一、成果来源及简介

二十世纪50年代初美国开始筹建二次世界大战之后的国家粮食储备库，对大型平房仓提出机械降温通风操作，依据平衡水分理论；到90年代末期，西方学者对过去40年文献报道的谷物和油料主要品种吸附/解吸EMC数据，进行整理并拟合了最佳平衡水分方程，用于指导粮食储藏与通风操作工艺，但是没有见到发达国家关于谷物智能化精准通风控制系统的报道。1998年之前我国以苏式仓、基建平房仓、土圆仓、地下仓等仓型为主，粮库通风操作依据经验；1998年之后我国以高大平房仓型为主，粮食较发达国家储存时间长，遇到的问题是高大平房仓内局部粮情不稳定，于是国家粮食局科学研究院联合粮食行业院所开展了“我国谷物和油料平衡水分测定及应用研究”，并进行了实仓智能化精准通风试验。主持课程包括：中央级公益科研院所科研基本业务费“储粮基础参数粮食平衡水分研究ZX0708-1”、“粮食后熟过程与储藏安全性研究ZX0708-12”、“大米和主要油料平衡水分测定及应用研究ZX1105”；“十一五"国家科技支撑计划子课题"粮粒传热和粮堆湿热传递参数研究2009BADA0B00-4”；2013年粮食行业公益性专项“粮食水分吸附/解吸扩散规律及热物性参数测定研究201313001-03-01”。谷物智能化精准通风控制系统计算机显示界面如图1～2。

图1 智能化降温通风窗口

图2 含水率13.4%稻谷调质通风中风机运行窗口

二、成果技术内容和对行业的意义

成果技术特点：项目建立了精致的粮食平衡水分静态称重测定法。首次系统测定了我国稻谷、小麦、玉米、大米、大豆、油菜籽、花生仁（果）、芝麻、豆粕、挂面等共计100个品种的吸附/解吸等温线，共计9000个数据点，建立了数据库。对不同粮食品种的EMC/ERH数据拟合，筛选最佳水分吸着方程。优化了CAE方程（WU方程），提出了多项式平衡水分方程。分析了我国粮食储藏流通的安全水分值、吸附和解吸等热。发现同一粮种不同类型之间的吸湿特性和热力学参数相似，收获后处理中要严格区分同一粮种的吸附与解吸行为，并首次利用CAE方程绘制了我国五大粮种机械通风所需的吸附和解吸平衡绝对湿度曲线图，吸附平衡绝对湿度曲线图用于降温和调质机械通风，解吸平衡绝对湿度曲线图用于降水通风。

以软件形式表达智能化机械通风CAE模型与窗口控制，用于谷物降温机械通风节约能耗50%以上，主要优势是及时充分利用了秋冬季和夜间的低温条件和低电价。计算机软件著作权“储粮智能通风软件V1.0”(2015-9-10；编号2015SR195287)。申请发明专利“粮堆含水率在线测定方法及系统201710472442.X”(实审公开)；实用新型专利“一种粮粒破损率测定仪201721833946.1”（2017-12-25受理）。

成果对行业发展的意义：

该项目针对我国当前生产中推广的主要粮食品种，建立了小粮堆尺度粮食温度、含水率及空气相对湿度之间的数学模型，完善了我国粮食平衡水分理论体系，基于物理方法调控粮堆含水率和温度，以实现抑制虫霉生长、保持籽粒活性、延缓品质劣变及绿色储粮的目标。该成果属于环境友好的粮食/食品品质提升技术，主要成果已经写入教科书和粮食行业标准，并开始用于大型粮食仓储企业和加工企业。

三、成果技术指标及先进性

成果技术指标：谷物粮堆孔隙率35%～55%、热绝缘特性造就其能够传递和保持低温低湿的空气特性。智能化精准通风控制系统就是采用一定功率的风机运动合适质量的这种低温低湿的空气穿过粮堆以调节储粮存在的条件，产生粮食品质保持和安全储藏的有利条件。该系统由智能化粮情检测、通风窗口控制、粮食CAE吸附/解吸平衡水分方程组成。在计算机显示系统，智能化降温通风窗口由饱和绝对湿度曲线、谷物吸附平衡绝对湿度曲线、通风上限温度（通风开始时为粮堆温度减去8℃，通风进行时为粮堆温度减去4℃）线组成窗口，当大气状态点位于这个窗口内，小功率风机被启动运转，粮堆降温通风开始。当大气状态点位于这个窗口外，风机被停止，粮堆降温通风结束。

智能化调质通风窗口由饱和绝对湿度曲线、谷物含水率+1%对应的吸附平衡绝对湿度曲线、粮温（T_g）>大气露点温度（T_da）T_g>大气露点温度T_da条件要求的粮堆和大气露点温度各自对应的平衡绝对湿度线，共同组成窗口，当大气状态点位于这个窗口内，小功率轴流风机被启动运转，粮堆调质通风开始。当大气状态点位于这个窗口外，小功率轴流风机被停止，粮堆调质通风结束。

成果先进性：由于发达国家粮食种类、类型及品种较单一，各个国家学者测定的吸附/解吸平衡水分（EMC）数据存在差异，于是认为粮食品种、成熟度、测定方法等均是影响EMC数据准确性的重要因素；一直探索可靠的EMC测定方法和数据拟合数学模型。发达国家每隔几年对生产中推广的谷物和油料品种测定EMC一次，以精准指导粮食干燥、安全储藏及通风操作。我国粮食储藏时间较发达国家长，储藏量大，现行储粮机械通风技术规程中所采用的数据来自前苏联，没有区分水分吸附与解吸等温线，在应用方面受到行业内专家、工程师褒贬不一。课题组根据我国粮食产区纬度跨度大、又有垂直分布，在粮食产区、类型、品种因素对EMC影响的分析中，优化CAE方程和提出多项式平衡水分方程，将上述因素的影响/贡献最小化，优化的方程系数只考虑粮食的吸附和解吸行为，用于我国大型粮仓机械通风操作工艺符合储粮特性、操作简便而智能化，居于国际先进水平。项目系统测定了我国五大粮种、重要油料及粮食加工品的平衡水分吸附/解吸等温线，在国内外发表50多篇论文，其中SCI、EI及ISTP合计13篇。《谷物与油料平衡水分测定及应用研究》获得中国粮油学会科技二等奖奖，证书编号ly-cg-2016-203（2017年1月12日）。

四、技术成熟度

谷物CAE平衡水分方程及智能化精准通风控制系统，在稻谷、玉米、小麦高大平房仓智能化降温通风中技术已经成熟，通风过程中粮食水分损失小到可忽略不计，通风后粮堆温度和水分分布均匀。在稻谷平房仓智能化调质通风后，粮堆温度和水分分布均匀，不增加粮粒裂纹破碎率。在南亚热带地区的广州市稻谷立筒仓（650吨）智能化降温通风中，充分利用了短暂冬季的夜间低温，有改善稻谷加工品质指标的趋势。该项技术用于谷物高大平房仓，确保粮食质量和数量安全。该项技术在我国浅圆仓和高大立筒仓仓型，智能化降温机械通风试验示范有待马上进行。

五、应用情况

该成果已经在三大谷物高大平房仓、稻谷立筒仓进行了智能化降温通风试验示范，在稻谷高大平房仓进行了智能化调质通风试验示范，以及稻谷平房仓就仓干燥，经济效果显著。

（1）在重庆市垫江县国家粮食储备库1330吨稻谷房式仓智能化降温机械通风中，节约电能75%。（2）在河北清苑县国家粮食储备库5900吨小麦房式仓智能化降温机械通风中，节约电能55%。（3）在山东省军粮库3089吨小麦房式仓智能化降温机械通风中，节约电能60%。（4）在北京大杜社玉米大型房式仓智能化降温机械通风节约电能55%。（5）在广州岭南穗粮谷物股份有限公司两栋650吨稻谷立筒仓智能化降温机械通风中，节约电能55%～75%。（6）在重庆垫江县国家粮食储备库1035吨稻谷平房仓智能化调质机械通风中，增加水分0.8%，提高整精米率2%，每吨粮食纯利润10元。（7）在山东省军粮库13号平房仓（粳稻谷2489t）智能化调质机械通风中，增加水分0.5%，提高整精米率3%。（8）在四川崇州国家粮食储备库指导就仓干燥稻谷4600吨，节约干燥成本约24万元。

六、成果转化造价及投资预算

工程造价对新建的高大平房仓1.5万元/仓，浅圆仓5.5万元/仓，其中包括测温电缆、测控风机、电源控制箱、仓温仓湿和气温气湿传感器、数据无线发送与接收器。智能化通风控制软件6万元，全库共用一个。对粮情监测设施较好的仓房，如果采用仓房原有粮堆测温系统，单仓成本约1万元。

七、成果应用案例

重庆市垫江国家粮食储备库8号仓，地上笼一机三道，通路比K=1.5。本地产的稻谷入仓时间为2010年10月，共1340t，含水率为13.2%。仓房长31.4m，宽14.12m，高5.01m，杂质率0.4%。采用二台小功率（1.5kW）的轴流风机安装在两个通风道中，用废编织袋塞紧，采用负压吸出式通风，关好门，打开通风口斜对面墙上的四个窗子，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。使用风机的型号是SFG4-2型，全压/静压320/220Pa，风量11000m³h^-1。为了准确的统计用电量，在通风作业仓安装了电表。

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15min检测作业仓的粮温与仓内空间的温度与相对湿度；每5min检测一次大气温度与相对湿度，通过模型计算，确定通风窗口。12月24日检测的全仓粮堆均温15.8℃，仓温7.0℃，仓湿88.6%，气温6.0℃，气湿81.3%。此时粮堆含水率13.2%、平均温度15.8℃，系统自动计算的粮堆平衡绝对湿度9mm Hg；大气温度6.0℃，大气RH 81%，即大气平衡绝对湿度为5.8mm Hg。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，该系统就开启风机（图4）。

图4 通风开始时（2013-12-24）通风窗口控制区域

到了2013年1月3日，粮堆含水率13.2%、平均温度8.4℃，即得出粮食平衡绝对湿度6mm Hg；大气温度3.8℃，大气相对湿度80%，即大气平衡绝对湿度4.9mm Hg。如图5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5 通风进行过程中（2013-01-03）通风窗口控制区域

在2013年1月4日，检测的全仓粮堆均温5.7℃，仓温3.2℃，仓湿86.7%，气温3.1℃，气湿85.4%。粮堆含水率13.2%、平均温度5.7℃，所得粮堆平衡绝对湿度4.9mm Hg；大气温度3.1℃，大气相对湿度85.4%，即大气平衡绝对湿度5.0mm Hg。粮堆平衡绝对湿度约等于大气平衡绝对湿度。如图6所示，通风窗口为BCDFG围成的区域。大气状态点已经移出通风窗口区域，不具备通风作业的条件，该系统自动关闭风机。该仓智能化降温通风操作于2013年1月4日结束。

图6 通风结束时（2013-01-04）大气状态点在通风窗口外

8号仓利用小功率的轴流风机通风降温，通过通风窗口模型自动控制风机开启与关闭。通风作业历时8天，累计通风时间85小时，实际开机时间不足3.5天，粮堆平均温度下降10.1℃，总耗电量205度，单位能耗为0.015KWht^-1℃^-1。相同条件下，传统人工控制通风降温方法，通常能耗达到0.040～0.070KWht^-1℃^-1，节约电能75%。粮堆水分变化非常小。

八、成果合作方式

成果合作转化方式以技术服务、合作开发等方式。按照协议定价进行转移成果。按“进入政府采购”、“享受政府税收优惠”得到来自政府的支持。

九、联系人及联系方式

单位联系人：檀馨悦 010-58523656；[email protected]

成果转化联系人：李兴军 010-58523714(办公室)；[email protected]