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食用菌栽培温湿度控制设计 [2007-2-1]来源:正岛电器技术应用开发部

      提要:通过介绍金针菇低温空调通风工程设计实例,探讨温湿度控制设计的一般思路及方法。
    关键词:温湿度控制,能量回收装置,节能

 

    一 概述
   金针菇是一种具有丰富营养价值的食用菌,被誉为"增培菌"。在海外市场上很受欢迎。金针菇对环境要求苛刻,自然栽培因受气候条件制约,产量和品质均不能保证。我国有的地区已进行金针菇的工业化栽培,即用空调设备人为地创造一个适合于金针菇生产的气候环境,从而保证其产量和品质。笔者参加了深圳某厂金针菇栽培生产线的空调设计工作,这类空调属低温空调。低温空调大多应用于一些工艺性场合,如茶叶的生产,农业上种子的培育等,均需营造一个特殊的人造环境,视工艺流程的不同,所要求的人造环境-515℃温度,相对湿度4070%[4],并且对温湿度精度、新风量、空气流速等因素均有一定要求。

  金针菇栽培车间及办公楼共2层,其中1层为生产、仓库、办公等,2层为办公及职工宿舍等。层高14.2m23.6m。整个金针菇栽培车间均采用密闭库房。

 
    二、对环境的要求
  金针菇的生长经历制种→发菌→催蕾→子实体培养→出菇这6个环节。这些环节对温湿度及通风换气要求各不相同。空调通风设备必须实现对环境温度、湿度、空气三要素的控制[1]。菇房温、湿度、换气要求如表1
 
菇房名称
放冷间、接种间
掻菌室、培养室
生育室
金针菇生长阶段
制种
发菌
催蕾
控蕾
子实体培养
出菇
温度范围(℃)
20~23
20~23
10~15
3~5
6~10
20~23
湿度范围(%)
60~70
60~70
80~90
60~70
通风换气
 
每昼夜7~8次每次15min
每天通风2次每次15min
需补充大量空气
适当通风
备注
常规空调范围
低温空调范围
 
金针菇的发菌、催蕾阶段集中在培养间完成;控蕾、子实体培养、出菇,这三个环节集中在生育室完成。因此,菇房内的空调设备应能提供温度3~15℃,相对湿度80~90%这样宽广范围内的温湿度环境。


    三 空调、通风、制冷、加温
  金针菇生长工艺对温湿度精度、新风量、空气流速的要求,设计时,必须对系统划分,风管布置,送排风机、新风处理等设备选型作统筹考虑。同时,金针菇生长在子实体培养阶段,需大量新风,由于新风处理能耗较常规系统高,须添加能量回收装置[4]

  1 空调
  低温空调系统冷负荷较大,围护结构为带保温层的重型结构,所以冷负荷波动小,属渐变负荷。根据生产情况及菇房分隔,在各个菇房内设置独立空气处理系统。

  (1) 空调特殊性
  低温空调有别于常规空调,也与通常果蔬贮藏高温冷藏库不同,在处理上的特殊性表现在以下两点:

  a 送风参数的确定:普通舒适性空调送风温差较大,一般为送风8~12℃,相应的空调机处理焓差大约在17~22kJ/kg之间;但对于低温空调而言,送风温差不宜过大,只有4~6℃,与此相应的空调机处理焓差也只有4~6kJ/kg,即所谓"小焓差,大风量"。

  b 设备配置:在普通的舒适性空调系统中,空气冷却器的盘管一般均选用套片式换热器,这种形式的换热器换热面积大,由于工艺采用了各种强化传热技术以及肋片的二次翻边和机械胀管工艺,传热系统大,但肋片间距很小,一般为2~2.8mm,在低温工况下使用时,肋片表面凝结霜层很快就会以将肋片之间的间隙堵塞,造成盘管传热下降甚至完全失效。因此,在低温空调系统中一般采用轧片式和绕片式换热器,片距可达6~9mm,从而避免霜堵发生。

  (2) 设备选型
  类似工程曾采用冷库用排管,由于凝水的流淌,室内湿度太高,且卫生条件差导致金针菇霉烂,因此,排管不应采用;文献[3]提出将普通风机盘管加以改制的方案,即风机盘管结构由普通套片式改为轧片式或绕片式换热器形式,以增大片距距离,在工程中实践中也取得了很好效果。

  本工程空调设备采用低温工况下专用小型超薄空气冷却器,即在需空调的库房内均设置2~4台空气冷却器对其库房内的空气进行冷却。因冷却器高度仅172mm,安装大大节省空间。空气冷却器肋片采用轧片式,具有冷量1.8kw到14.4kw,风量2100到6840m3/h的不同规格选型范围,使用温度在3℃以上,能满足工程实际需要。

  2 通风
  根据工艺要求,需对搔菌室、培养室、生育室进行通风。通风由进风(新风)、排风两部分组成。通风按金针菇的生长阶段分别进行设计:

  (1) 在发菌、催蕾、出菇阶段时的通风方式:在每个生育室、培养室以及搔菌室的内墙上分别安装2~3台轴流风机,将内走道内的新风由轴流风机送至菇房内,同时,在靠外墙的上、下方分别设有320×320mm装有多叶对开调节阀的排气口,将菇房废气排往室外。菇房内新风的多少由内墙上轴流风机启停及其运行时间来控制。

  从深圳气候特征来看[2],年平均气温22.3℃,一年中绝大多数天的自然气温适宜金针菇的栽培在发菌、催蕾、出菇阶段所需温度。因此,从室外来的新风勿需由专用空调机组进行降温或加热处理,而是直接经能量回收装置内的过滤器过滤后,由装置内的送风机送入走道内。

  本方案采用的排风方式,是在"压出式"状态下进行的,能保证菇房始终处于正压状态,并且进入菇房内的新风是经过过滤、相对干净的空气,因此,可避免室外空气直接进入室内,而影响金针菇的品质。

  (2) 在控蕾、子实体培养阶段属低温空调范围,其排风与新风组成能量回收装置,这样既能排走菇房内含CO2浓度过高的空气,又能送入经过处理的室外新鲜空气,以补充金针菇生长所需氧气。

  3 能量回收装置

  (1) 方案的比选
  由于处理新风的能耗较常规空调系统高,生育室内的排风与新风组成能量回收装置。设计拟定的方案有2个,如图1、图2所示。


  方案一:将每个生育室室内所有排风经风管一并送能量回收装置用以预冷从室外进入房间内的新风后,再排往室外,新风则由能量回收装置内的送风机通过新风管送至各个生育室内。

  方案二:在每个生育室单元内设置一级能量回收器,生育室CO2浓度高的空气通过一级能量回收器预冷从走道内流入生育室较为新鲜的空气后再排入走道内。为防止新风及排风短路,在风管布置上应尽量将新风管及排风管错开。随着生育室排入走道CO2浓度的增多,走道的空气必将恶化,因此,在走道靠外墙处,再设置二级能量回收装置。走道内的污浊空气通过二级能量回收装置预冷从室外进入走道内的空气后,再排往室外。由于空气密度排风比新风大,因而排风将聚集到走道下部,新风则由二级能量回收装置内的送风机从走道上部通过风管送到各生育室新风入口处。

  方案二比方案一无疑会增加设备初投资,安装施工将更为复杂,运行费用略有增加,但方案一因不能调节进入各个生育室新风量的多少,则将直接影响菇房内CO2浓度的控制。菌柄对光照和CO2浓度很敏感,CO2浓度过高会抑菌柄伸长,过低则又会使菌伞过度展开,这二者都将使成品菇的品质下降。所以,方案一可能会影响产品品质未被采用。同时,厂方要求能根据市场销售情况来组织生产,方案二正好满足厂方的这一需求。比较以上两个方案,我们推荐采用方案二。

  (2) 能量回收装置组成

  设置在生育室内的一级能量回收器由送风机、排风机、蓄热体等组成;设置在走道内的二级能量回收装置,由过滤器、送风机、排风机、蓄热体组成。二级能量回收装置内蓄热体两侧新风与排风完全分开,因而新风与排冈不会产生交叉污染。蓄热体是由平直形和波纹形相同的两种箔片构成,其相互平行轴向通道,使内部气流形成不偏斜的层流,避免了随气流带进粉尘微粒堵塞通道的现象。为了保护又薄又软的铝箔芯片不受磨损,在设备内设有空气过滤器。当能量回器装置运行到一段时间后,应定期更换或清洗过滤器滤料。

  (3)能量回收装置设备造型

  根据工艺提供通风换气量,在每个生育室内选用HV3A型能量回收器2套。由于生育室内通风为间歇式换气,布置在走道内的能量回收装置处理风量,按总排风量的5060%计算,共1套。

  (4)经济性分析
  排风与新风组成能量回收装置,其全热回收率可达7080%,大大地节省新风处理的能量,也相应地节约空调总负荷,进而可减少空调主机及配套设备的装机容量。由新风与排气组成的热回收系统,是废气利用、节约能源的有效措施。

  以夏季为例,室外干球温度tw32.4℃,湿球温度ts27.3℃,相对湿度Фw67%,相应焓值hw85.8kJ/ kg;室内温度确定为:室内温度tn7℃,相对湿度Фn=90%,相应焓值hw=20.8kJ/kg。根据文献[5]中的计算式(9-103),可求得从排气中回收入的全热量:

                       (1
  式中Qt为全热量,kJ/hG为处理的新风量,kg/h;η为热湿交换效率,由厂家样本提供,74.5%。经计算得出,全热回收量为1.18×105kJ/h

  参照文献[6]提供此类似设计的综合功耗指标、按全年250天工作日计算,仅减少制冷工艺设备装机容量用电量,年累计节电7.1×104kWh 采用能量回收系统减少制冷工艺设备的总装机容量,相应的也就减少了制冷设备的初投资,虽然增加了部分设备,但对整个工程而言,总的初投资并未因此增加,相反,采用能量回收系统可节省电量,在1年内节省的电费即可抵消因增设能量回收设备的费用。

  (5)气流组织
  由于金针菇的菇蕾对低温气流十分敏感,要求送风风速不宜大于1m/s,在向生育室送新风时,其送风管按均匀送风方式进行设计布管。

  4 冷源

  制冷系统分别由压缩机、风冷式冷凝器、空气冷却器、膨胀阀等组成。根据库温、冷负荷及生产情况,将制冷系统共分为6个独立系统,每个系统的划分尽量与生产线相一致。

  压缩机组选用NJBF22G型压缩机,共6台。风冷式冷凝器由压缩机供货商成套供应,布置在室外。在冷凝器上方应采取日晒雨淋措施。为保证通风效果,冷凝器宜布置在开敞的地方,多台间距控制在0.81.2m。为防止固体杂质进入电磁阀、自控部件和制冷机气缸在这些设备之前设置过滤器。制冷剂中含有水份会引起制冷剂分解、金属腐蚀:在冰点以下时,还可能形成"冰塞",因此,制冷系统中必须设置干燥器。

  各菇库房冷负荷装机容量指标见表2,供设计时参考。

 

各菇房冷负荷装机指标   表2
名称
冷负荷指标
w/㎡)
名称
冷负荷指标
w/㎡)
培养室
165
生育室
150
菌种接种室
150
菌种室
220
缓冲室
180
放冷室
400
 5 加湿
  在催蕾阶段,室温较高,空气冷却器除湿量较大,容易出现室内空气湿度偏低的现象,此时,应开启加湿器进行等焓加湿。在子实体阶段,湿度较高,有时达到饱和,虽然能满足子实体生产发育的需要,但也易诱发杂菌的孽生,同时也会使子实体色泽变深,从而失去商品价值。因此加湿器应具备均匀加湿、自动控制湿度功能,又可防止因湿度大,在菇表面产生水滴而引起烂菇。加湿器宜选用超声波加湿器。
超声波加湿器是采用超声波高频振荡的原理,将水雾化为15微米的超微粒子,通过风动装置,将水雾扩散到空气中,从而达到均匀加湿空气的目的。其特点是,加湿强度大,加湿均匀,加湿效率高;节能、省电;超长使用寿命;湿度自动平衡,无水自动保护。但缺点是水质的悬浮物有一定的要求。建议在加湿器总给水管上安装水质净化器。

  6 菇房保温
  因为菇房内温度较低,为避免冷负荷和库温波动过大,菇房的围护结构,除满足墙体的强度和稳定外,围护结构必须保证保温层及隔汽层的连续性,以满足建筑热工的要求,防止"冷桥"出现。本工程结构采用单层墙体内贴100mm聚氨脂发泡材料进行保温。

  为防止二层楼层结露,影响其正常使用,在二层楼板上下两面均采用聚氨脂发泡双层保温,防凝露保冷厚度应进行严格计算。每个库房的门采用气密性良好保温门。


   四 运行情况
  工程从1998年竣工投产以来,菇房内温湿度精度及新风量实测值均达到设计参数,具备生产优质金针菇必备的栽培环境。几年来,生产的袋装金针菇因价廉质优远销到港、澳、日本等国家和地区,深受广大消费者的欢迎,产品曾一度供不应求。与其它厂同等规模未采用能量装置的金针菇栽培生产线对比,生产出同等质量的金针菇,节能在15%以上。可见,由新风和排风组成的热回收装置一是项重要的节能措施,也是低温空调设计中应加强的技术领域。


    五 结论
  1 低温空调系统在必须引入新风的场合,须设置能量回收装置。由新风和排风组成的热回收装置,是废气利用、节约能源的有效措施。
  2 围护结构的保温有利减少冷负荷,维持菇房温度稳定。保温材料及厚度选择参照果蔬冷藏库。

  3 低温空调冷凝水应处理得当,满足室内卫生要求。
  4 制冷系统中必须设置干燥器。
  5 金针菇菇房内加湿器宜选用超声波加湿器。


    六 参考文献

  1 李良.金针菇工厂化栽培基本条件研究总结. 食用菌
.1992,14(5):31-32.
  2 深圳气象局主页.深圳气候特征.网址
http://www.szmb.gov.cn.
  3 肖立全,王世平.低温空调设计方法探讨.暖通空调
.1999,29(5):47-49.
  4 陆亚俊主编.制冷技术及其应用.北京:中国建设工业出版社
,1994.
  5 钱以明.高层建筑空调与节能.上海:同济大学出版社,
1990:527-550.
  6 陆耀庆主编.实用供热空调设计手册.北京:中国建筑工业出版社
,1993:991.


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