CN105528001A - 一种基于相变材料的准低温储粮仓组合式温控系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于相变材料的准低温储粮仓组合式温控系统及方法，结构为：工控机控制系统、粮情检测系统、机械通风系统和通风窗，储粮仓孔洞采用保温隔热密封处理，使储粮仓内部达到密闭状态；在储粮仓顶的下部设有轻钢龙骨吊顶，将储粮仓内部空间分割为两个独立的空间，在轻钢龙骨吊顶上表面铺设相变材料储能板；在储粮仓内的粮食上表面铺设相变材料储能垫；在储粮仓壁的内壁上设有空调机，空调机与工控机控制系统连接。该系统将相变材料热量转换机理应用到储粮仓内，利用相变材料的相变潜热对冷能量的储存与释放，使储粮温度始终保持在准低温状态，达到安全过夏的要求，实现准低温储粮仓高效、低成本组合式隔离控温。

Description

一种基于相变材料的准低温储粮仓组合式温控系统及方法

技术领域

本发明创造涉及一种基于相变材料的准低温储粮仓组合式温控系统及方法，属于粮食储藏领域。

背景技术

“民以食为天”，粮食是人类社会生存与发展的基本生活资料，是稳定市场、保证国计民生的特殊战略物资。粮食安全是全世界关注的焦点之一，是关系到国计民生的大事，是实现经济发展、社会稳定和国家安全的重要基础。我国是一个拥有13亿人口、9亿农民的农业大国，也是粮食生产和消费大国，粮食安全对我国有着更深刻的内涵。我国自古就把粮食视为“国之重宝”、“天下之大计”，十分重视粮食的积蓄和储备。党中央、国务院更是一直对粮食安全问题高度重视，早在中国共产党十七大报告中就明确提出了“确保国家粮食安全”的要求，近年来，出台了一系列强有力的扶持政策，促进粮食连年增产，为经济社会大局起到了基础保障作用。2014年国务院确定建立健全粮食安全省长责任制，明确省级人民政府的粮食安全责任，要求各省(区、市)人民政府必须切实承担起保障本地区粮食安全的主体责任，全面加强粮食生产、储备和流通能力建设。在科学技术飞速发展的今天，搞好粮食生态储藏管理，让粮食损失降低到最低限度，满足人们对粮食质量越来越高的要求是十分迫切和必要的。

世界各发达国家在粮食生态储藏方面已进行了大量的研究和应用，如美国、加拿大、法国等国家利用自然低温降温结合谷物冷却技术，基本实现了生态储粮。

我国在生态储粮方面已进行了较深入的研究。低温储粮代表着未来粮食储藏技术的发展方向，因为低温储粮不仅可抑制粮食的呼吸代谢，延缓粮食品质陈化，有效地保持粮食的生命力及新鲜度，降低储粮损耗，还可有效控制储粮害虫和微生物的活动、危害，不使用或减少使用化学药剂，有利于保持粮食卫生，减少环境污染。

长期以来，我国粮食科技工作者对低温储粮进行了大量的研究工作，如低温粮仓的设计和改造，采用仓房外部喷涂反光材料、仓房吊顶、加装隔热材料等方法改善仓房的隔热性能，通过各种粮面压盖措施控制粮温的回升，各地利用自然环境条件通过自然通风或机械通风降低粮温，特别是近年来在新建粮仓中引入和应用了谷物冷却机，这些都为在我国不同地区实现更为安全、经济、有效的低温储粮技术奠定了重要的基础。但这些低温储粮技术普遍存在的问题有：一是夏秋季仓温高，粮堆上层易结露、发热；二是上层粮食食用品质下降明显；三是储粮能耗高、投资大、处理难度大。其中：粮仓改造成本大、受限制多；仓房外部喷涂反光材料或成本高、或效果差、或使用年限短；仓房吊顶、加装隔热材料等方法仓房隔热性能改善不太理想；粮面压盖措施有一定限制；自然低温储藏利用自然冷源，限制较大，效果差；机械通风低温储藏自然冷源、机械作用，有限制，费用高；储粮仓自然低温通风降温结合谷物冷却技术储藏和机械制冷及空调低温储藏机械制冷，仓房密封性要求高，费用高。因而低温储粮技术的推广应用受到了限制，应用还较少。

发明内容

本发明创造要解决的技术问题是提供一种基于相变材料的准低温储粮仓组合式温控系统及方法，该系统将相变材料热量转换机理应用到储粮仓内，将仓房吊顶、隔热材料、粮面压盖、自然低温、机械通风及空调低温储藏进行分区、分层有机组合，不同的温度区放置不同熔点的相变材料，利用相变材料的相变潜热对冷能量的储存与释放，保证了在气温较高的夏季将粮温控制在15℃～20℃(＜20℃)，使储粮温度始终保持在准低温状态，达到安全过夏的要求，实现准低温储粮仓高效、低成本组合式隔离控温。

为解决以上问题，本发明创造的具体技术方案如下：一种基于相变材料的准低温储粮仓组合式温控系统，包括工控机控制系统、粮情检测系统、机械通风系统和通风窗，工控机控制系统分别与粮情检测系统、机械通风系统和通风窗连接实现自动控制，储粮仓孔洞采用保温隔热密封处理，使储粮仓内部达到密闭状态；在储粮仓顶的下部设有轻钢龙骨吊顶，轻钢龙骨吊顶将储粮仓内部空间分割为上部高温区和下部常温区的两个独立的空间，在轻钢龙骨吊顶上表面铺设相变材料储能板；在储粮仓内的粮食上表面铺设相变材料储能垫；在靠近轻钢龙骨吊顶下方的储粮仓壁的内壁上设有空调机，空调机与工控机控制系统连接。

所述的储粮仓顶的外表面设置热反射隔热涂料，储粮仓顶的内表面设置聚氨酯保温层。

所述的相变材料储能板的熔点为22℃；相变材料储能垫的熔点为18℃。

采用基于相变材料的准低温储粮仓组合式温控系统对储粮仓温度控制的方法，包括以下步骤：

1）工控机通过粮情检测系统获取实时粮温、上部高温区的仓温、下部常温区的仓温和环境气温；

2）对获取的实时数据进行汇总分析，形成温度历史数据库，对实时的粮温、仓温和环境气温进行数学计算与分析，分别对多组粮温、仓温和环境气温数据取平均值，计算出当时的平均温度；

3）驱动工控机中的时钟模块，读取当前时钟的值，进行时间的判断，依据粮温和仓温的数值控制通风窗、机械通风系统或者空调机运行；

3.1）通风降温：当粮温低于15℃、下部常温区温度在18℃～20℃间时，若一天中最低环境气温低于18℃，则在夜晚环境气温低于18℃的时间段，打开储粮仓通风窗通风，让相变储能板、相变储能垫吸收并储存空气中的冷能量，完成相变材料能量存储热交换过程，而在白天气温上升时则释放已储存的冷能量，利用相变材料的相变潜热对空气冷能量的储存与释放，将仓温控制在18℃以下，使粮温全天低于15℃；

3.2）制冷控温：当粮温高于15℃，且下部常温区温度高于20℃时，在夜间用电低谷时段，通过工控机控制系统启动仓内空调机消费低谷电力补充冷能量，将储粮仓下部常温区温度降至15℃以下，同时也降低上部高温区的温度，相变材料板、相变材料垫吸收并储存空调机提供的冷能量，直至完成相变材料能量存储热交换，而在空调机停止工作的时间段相变材料板、相变材料垫释放已储存的冷能量，利用相变材料的相变潜热对冷能量的储存与释放，使粮温控制在20℃以下的准低温的温度范围；

3.3）在其他环境下，根据实际需求通过工控机控制系统的人机交互界面进行人工手动控制，启动机械通风系统或空调机进行通风、降温；

4）工控机控制系统采用的是一个闭环控制，通过粮情检测系统实时的监控粮温、仓温和环境气温，根据各温度值来进行相关的控制，如果粮温和仓温达到预定温度，关闭通风窗、机械通风系统或者空调机，持续维持步骤1）至3）的监测与控制。

所述的步骤3.3）的其他情况包括：一年两次的粮食通风，一次是粮食入仓后开启机械通风系统通风，平衡粮食温度和水分，另一次是12月份左右开启机械通风系统通风，将粮温降到0℃以下。

该基于相变材料的准低温储粮仓组合式温控系统基于相变材料热转换机理，在储粮仓内设置轻钢龙骨吊顶，并在轻钢龙骨吊顶上表面和粮面放置不同熔点的相变材料，实现储粮仓的分区、分层有机组合，并通过通风窗、机械通风系统通风降温及和空调机制冷，完成相变材料冷能量的储存与释放，保证了在气温较高的夏季将粮温控制在15℃～20℃(＜20℃)，使储粮温度始终保持在准低温状态，达到安全过夏的要求，实现准低温储粮仓高效、低成本组合式隔离控温。

在储粮仓外设置热反射隔热涂料，不仅低成本、高环保、隔热效果好、而且兼具防水防腐功能，可有效地控制仓温和表层粮温随气温上升的幅度，为实现准低温储粮创造良好的条件；储粮仓顶的内表面设置聚氨酯保温层，进一步增加隔热效果，防止储粮仓内与外界热量的热交换。

所述的相变材料储能板的熔点为22℃、过冷度＜4℃，相变材料储能板的相变潜热吸收储粮仓高温区空间的热量，保持该空间温度≤22℃，并保证常温区温度＜20℃；相变材料储能垫的熔点为18℃、过冷度＜4℃，吸收常温区空间的热量，保持该空间温度≤18℃，相变材料的能量存储热交换确保整个储粮仓处于准低温储粮范围，同时大幅降低夏季高温时制冷设备的冷能量补充，大大降低储粮仓的材料成本和运行成本。

采用所述的基于相变材料的准低温储粮仓组合式温控系统对储粮仓温度控制的方法，采用工控机控制系统通过对粮情检测系统采集的数据进行分析，自动开闭通风窗、自动运行机械通风系统或空调机对粮食进行降温，实现了智能化，节约了能源，降低了运行成本和劳动强度，提高了劳动生产率和企业的经济效益，保证了储粮温度始终保持在准低温状态(＜20℃)，达到安全、绿色储粮的要求，走出一条适合我国国情的有普遍推广意义的低温储粮新路子。

附图说明

图1为基于相变材料的准低温储粮仓组合式温控系统的结构简图。

图2为准低温温控系统及方法的实施步骤流程。

具体实施方式

如图1所示，一种基于相变材料的准低温储粮仓组合式温控系统，包括工控机控制系统、粮情检测系统、机械通风系统和通风窗7，工控机控制系统分别与粮情检测系统、机械通风系统和通风窗7连接实现自动控制，将储粮仓孔洞进行保温隔热密封处理，具体的将储粮仓的门窗孔洞1、进出粮口13及通风口等孔洞分别用80mm厚阻燃苯板、密封胶条、塑料布等措施进行保温隔热处理，使仓房内部处于密闭状态，以防止仓内外冷热空气交换，使储粮仓内部达到密闭状态；在储粮仓顶3的下部设有轻钢龙骨吊顶6，轻钢龙骨吊顶6将储粮仓内部空间分割为上部高温区和下部常温区的两个独立的空间，在轻钢龙骨吊顶6上表面铺设相变材料储能板5；在储粮仓内的粮食11上表面铺设相变材料储能垫10，其中相变材料储能板5的熔点为22℃；相变材料储能垫10的熔点为18℃；该温控系统采用储粮仓内粮面上方空间进行吊顶分割，储粮仓顶下方300mm处进行轻钢龙骨石膏板吊顶6，将仓内空间进行合理分割，石膏板上方空间温度相对较高、而石膏板下方空间温度相对较低，将仓房空间分割成独立空间便于温度调控，同时起到保温隔热效果，并做相变储能板的支撑。轻钢龙骨石膏板吊顶上下方分别摆放不同熔点的相变材料储能板和储能垫，轻钢龙骨石膏板吊顶6上摆放用高密度聚乙烯封装熔点为22℃的无机相变材料的相变储能板5，在日均最高环境气温不超过30℃时能保持轻钢龙骨石膏板吊顶6上方空间温度在1个月不超过22℃，并可使轻钢龙骨石膏板吊顶6下方空间温度不超过18℃，在相对较小的封闭空间及与室外温差相对不大时可以大幅节约材料成本；而粮面上压盖用涤纶复合PVC面料封装熔点为18℃的有机相变材料的相变储能垫10确保整个储粮仓空间处于准低温储粮范围，同时大幅降低夏季高温时的冷能量补充，大大降低储粮仓的材料成本和运行成本。在靠近轻钢龙骨吊顶6下方的储粮仓壁9的内壁上设有空调机8，空调机8与工控机控制系统连接，在仓房尽可能靠近仓顶石膏板吊顶6的仓壁上挂空调机8，型号可采用格力变频空调KFR-32GW(32583)/FN-A3型1.5P，以防止从空调器中吹出的冷风直接接触粮面而产生结露，空调机6用于夏季极热温度时补充冷能量，夏季仓内轻钢龙骨石膏板吊顶6下方空间温度超过20℃时，在夜间用电低谷时段启动空调机消费低谷电力，降低仓温及上层粮温并完成粮面压盖相变材料的相变能量转换过程，控制仓内温度在20℃以下，空调机6消费低谷电力既大幅降低相变材料的购买成本也大大降低系统的运行成本。

仓顶导热是仓温、粮温上升的主要原因，在储粮仓顶3的外表面设置热反射隔热涂料2，喷涂厚度为0.2mm～0.3mm的太阳热反射隔热涂料2，低成本、高环保、隔热效果好、兼具防水防腐功能，可有效地控制仓温和表层粮温随气温上升的幅度，为实现准低温储粮创造良好的条件；储粮仓顶3的内表面设置50mm厚聚氨酯保温层4，增加隔热效果。

如图2所示，采用所述的基于相变材料的准低温储粮仓组合式温控系统对储粮仓温度控制的方法，包括以下步骤：

1）工控机通过粮情检测系统获取实时粮温、上部高温区的仓温、下部常温区的仓温和环境气温；

2）对获取的实时数据进行汇总分析，形成温度历史数据库，对实时的粮温、仓温和环境气温进行数学计算与分析，对多组粮温、仓温和环境气温数据取平均值，计算出当时的平均温度；

3）驱动工控机中的时钟模块，读取当前时钟的值，进行时间的判断，依据粮温和仓温的数值控制通风窗、机械通风系统或者空调机运行；

3.1）通风降温：当粮温低于15℃、下部常温区温度在18℃～20℃间时，若一天中最低环境气温低于18℃，则在夜晚环境气温低于18℃的时间段，打开储粮仓通风窗通风，让相变储能板、相变储能垫吸收并储存空气中的冷能量，完成相变材料能量存储热交换过程，而在白天气温上升时则释放已储存的冷能量，利用相变材料的相变潜热对冷能量的储存与释放，并将仓温控制在18℃以下，使粮温全天低于15℃；

3.2）制冷控温：当粮温高于15℃，且下部常温区温度高于20℃时，在夜间用电低谷时段，通过工控机控制系统启动仓内空调机消费低谷电力补充冷能量，将储粮仓下部常温区温度降至15℃以下，同时也降低上部高温区的温度，相变材料板、相变材料垫吸收并储存空调机提供的冷能量，直至完成相变材料能量存储热交换，而在空调机停止工作的时间段相变材料板、相变材料垫释放已储存的冷能量，利用相变材料的相变潜热对冷能量的储存与释放使粮温控制在20℃以下的准低温的温度范围；

3.3）在其他环境下，根据实际需求通过工控机控制系统的人机交互界面进行人工手动控制，启动机械通风系统或空调机进行通风、降温；

4）工控机控制系统采用的是一个闭环控制，通过粮情检测系统实时的监控粮温、仓温和环境气温，根据各温度值来进行相关的控制，如果粮温和仓温达到预定温度，关闭通风窗、机械通风系统或者空调机，持续维持步骤1）至3）的监测与控制。

所述的步骤3.3）的其他情况包括：一年两次的粮食通风，一次是粮食入仓后开启机械通风系统通风，平衡粮食温度和水分，另一次是12月份左右开启机械通风系统通风，将粮温降到0℃以下。

本申请的基于相变材料的准低温储粮仓组合式温控系统及方法具有以下优点：

1）采用仓房外部喷涂反光材料、仓房吊顶、隔热材料、粮面压盖、自然低温、机械通风及空调控温等组合工艺技术，按照高温区、常温区进行分区隔离，通过放置不同熔点的相变材料进行组合式分层控温，实现准低温储粮仓高效、低成本组合式隔离控温，保证了在气温较高的夏季将粮温控制在15℃～20℃(＜20℃)，使储粮温度始终保持在准低温状态，达到安全过夏的要求；

2）首次将相变材料应用于粮食储藏领域，实现了准低温粮食储藏，调整相变材料的熔点还可实现低温粮食储藏；

3）首次将储粮仓空间进行分区、分层，放置不同熔点的相变材料进行组合式分层控温，实现较低的材料购置成本、较好的控温效果；

4）空调机与相变材料进行组合控温，减少相变材料的购买成本，整个系统具有较好的经济性；

5）基于相变材料热转换机理，充分利用春、秋季昼夜温差大、夜间温度低的特点，利用相变材料的相变潜热对空气的冷能量进行储存与释放，完成相变材料的物理状态转化，在无动力的条件下，有效调控储粮仓温度，实现准低温储粮，有效降低系统运行成本；

6）在夜间用电低谷时段启动空调机消费低谷电力，既大幅降低相变材料的购买成本也大大降低系统的运行成本；

7）以工控机控制系统为核心连接粮情检测系统、机械通风系统、空调机和通风窗，可以通过无线传输模块对远端进行监视和控制，完成对远端粮情检测系统、机械通风系统、空调机等设备的状态监控及诊断维护等功能。

Claims (5)

1.一种基于相变材料的准低温储粮仓组合式温控系统，包括工控机控制系统、粮情检测系统、机械通风系统和通风窗（7），工控机控制系统分别与粮情检测系统、机械通风系统和通风窗连接实现自动控制，其特征在于：储粮仓孔洞采用保温隔热密封处理，使储粮仓内部达到密闭状态；在储粮仓顶（3）的下部设有轻钢龙骨吊顶（6），轻钢龙骨吊顶（6）将储粮仓内部空间分割为上部高温区和下部常温区的两个独立的空间，在轻钢龙骨吊顶（6）上表面铺设相变材料储能板（5）；在储粮仓内的粮食（11）上表面铺设相变材料储能垫（10）；在靠近轻钢龙骨吊顶（6）下方的储粮仓壁（9）的内壁上设有空调机（8），空调机（8）与工控机控制系统连接。

2.如权利要求1所述的基于相变材料的准低温储粮仓组合式温控系统，其特征在于：所述的储粮仓顶（3）的外表面设置热反射隔热涂料（2），储粮仓顶（3）的内表面设置聚氨酯保温层（4）。

3.如权利要求1或2所述的基于相变材料的准低温储粮仓组合式温控系统，其特征在于：所述的相变材料储能板（5）的熔点为22℃；相变材料储能垫（10）的熔点为18℃。

4.采用权利要求3所述的基于相变材料的准低温储粮仓组合式温控系统对储粮仓温度控制的方法，其特征在于包括以下步骤：

工控机通过粮情检测系统获取实时粮温、上部高温区的仓温、下部常温区的仓温和环境气温；

对获取的实时数据进行汇总分析，形成温度历史数据库，对实时的粮温、仓温和环境气温进行数学计算与分析，分别对多组粮温、仓温和环境气温数据取平均值，计算出当时的平均温度；

驱动工控机中的时钟模块，读取当前时钟的值，进行时间的判断，依据粮温和仓温的数值控制通风窗、机械通风系统或者空调机运行；

3.1）通风降温：当粮温低于15℃、下部常温区温度在18℃～20℃间时，若一天中最低环境气温低于18℃，则在夜晚环境气温低于18℃的时间段，打开储粮仓通风窗通风，让相变储能板、相变储能垫吸收并储存空气中的冷能量，完成相变材料能量存储热交换过程，而在白天气温上升时则释放已储存的冷能量，利用相变材料的相变潜热对空气冷能量的储存与释放，将仓温控制在18℃以下，使粮温全天低于15℃；

3.2）制冷控温：当粮温高于15℃，且下部常温区温度高于20℃时，在夜间用电低谷时段，通过工控机控制系统启动仓内空调机消费低谷电力补充冷能量，将储粮仓下部常温区温度降至15℃以下，同时也降低上部高温区的温度，相变材料板、相变材料垫吸收并储存空调机提供的冷能量，直至完成相变材料能量存储热交换，而在空调机停止工作的时间段相变材料板、相变材料垫释放已储存的冷能量，利用相变材料的相变潜热对冷能量的储存与释放，使粮温控制在20℃以下的准低温的温度范围；

3.3）在其他环境下，根据实际需求通过工控机控制系统的人机交互界面进行人工手动控制，启动机械通风系统或空调机进行通风、降温；

4）工控机控制系统采用的是一个闭环控制，通过粮情检测系统实时的监控粮温、仓温和环境气温，根据各温度值来进行相关的控制，如果粮温和仓温达到预定温度，关闭通风窗、机械通风系统或者空调机，持续维持步骤1）至3）的监测与控制。

5.如权利要求4所述的储粮仓温度控制的方法，其特征在于：所述的步骤3.3）的其他情况包括：一年两次的粮食通风，一次是粮食入仓后开启机械通风系统通风，平衡粮食温度和水分，另一次是12月份左右开启机械通风系统通风，将粮温降到0℃以下。