条件，测控软件自动下达命令通
知控制器开启风机，进行降温通风。否则，大气条件
不具备通风作业的条件，关闭风机。通过通风窗口
可准确地控制风机开启或关闭，避免出现低效通风
作业。
表2 通风作业前( 2012 － 12 － 24) 粮堆检测数据
粮堆
层数
最高
粮温
/℃
最低
粮温
/℃
平均
粮温
/℃
全仓
均温
/℃
仓温
/℃
外温
/℃
仓湿
/%
外湿
/%
1 层
2 层
3 层
4 层
18． 6
21． 1
19． 7
20． 1
8． 3
12． 4
11． 9
12． 3
13． 1
17． 0
16． 3
16． 9
15． 8 7． 0 6． 0 88． 6 81． 3
如图3 所示，通风前粮堆含水率13． 2%、平均
温度15． 8 ℃，平衡绝对湿度9 mmHg; 大气温度6． 0
℃，大气ＲH 81%( 平衡绝对湿度为5． 8 mmHg) 。B
点为通风上限温度与饱和湿度曲线的交点，通风窗
口为BDFG 围成的区域。大气状态点在窗口内部，
具备通风作业条件，开启风机。
图3 通风开始时( 2013 － 12 － 24) 通风窗口控制区域
2013 年1 月3 日粮堆含水率为13． 2%、平均温
度8． 4℃、平衡绝对湿度6 mmHg; 大气温度3． 8℃，
大气相对湿度80%( 平衡绝对湿度4． 9 mmHg) 。如
图4 所示，通风窗口区域为BCDFG 围成的区域，大
气状态点在通风窗口BCDEH 区域，具备通风作业
的条件，继续开启风机。
图4 通风进行过程中( 2013 － 01 － 03) 通风窗口控制区域
2013 年1 月4 日粮堆含水率13． 2%、平均温度
5． 7℃、平衡绝对湿度4． 9 mmHg; 大气温度3． 1℃，
大气相对湿度85． 4% ( 平衡绝对湿度5． 0 mmHg) ，
粮堆平衡绝对湿度约等于大气平衡绝对湿度。如图
5 所示，通风窗口为BCDFG 围成的区域。大气状态
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点已经移出通风窗口区域，不具备通风作业的条件，
不宜进行通风，关闭风机。该仓降温通风于2013 年
1 月4 日结束，LSKC － 4B 型水分测量仪检测粮堆水
分是13． 0%。
图5 通风结束时( 2013 － 01 － 04) 大气状态点在通风窗口外
表3 通风作业结束后粮堆检测数据( 2013 － 01 － 04)
层数
最高
粮温
/℃
最低
粮温
/℃
平均
粮温
/℃
全仓
均温
/℃
仓温
/℃
外温
/℃
仓湿
/%
外湿
/%
1 层
2 层
3 层
4 层
4． 9
6． 5
9． 1
17． 5
3． 3
3． 8
3． 6
3． 5
4． 2
4． 7
5． 2
8． 6
5． 7 3． 2 3． 1 86． 7 85． 4
2． 3 耗能分析
8 号仓利用小功率的轴流风机通风降温，通过通
风窗口区域控制风机开启与关闭。通风作业历时10
d，累计通风时间180 h，实际开机时间不足7． 5 d，粮
堆平均温度下降10． 1 ℃，总耗电为205 度，单位能耗
为0． 015 kW·h·t － 1·℃ － 1，远低于我国储粮机械通
风技术规程规定［5］的地上笼通风单位能耗( ≤0． 040
kW·h·t － 1·℃ － 1 ) 。根据该库和重庆东部地区多
年经验，采用二台5． 5 kW 的离心风机进行传统人工
控制降温通风7 ～ 10 d，总的用电一般都在700 ～ 900
度，能耗通常为0． 050 ～0． 070 kW·h·t － 1·℃ － 1。
3 讨论与结论
3． 1 粮食水分变化小
由于采用了小功率的轴流风机日降温幅度小，
风力比较平稳，粮堆气体交换频率低，次数少; 采用
水分吸附平衡绝对湿度曲线，与解吸平衡绝对湿度
曲线比较，提高了大气绝对湿度上限值，能够减少通
风过程造成的粮食水分减量。降温通风前粮堆水分
为13． 2%，通风结束后粮堆平均水分为13． 0%。
3． 2 掌握作业时机，降低能耗
通风过程中，大气环境变化较快，MLG 粮情检
测与智能通风系统通过定时的检测粮温、大气温度
与相对湿度，通过通风窗口分析，由软件自动地分析
计算控制开、关风机的时机。通过通风窗口模型，清
楚的看到大气状态点在窗口区域的位置状态，方便
了解通风作业状况，在通风过程中，避免出现低效的
通风作业。
国内外推行低温储粮技术。低温储存可延缓粮
食品质劣变，延长粮食储藏时间，抑制粮堆内害虫的
生长发育，减少粮食的熏蒸［12，19］，达到绿色低碳储
粮目的。粮情检测分机与智能通风系统控制器可移
动，安装简单，使用方便。应用通风窗口模型控制通
风作业，单位能耗值远小于传统的人工控制降温机
械通风的单位能耗，大幅度提高了能源的利用率，达
到了节能减排的目的。
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