雙孢蘑菇工廠化生產(chǎn)環(huán)控裝備與控制系統(tǒng)的研發(fā)應用

金賢松 樊小輕 袁 杰 馮偉林 金群力 陸中華 蔡為明*

（1.浙江青風環(huán)境股份有限公司，浙江 麗水 323000；2.浙江省農(nóng)業(yè)科學院園藝研究所，杭州 310021；3.浙江省農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心，杭州 310020）

近十年來，我國雙孢蘑菇工廠化生產(chǎn)迅速發(fā)展，生產(chǎn)裝備水平也隨之大幅提升[1]，帶動了培養(yǎng)料隧道發(fā)酵（一、二次料）、隧道集中發(fā)菌（三次料）裝備，以及菇房環(huán)境控制和上下料等裝備的研發(fā)和應用。但由于我國雙孢蘑菇工廠化生產(chǎn)裝備研究起步晚[2]，一直以來，國內(nèi)規(guī)模較大的工廠化生產(chǎn)企業(yè)的設(shè)備基本是全套從國外引進，國外設(shè)備幾乎壟斷了我國雙孢蘑菇工廠化生產(chǎn)裝備市場[3]，但進口裝備已逐漸暴露出以下弊端：一是價格昂貴、投資成本高，只有資金雄厚的大型企業(yè)才有實力采購，大量中小企業(yè)無力承受；二是售后服務響應時間長、維修成本高，而雙孢蘑菇生長發(fā)育對培養(yǎng)料質(zhì)量和環(huán)境變化敏感，一旦生產(chǎn)裝備出現(xiàn)故障，如無法及時排除和解決，不僅直接造成減產(chǎn)減收，而且嚴重影響生產(chǎn)和市場供應的穩(wěn)定性。這限制了我國工廠化雙孢蘑菇產(chǎn)業(yè)的健康快速發(fā)展。

為了突破我國雙孢蘑菇工廠化生產(chǎn)裝備制造行業(yè)的“卡脖子”難題，自2010年起，浙江青風環(huán)境股份有限公司與浙江省農(nóng)業(yè)科學院等科研院所合作，在吸收國外先進技術(shù)的基礎(chǔ)上，開展與我國氣候、栽培基質(zhì)和生產(chǎn)條件相適應的雙孢蘑菇工廠化生產(chǎn)環(huán)境控制關(guān)鍵裝備及控制系統(tǒng)的自主研發(fā)。經(jīng)過十余年的潛心研究，雙孢蘑菇培養(yǎng)料隧道發(fā)酵和菇房栽培環(huán)境調(diào)控系統(tǒng)關(guān)鍵裝備的研發(fā)取得突破，主要技術(shù)指標、運行的穩(wěn)定性與節(jié)能性，以及應用效果均已達到國際先進水平，實現(xiàn)了進口替代。本文重點介紹研發(fā)的系列裝備和控制系統(tǒng)成果的特點、特性。

1 雙孢蘑菇培養(yǎng)料隧道發(fā)酵裝備與控制系統(tǒng)研發(fā)

雙孢蘑菇培養(yǎng)料發(fā)酵的主要影響因子有三大方面：一是堆肥的基質(zhì)配方營養(yǎng)、含水量、酸堿度等理化性狀，二是堆肥中的微生物群落結(jié)構(gòu)、生長繁殖與代謝活性等生物因子，三是堆肥中的空氣（氧氣濃度）、溫度等環(huán)境因子。這三大因子之間以及因子內(nèi)部均存在互作關(guān)系，堆肥的理化性狀和通氣狀況影響其中的微生物群落結(jié)構(gòu)、生長繁殖與代謝活性；微生物的生長繁殖與代謝活動不僅影響堆肥發(fā)酵進程，而且其代謝產(chǎn)生的熱量直接影響堆肥的溫度；而堆肥的溫度反過來又影響微生物群落結(jié)構(gòu)、生長繁殖與代謝活性。溫度是反映堆肥發(fā)酵進程的重要指標。在確定了基質(zhì)配方、含水量和酸堿度的堆肥進入隧道發(fā)酵的過程中，可以通過基于溫度指標的通風量的調(diào)控，實現(xiàn)對堆肥發(fā)酵進程的控制，達到生產(chǎn)工藝和生產(chǎn)裝備的有機融合[4]。因此，發(fā)酵隧道的通風及控制系統(tǒng)是培養(yǎng)料隧道發(fā)酵的關(guān)鍵裝備。堆肥隧道發(fā)酵的通風及控制系統(tǒng)的重要指標為氣流在堆肥中的穿透性與均勻性，堆肥溫度和氧氣濃度調(diào)控的精準度，以及裝備運行的穩(wěn)定性、節(jié)能性等。

本團隊歷經(jīng)十多年的協(xié)同創(chuàng)新，成功研制出以變頻風機和“一帶三”小單元式控制系統(tǒng)（一個控制系統(tǒng)單元控制3 條發(fā)酵隧道）為核心的QAC-1-2 型雙孢蘑菇培養(yǎng)料隧道發(fā)酵裝備與控制系統(tǒng)，其氣流在堆肥中的穿透性、均勻性，堆肥溫度和氧氣濃度調(diào)控的精準度，以及裝備運行的穩(wěn)定性等關(guān)鍵指標均達到國際一線品牌水平，且運行能耗比進口裝備系統(tǒng)節(jié)省20%以上，而其價格不到進口設(shè)備的50%。多家雙孢蘑菇工廠化生產(chǎn)企業(yè)的實際應用表明，該裝備系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，培養(yǎng)料發(fā)酵質(zhì)量達標，可替代進口的培養(yǎng)料發(fā)酵和控制系統(tǒng)裝備，打破了國外設(shè)備的技術(shù)壟斷。

QAC-1-2 型雙孢蘑菇培養(yǎng)料隧道發(fā)酵裝備與控制系統(tǒng)的主要優(yōu)特點如下：（1）應用變頻電機控制，不僅滿足不同發(fā)酵階段的最佳需求，而且運行能耗降低20%以上；（2）采用優(yōu)化的PLC 編程控制，溫度、氧氣含量等實現(xiàn)精準調(diào)控；（3）應用氧氣檢測前的除氨技術(shù)，既能提高氧氣檢測的精準度，又可避免氨氣對儀器的腐蝕，延長氧氣檢測儀的使用壽命；（4）二次發(fā)酵隧道裝備與控制系統(tǒng)可分為均溫期、升溫期、巴氏殺菌期、降溫期、控溫期、冷卻與播種準備期六個控制階段，實現(xiàn)發(fā)酵進程的精準化控制。

2 雙孢蘑菇菇房節(jié)能高效制冷機組研發(fā)

隨著節(jié)約資源和保護環(huán)境基本國策的不斷推進，資源節(jié)約、環(huán)境友好型社會建設(shè)步伐的加快，節(jié)能高效裝備的應用越來越受推崇，研究開發(fā)環(huán)境調(diào)控節(jié)能節(jié)本智能化裝備與系統(tǒng)是設(shè)施食用菌發(fā)展的重點[5]。在民用中央空調(diào)領(lǐng)域，600 RT 以下小冷量應用場景中，采用節(jié)能高效的丹佛斯TURBOCOR 磁懸浮離心壓縮機的水冷變頻磁懸浮冷水機組代替普通水冷螺桿冷水機組已經(jīng)相當普遍，擁有很高的市場占有率。但由于600 RT（2 100 kW）以上冷量的離心式冷水機組的專利技術(shù)被開利、約克、特靈和麥克維爾四大美國品牌壟斷近40年，我國多數(shù)大型食用菌工廠化生產(chǎn)企業(yè)一直采用美國約克、特靈等廠家的600～1 000 RT 普通定頻或變頻離心式冷水機組，已成為我國食用菌工廠化生產(chǎn)裝備制造的“卡脖子”難題之一。

為打破國外企業(yè)對大型離心式冷水機組市場壟斷，本研發(fā)團隊開展協(xié)同創(chuàng)新，成功制造出1 000 RT冷量的QLC3500 型變頻磁懸浮降膜離心式串聯(lián)逆流冷水機組，滿載能效比（COP）為6.86，全年綜合部分負荷能效值（IPLV）為11.77，遠超國家標準《冷水機組能效限定值及能效等級》（GB19577-2015）規(guī)定的滿負荷一級能效比COP≥6.3、綜合部分負荷能效值≥8.1。QLC3500 型變頻磁懸浮降膜離心式串聯(lián)逆流冷水機組比美國四大品牌變頻離心冷水機組節(jié)能25%以上，比常規(guī)定頻離心冷水機組節(jié)能40%（表1），達到國際領(lǐng)先水平。該成果為未來幾年內(nèi)食用菌行業(yè)大型變頻磁懸浮離心冷水機組替代大冷量普通水冷離心式冷水機組提供扎實技術(shù)支撐，產(chǎn)品的市場應用前景廣闊。

表1 青風大冷量變頻磁懸浮離心式冷水機組與美國四大品牌變頻離心機組技術(shù)參數(shù)比較

QLC3500 型變頻磁懸浮降膜離心式串聯(lián)逆流冷水機組的主要優(yōu)特點如下：

（1）采用2 臺500 RT 變頻磁懸浮壓縮機，每個壓縮機采用獨立的制冷系統(tǒng)。

（2）制冷機組采用新型全降膜蒸發(fā)器，比常規(guī)滿液式蒸發(fā)器減少制冷劑充注量50%，降低機組成本，減少制冷劑對溫室效應GWP 值的影響。全降膜蒸發(fā)器不僅可以避免傳統(tǒng)滿液式磁懸浮離心壓縮機吸氣帶液造成對壓縮機葉輪的沖擊及軸承運行位移軌跡偏離，從而導致壓縮機故障的問題，而且能夠減少滿液式蒸發(fā)器的靜液柱壓降損失，使傳熱效率提高15%。

（3）制冷機組殼管冷凝器采用獨立過冷段設(shè)計，以提高制冷劑凝結(jié)后的過冷度，增大機組制冷量。

（4）制冷機組中的每臺磁懸浮壓縮機冷媒系統(tǒng)獨立運行，每個系統(tǒng)蒸發(fā)器冷凍水串聯(lián)，冷凝器冷卻水串聯(lián)。機組冷凍及冷卻水路采用單流程，制冷運行時，冷凍水與冷卻水水流方向相反，且冷媒是兩個獨立的回路系統(tǒng)，巧妙錯開了兩個系統(tǒng)的壓力和溫度，使得整個磁懸浮機組的每個制冷系統(tǒng)壓比小于常規(guī)磁懸浮離心機組的壓比，機組壓縮機可以運行更低部分負荷，機組制冷量增大6%，綜合部分負荷能效值IPLV 增加13%，機組運行更加安全穩(wěn)定。

（5）制冷機組采用小壓比氟泵冷卻系統(tǒng)，能夠在更低的冷卻水溫度下對機組壓縮機變頻器、電機及軸承進行冷卻，從而實現(xiàn)機組在冬季低冷凝溫度下高效運行的目標。機組最低冷卻水進水溫度為10 ℃。

（6）自主研發(fā)采用PLC 編程的變頻水冷磁懸浮機組專用控制系統(tǒng)，溫度控制精度可以達到±0.5 ℃。

3 雙孢蘑菇菇房通風及氣流循環(huán)系統(tǒng)設(shè)計研發(fā)

菇房栽培環(huán)境的溫度、濕度、CO2濃度的均勻度和精準度是雙孢蘑菇工廠化生產(chǎn)工藝中的關(guān)鍵控制點。菇房中不同部位的各項環(huán)境因子的均勻度，須在菇房環(huán)境調(diào)控裝備、控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，根據(jù)菇房結(jié)構(gòu)、床架布局等，精準設(shè)計通風及氣流循環(huán)系統(tǒng)加以實現(xiàn)。本研發(fā)團隊通過大量的研究與實踐，設(shè)計了以自主分風器為核心的QSA 型雙孢蘑菇菇房通風及氣流循環(huán)系統(tǒng)，與國外兩家知名企業(yè)設(shè)計的通風系統(tǒng)及國內(nèi)普通設(shè)計的通風系統(tǒng)相比，其技術(shù)參數(shù)已達到國際先進水平（表2）。

表2 不同企業(yè)設(shè)計的雙孢蘑菇菇房通風及氣流循環(huán)系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)比較

QSA 型雙孢蘑菇菇房通風及氣流循環(huán)系統(tǒng)其主要優(yōu)特點如下：（1）發(fā)明了設(shè)計獨特的分風器，實現(xiàn)菇房兩條或三條風管均勻送風，不同風管的風量差不超過5%；（2）菇房的送風管及送風口均根據(jù)菇房結(jié)構(gòu)、床架布局等進行精密計算及驗證，以長×寬×高為35×12.5×5（m）的菇房為例，風管前后端的出風口風速差不超過8%，菇房內(nèi)30 個不同位點的溫度測試對比結(jié)果表明，最大溫差僅0.9 ℃。

4 雙孢蘑菇工廠化生產(chǎn)控制系統(tǒng)設(shè)計研發(fā)

控制系統(tǒng)是雙孢蘑菇工廠化生產(chǎn)的“芯片”，自我國雙孢蘑菇工廠化生產(chǎn)發(fā)展以來，控制系統(tǒng)一直被以Fancom 品牌為代表的荷蘭企業(yè)壟斷。Fancom 等國際品牌的控制系統(tǒng)不僅價格昂貴，而且因其為英文版，系統(tǒng)控制程序復雜，給國內(nèi)技術(shù)人員的準確高效使用帶來很大障礙。許多國內(nèi)企業(yè)由于不能很好地掌握使用方法，導致許多功能無法充分發(fā)揮，因此國內(nèi)不少使用Fancom 等國際品牌控制系統(tǒng)的企業(yè)，其雙孢蘑菇產(chǎn)量和品質(zhì)與荷蘭、英國等相比，存在較大差距。

本研發(fā)團隊在消化吸收Fancom 等國際品牌控制系統(tǒng)先進技術(shù)的基礎(chǔ)上，根據(jù)我國雙孢蘑菇工廠化生產(chǎn)實際條件，于2020年自主設(shè)計開發(fā)了中英文雙語版QSC 型雙孢蘑菇工廠化生產(chǎn)控制系統(tǒng)，操作界面簡潔易懂，充分涵蓋了雙孢蘑菇生產(chǎn)各個階段的工藝需求。經(jīng)驗證，各項功能與Fancom 相當，已達到國際先進水平，可實現(xiàn)進口替代。該產(chǎn)品市場售價僅為Fancom 等國際品牌的60%左右。

QSC 型雙孢蘑菇工廠化生產(chǎn)控制系統(tǒng)的主要優(yōu)特點如下：（1）菇房內(nèi)溫度、濕度和CO2濃度的控制設(shè)置10 個主階段和4 個子階段，每個階段均可根據(jù)雙孢蘑菇不同品種特性、不同生長階段的需求，進行不同控制參數(shù)的設(shè)置和升降速度的調(diào)控；（2）配置菇房室內(nèi)外溫度、相對濕度、絕對濕度和焓值檢測系統(tǒng)，在CO2濃度始終維持在管理者設(shè)置范圍的前提下，能夠最大限度利用外界自然冷風降低菇房內(nèi)部溫度，以實現(xiàn)節(jié)能降本。

5 雙孢蘑菇工廠化生產(chǎn)環(huán)控裝備與控制系統(tǒng)應用效果

本團隊研發(fā)的雙孢蘑菇工廠化生產(chǎn)環(huán)控裝備與控制系統(tǒng)已在福建、陜西、甘肅等省的多家采用二次發(fā)酵料技術(shù)的栽培企業(yè)應用，平均產(chǎn)量從20～25 kg/m2提高到26～30 kg/m2，已達采用二次料技術(shù)的國際先進水平。當前荷蘭等發(fā)達國家的雙孢蘑菇工廠化生產(chǎn)普遍采用隧道集中發(fā)菌技術(shù)（三次料技術(shù)），平均產(chǎn)量已進一步提高到30～35 kg/m2。因此，我們還需進一步加大研發(fā)力度，不斷突破國內(nèi)雙孢蘑菇工廠化生產(chǎn)裝備制造的“卡脖子”難題，以實現(xiàn)真正的技術(shù)和產(chǎn)能領(lǐng)先。