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食用菌栽培溫濕度控制設計 [2007-02-01]
來源：正島電器技術應用開發部
????? 提要：通過介紹金針菇低溫空調通風工程設計實例，探討溫濕度控制設計的一般思路及方法。
??? 關鍵詞：溫濕度控制，能量回收裝置，節能
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??? 一 概述
金針菇是一種具有豐富營養價值的食用菌，被譽為"增培菌"。在海外市場上很受歡迎。金針菇對環境要求苛刻，自然栽培因受氣候條件制約，產量和品質均不能保證。我國有的地區已進行金針菇的工業化栽培，即用空調設備人為地創造一個適合于金針菇生產的氣候環境，從而保證其產量和品質。筆者參加了深圳某廠金針菇栽培生產線的空調設計工作，這類空調屬低溫空調。低溫空調大多應用于一些工藝性場合，如茶葉的生產，農業上種子的培育等，均需營造一個特殊的人造環境，視工藝流程的不同，所要求的人造環境-5～15℃溫度，相對濕度40～70%[4]，并且對溫濕度精度、新風量、空氣流速等因素均有一定要求。
金針菇是一種具有豐富營養價值的食用菌，被譽為"增培菌"。在海外市場上很受歡迎。金針菇對環境要求苛刻，自然栽培因受氣候條件制約，產量和品質均不能保證。我國有的地區已進行金針菇的工業化栽培，即用空調設備人為地創造一個適合于金針菇生產的氣候環境，從而保證其產量和品質。筆者參加了深圳某廠金針菇栽培生產線的空調設計工作，這類空調屬低溫空調。低溫空調大多應用于一些工藝性場合，如茶葉的生產，農業上種子的培育等，均需營造一個特殊的人造環境，視工藝流程的不同，所要求的人造環境-5～15℃溫度，相對濕度40～70%[4]，并且對溫濕度精度、新風量、空氣流速等因素均有一定要求。
金針菇栽培車間及辦公樓共2層，其中1層為生產、倉庫、辦公等，2層為辦公及職工宿舍等。層高1層4.2m，2層3.6m。整個金針菇栽培車間均采用密閉庫房。
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??? 二、對環境的要求
金針菇的生長經歷制種→發菌→催蕾→子實體培養→出菇這6個環節。這些環節對溫濕度及通風換氣要求各不相同?？照{通風設備必須實現對環境溫度、濕度、空氣三要素的控制[1]。菇房溫、濕度、換氣要求如表1。
金針菇的生長經歷制種→發菌→催蕾→子實體培養→出菇這6個環節。這些環節對溫濕度及通風換氣要求各不相同?？照{通風設備必須實現對環境溫度、濕度、空氣三要素的控制[1]。菇房溫、濕度、換氣要求如表1。
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菇房名稱 |
放冷間、接種間 |
掻菌室、培養室 |
生育室 | |||
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金針菇生長階段 |
制種 |
發菌 |
催蕾 |
控蕾 |
子實體培養 |
出菇 |
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溫度范圍(℃) |
20～23 |
20～23 |
10～15 |
3～5 |
6～10 |
20～23 |
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濕度范圍(%) |
60～70 |
60～70 |
80～90 |
60～70 | ||
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通風換氣 |
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每晝夜7～8次每次15min |
每天通風2次每次15min |
需補充大量空氣 |
適當通風 | |
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備注 |
常規空調范圍 |
低溫空調范圍 |
| |||
金針菇的發菌、催蕾階段集中在培養間完成；控蕾、子實體培養、出菇，這三個環節集中在生育室完成。因此，菇房內的空調設備應能提供溫度3～15℃，相對濕度80～90%這樣寬廣范圍內的溫濕度環境。
??? 三 空調、通風、制冷、加溫
金針菇生長工藝對溫濕度精度、新風量、空氣流速的要求，設計時，必須對系統劃分，風管布置，送排風機、新風處理等設備選型作統籌考慮。同時，金針菇生長在子實體培養階段，需大量新風，由于新風處理能耗較常規系統高，須添加能量回收裝置[4]。
??? 三 空調、通風、制冷、加溫
金針菇生長工藝對溫濕度精度、新風量、空氣流速的要求，設計時，必須對系統劃分，風管布置，送排風機、新風處理等設備選型作統籌考慮。同時，金針菇生長在子實體培養階段，需大量新風，由于新風處理能耗較常規系統高，須添加能量回收裝置[4]。
1 空調
低溫空調系統冷負荷較大，圍護結構為帶保溫層的重型結構，所以冷負荷波動小，屬漸變負荷。根據生產情況及菇房分隔，在各個菇房內設置獨立空氣處理系統。
(1) 空調特殊性
低溫空調有別于常規空調，也與通常果蔬貯藏高溫冷藏庫不同，在處理上的特殊性表現在以下兩點：
a 送風參數的確定：普通舒適性空調送風溫差較大，一般為送風8～12℃，相應的空調機處理焓差大約在17～22kJ/kg之間；但對于低溫空調而言，送風溫差不宜過大，只有4～6℃，與此相應的空調機處理焓差也只有4～6kJ/kg，即所謂"小焓差，大風量"。
b 設備配置：在普通的舒適性空調系統中，空氣冷卻器的盤管一般均選用套片式換熱器，這種形式的換熱器換熱面積大，由于工藝采用了各種強化傳熱技術以及肋片的二次翻邊和機械脹管工藝，傳熱系統大，但肋片間距很小，一般為2～2.8mm，在低溫工況下使用時，肋片表面凝結霜層很快就會以將肋片之間的間隙堵塞，造成盤管傳熱下降甚至完全失效。因此，在低溫空調系統中一般采用軋片式和繞片式換熱器，片距可達6～9mm，從而避免霜堵發生。
(2) 設備選型
類似工程曾采用冷庫用排管，由于凝水的流淌，室內濕度太高，且衛生條件差導致金針菇霉爛，因此，排管不應采用；文獻[3]提出將普通風機盤管加以改制的方案，即風機盤管結構由普通套片式改為軋片式或繞片式換熱器形式，以增大片距距離，在工程中實踐中也取得了很好效果。
本工程空調設備采用低溫工況下專用小型超薄空氣冷卻器，即在需空調的庫房內均設置2～4臺空氣冷卻器對其庫房內的空氣進行冷卻。因冷卻器高度僅172mm，安裝大大節省空間?？諝饫鋮s器肋片采用軋片式，具有冷量1.8kw到14.4kw，風量2100到6840m3/h的不同規格選型范圍，使用溫度在3℃以上，能滿足工程實際需要。
2 通風
根據工藝要求，需對搔菌室、培養室、生育室進行通風。通風由進風(新風)、排風兩部分組成。通風按金針菇的生長階段分別進行設計：
(1) 在發菌、催蕾、出菇階段時的通風方式：在每個生育室、培養室以及搔菌室的內墻上分別安裝2～3臺軸流風機，將內走道內的新風由軸流風機送至菇房內，同時，在靠外墻的上、下方分別設有320×320mm裝有多葉對開調節閥的排氣口，將菇房廢氣排往室外。菇房內新風的多少由內墻上軸流風機啟停及其運行時間來控制。
從深圳氣候特征來看[2]，年平均氣溫22.3℃,一年中絕大多數天的自然氣溫適宜金針菇的栽培在發菌、催蕾、出菇階段所需溫度。因此，從室外來的新風勿需由專用空調機組進行降溫或加熱處理，而是直接經能量回收裝置內的過濾器過濾后，由裝置內的送風機送入走道內。
本方案采用的排風方式，是在"壓出式"狀態下進行的，能保證菇房始終處于正壓狀態，并且進入菇房內的新風是經過過濾、相對干凈的空氣，因此，可避免室外空氣直接進入室內，而影響金針菇的品質。
(2) 在控蕾、子實體培養階段屬低溫空調范圍，其排風與新風組成能量回收裝置，這樣既能排走菇房內含CO2濃度過高的空氣，又能送入經過處理的室外新鮮空氣，以補充金針菇生長所需氧氣。
3 能量回收裝置
(1) 方案的比選
由于處理新風的能耗較常規空調系統高，生育室內的排風與新風組成能量回收裝置。設計擬定的方案有2個，如圖1、圖2所示。
方案一：將每個生育室室內所有排風經風管一并送能量回收裝置用以預冷從室外進入房間內的新風后，再排往室外，新風則由能量回收裝置內的送風機通過新風管送至各個生育室內。
方案二：在每個生育室單元內設置一級能量回收器，生育室CO2濃度高的空氣通過一級能量回收器預冷從走道內流入生育室較為新鮮的空氣后再排入走道內。為防止新風及排風短路，在風管布置上應盡量將新風管及排風管錯開。隨著生育室排入走道CO2濃度的增多，走道的空氣必將惡化，因此，在走道靠外墻處，再設置二級能量回收裝置。走道內的污濁空氣通過二級能量回收裝置預冷從室外進入走道內的空氣后，再排往室外。由于空氣密度排風比新風大，因而排風將聚集到走道下部，新風則由二級能量回收裝置內的送風機從走道上部通過風管送到各生育室新風入口處。
方案二比方案一無疑會增加設備初投資，安裝施工將更為復雜，運行費用略有增加，但方案一因不能調節進入各個生育室新風量的多少，則將直接影響菇房內CO2濃度的控制。菌柄對光照和CO2濃度很敏感，CO2濃度過高會抑菌柄伸長，過低則又會使菌傘過度展開，這二者都將使成品菇的品質下降。所以，方案一可能會影響產品品質未被采用。同時，廠方要求能根據市場銷售情況來組織生產，方案二正好滿足廠方的這一需求。比較以上兩個方案，我們推薦采用方案二。
(2) 能量回收裝置組成
設置在生育室內的一級能量回收器由送風機、排風機、蓄熱體等組成；設置在走道內的二級能量回收裝置，由過濾器、送風機、排風機、蓄熱體組成。二級能量回收裝置內蓄熱體兩側新風與排風完全分開，因而新風與排岡不會產生交叉污染。蓄熱體是由平直形和波紋形相同的兩種箔片構成，其相互平行軸向通道，使內部氣流形成不偏斜的層流，避免了隨氣流帶進粉塵微粒堵塞通道的現象。為了保護又薄又軟的鋁箔芯片不受磨損，在設備內設有空氣過濾器。當能量回器裝置運行到一段時間后，應定期更換或清洗過濾器濾料。
?。?FONT face="宋體, MS Song">3）能量回收裝置設備造型
根據工藝提供通風換氣量，在每個生育室內選用HV－3A型能量回收器2套。由于生育室內通風為間歇式換氣，布置在走道內的能量回收裝置處理風量，按總排風量的50～60%計算，共1套。
?。?FONT face="宋體, MS Song">4）經濟性分析
排風與新風組成能量回收裝置，其全熱回收率可達70～80%，大大地節省新風處理的能量，也相應地節約空調總負荷，進而可減少空調主機及配套設備的裝機容量。由新風與排氣組成的熱回收系統，是廢氣利用、節約能源的有效措施。
以夏季為例，室外干球溫度tw＝32.4℃，濕球溫度ts＝27.3℃，相對濕度Фw＝67%，相應焓值hw＝85.8kJ/ kg；室內溫度確定為：室內溫度tn＝7℃，相對濕度Фn=90%，相應焓值hw=20.8kJ/kg。根據文獻［5］中的計算式（9-103），可求得從排氣中回收入的全熱量：
（1）
式中Qt為全熱量，kJ/h；G為處理的新風量，kg/h；η為熱濕交換效率，由廠家樣本提供，74.5%。經計算得出，全熱回收量為1.18×105kJ/h。
參照文獻[6]提供此類似設計的綜合功耗指標、按全年250天工作日計算，僅減少制冷工藝設備裝機容量用電量，年累計節電7.1×104kWh。 采用能量回收系統減少制冷工藝設備的總裝機容量，相應的也就減少了制冷設備的初投資，雖然增加了部分設備，但對整個工程而言，總的初投資并未因此增加，相反，采用能量回收系統可節省電量，在1年內節省的電費即可抵消因增設能量回收設備的費用。
?。?FONT face="宋體, MS Song">5）氣流組織
由于金針菇的菇蕾對低溫氣流十分敏感，要求送風風速不宜大于1m/s，在向生育室送新風時，其送風管按均勻送風方式進行設計布管。
4 冷源
制冷系統分別由壓縮機、風冷式冷凝器、空氣冷卻器、膨脹閥等組成。根據庫溫、冷負荷及生產情況，將制冷系統共分為6個獨立系統，每個系統的劃分盡量與生產線相一致。
壓縮機組選用NJBF22G型壓縮機，共6臺。風冷式冷凝器由壓縮機供貨商成套供應，布置在室外。在冷凝器上方應采取日曬雨淋措施。為保證通風效果，冷凝器宜布置在開敞的地方，多臺間距控制在0.8～1.2m。為防止固體雜質進入電磁閥、自控部件和制冷機氣缸在這些設備之前設置過濾器。制冷劑中含有水份會引起制冷劑分解、金屬腐蝕：在冰點以下時，還可能形成"冰塞"，因此，制冷系統中必須設置干燥器。
各菇庫房冷負荷裝機容量指標見表2，供設計時參考。
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各菇房冷負荷裝機指標 表2 | ||||||||||||||||
5 加濕
在催蕾階段，室溫較高，空氣冷卻器除濕量較大，容易出現室內空氣濕度偏低的現象，此時，應開啟加濕器進行等焓加濕。在子實體階段，濕度較高，有時達到飽和，雖然能滿足子實體生產發育的需要，但也易誘發雜菌的孽生，同時也會使子實體色澤變深，從而失去商品價值。因此加濕器應具備均勻加濕、自動控制濕度功能，又可防止因濕度大，在菇表面產生水滴而引起爛菇。加濕器宜選用超聲波加濕器。超聲波加濕器是采用超聲波高頻振蕩的原理，將水霧化為1～5微米的超微粒子，通過風動裝置，將水霧擴散到空氣中，從而達到均勻加濕空氣的目的。其特點是，加濕強度大，加濕均勻，加濕效率高；節能、省電；超長使用壽命；濕度自動平衡，無水自動保護。但缺點是水質的懸浮物有一定的要求。建議在加濕器總給水管上安裝水質凈化器。 6 菇房保溫 因為菇房內溫度較低，為避免冷負荷和庫溫波動過大，菇房的圍護結構，除滿足墻體的強度和穩定外，圍護結構必須保證保溫層及隔汽層的連續性，以滿足建筑熱工的要求，防止"冷橋"出現。本工程結構采用單層墻體內貼100mm聚氨脂發泡材料進行保溫。 為防止二層樓層結露，影響其正常使用，在二層樓板上下兩面均采用聚氨脂發泡雙層保溫，防凝露保冷厚度應進行嚴格計算。每個庫房的門采用氣密性良好保溫門。 ?? 四 運行情況 工程從1998年竣工投產以來，菇房內溫濕度精度及新風量實測值均達到設計參數，具備生產優質金針菇必備的栽培環境。幾年來，生產的袋裝金針菇因價廉質優遠銷到港、澳、日本等國家和地區，深受廣大消費者的歡迎，產品曾一度供不應求。與其它廠同等規模未采用能量裝置的金針菇栽培生產線對比，生產出同等質量的金針菇，節能在15%以上?？梢姡尚嘛L和排風組成的熱回收裝置一是項重要的節能措施，也是低溫空調設計中應加強的技術領域。 ??? 五 結論 1 低溫空調系統在必須引入新風的場合，須設置能量回收裝置。由新風和排風組成的熱回收裝置，是廢氣利用、節約能源的有效措施。 2 圍護結構的保溫有利減少冷負荷，維持菇房溫度穩定。保溫材料及厚度選擇參照果蔬冷藏庫。 3 低溫空調冷凝水應處理得當，滿足室內衛生要求。 4 制冷系統中必須設置干燥器。 5 金針菇菇房內加濕器宜選用超聲波加濕器。 ??? 六 參考文獻 1 李良.金針菇工廠化栽培基本條件研究總結. 食用菌.1992,14(5):31-32. 2 深圳氣象局主頁.深圳氣候特征.網址 http://www.szmb.gov.cn. 3 肖立全，王世平.低溫空調設計方法探討.暖通空調.1999,29(5):47-49. 4 陸亞俊主編.制冷技術及其應用.北京：中國建設工業出版社,1994. 5 錢以明.高層建筑空調與節能.上海：同濟大學出版社，1990:527-550. 6 陸耀慶主編.實用供熱空調設計手冊.北京：中國建筑工業出版社,1993:991. |
