不同運(yùn)行參數(shù)下平房倉(cāng)糧堆表層控溫系統(tǒng)的隔熱性能試驗(yàn)

陳雁*，王昱博，丁永剛，崔偉華

（河南工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，河南鄭州 450001）

儲(chǔ)糧溫度是影響糧食品質(zhì)的一個(gè)重要指標(biāo)，將糧食置于低溫狀態(tài)儲(chǔ)藏，可以抑制蟲霉生長(zhǎng)、繁育，延緩糧食品質(zhì)變化[1]。倉(cāng)房屋面是熱量進(jìn)入儲(chǔ)糧倉(cāng)房的主要途徑，占圍護(hù)結(jié)構(gòu)總傳熱量的70%以上，屋面隔熱改造是儲(chǔ)糧倉(cāng)房改造的重要措施[2]。目前國(guó)內(nèi)屋頂隔熱改造的常見做法有水膜屋面、屋頂綠化和增設(shè)吊頂?shù)萚3]。夏季環(huán)境中水的溫度遠(yuǎn)低于空氣的溫度，水膜屋面利用水較大的比熱容對(duì)室內(nèi)空氣隔熱，水的蒸發(fā)也會(huì)使屋面維持在較低的溫度，實(shí)驗(yàn)表明在水膜之上設(shè)置遮陽物，最高可以使室內(nèi)溫度低于環(huán)境溫度10℃[4-9]。屋頂綠化即在屋頂種植各種樹木花卉，利用植物的遮蔽和蒸騰作用減少屋面上方熱量的傳入。綠化后的屋面夏季最高溫度36℃，而相同條件下的傳統(tǒng)屋頂最高溫度可達(dá)54.5℃[10-13]。室內(nèi)屋面處的隔熱措施通常有增設(shè)支撐結(jié)構(gòu)和隔熱板，減少自屋頂傳入的熱量，鋁箔板吊頂?shù)挠行越?jīng)過了試驗(yàn)證實(shí)[14,15]。糧食平房倉(cāng)是我國(guó)現(xiàn)役糧倉(cāng)的主要倉(cāng)型，該類倉(cāng)房設(shè)計(jì)建造較早，隨著社會(huì)的發(fā)展，已不能滿足節(jié)能儲(chǔ)糧和“綠色儲(chǔ)糧”的儲(chǔ)糧需求。夏季隨著外界氣溫的升高，平房倉(cāng)的倉(cāng)溫、糧溫也隨之升高，從而危及糧食品質(zhì)和儲(chǔ)藏安全[16]。糧倉(cāng)建筑在氣密性方面有特殊要求，上述屋頂隔熱改造技術(shù)需要對(duì)倉(cāng)頂進(jìn)行施工，難以保證不對(duì)倉(cāng)頂原有防水、氣密性等產(chǎn)生破壞。平房倉(cāng)倉(cāng)頂?shù)某兄啬芰τ邢蓿灰税惭b水膜、土壤層等過重的隔熱裝置[17,18]。實(shí)踐中，我國(guó)南方部分國(guó)家糧食儲(chǔ)備庫通過在糧堆表層鋪設(shè)雙膜冷氣囊、包膜泡沫板和散裝稻殼等隔熱材料以減緩來自屋面上方的熱量，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)顯示其隔熱性能良好[19-21]。有學(xué)者利用CFD 模擬了糧堆表層控溫系統(tǒng)不同工況下的糧堆溫度狀態(tài)，但該模擬缺少試驗(yàn)驗(yàn)證[22]。已有的實(shí)倉(cāng)試驗(yàn)也僅測(cè)量了冷氣囊系統(tǒng)單一工況下的糧堆溫度狀態(tài)，沒有針對(duì)影響系統(tǒng)隔熱性能參數(shù)設(shè)計(jì)變量試驗(yàn)與規(guī)律總結(jié)。本文針對(duì)平房倉(cāng)，建立糧堆表層控溫試驗(yàn)臺(tái)，針對(duì)影響系統(tǒng)隔熱性能的工況參數(shù)如送風(fēng)風(fēng)溫、送風(fēng)風(fēng)速、層間高度等分組設(shè)計(jì)試驗(yàn)，探討適用于糧食平房倉(cāng)糧堆表層控溫系統(tǒng)的工況參數(shù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)系統(tǒng)組成

試驗(yàn)臺(tái)由模擬試驗(yàn)糧倉(cāng)本體和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)兩部分組成，如圖1 所示。模擬試驗(yàn)倉(cāng)主體材料是8 mm厚的有機(jī)玻璃板（1 m×1 m×1.2 m）。倉(cāng)頂與水平面夾角21.8 °，與實(shí)際倉(cāng)房屋面坡度一致，試驗(yàn)倉(cāng)整體尺寸與工程平房倉(cāng)構(gòu)成幾何相似。試驗(yàn)倉(cāng)四周貼覆2 cm厚橡塑保溫棉，模擬倉(cāng)頂輻射為主要熱量來源的工況條件。倉(cāng)底安裝有調(diào)整糧堆初始溫度的井字形地籠，采用外徑50 mm 的PVC 圓管制做。裝糧高度0.6 m，緊貼糧堆表面布置表層控溫系統(tǒng)，系統(tǒng)上下壁面由2 mm 厚PVC 硬塑料板構(gòu)成，側(cè)壁以0.08 mm 厚聚乙烯塑料布密封。系統(tǒng)兩邊緊貼倉(cāng)壁處設(shè)置PVC 材質(zhì)開孔布風(fēng)管，并通過送、回風(fēng)主管與制冷裝置連接，回風(fēng)管連接引風(fēng)機(jī)。布風(fēng)管沿氣流方向采用疏密變化的開孔，以達(dá)到均勻出風(fēng)的目的。試驗(yàn)倉(cāng)上方架有可調(diào)型輻射板，模擬室外太陽輻射條件。

圖1 系統(tǒng)原理與組成 Fig.1 Experimental schematic and system

為了準(zhǔn)確掌握糧堆溫度變化，工程用糧食平房倉(cāng)中糧堆測(cè)溫點(diǎn)布置間距需小于3 m，距離倉(cāng)房圍護(hù)結(jié)構(gòu)距離在0.3 m～0.5 m 之間。測(cè)量周期控制在一天一次以上，測(cè)量?jī)x器精度為：溫度≤±1℃；濕度≤±3%[23]。模擬倉(cāng)由工程倉(cāng)等比例縮小而來，應(yīng)提高對(duì)測(cè)量裝置、測(cè)點(diǎn)布置和測(cè)量周期的要求。試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集裝置包括KEYSIGHT（原Agilent）34970A 型溫度采集記錄儀、RotronicRotronic HygroLogNT 型濕度采集記錄儀、手持式風(fēng)速測(cè)量?jī)x。糧堆內(nèi)溫度測(cè)點(diǎn)沿深度方向分4 層布置，最上層位于糧面之下5 cm，最下層距倉(cāng)底10 cm，相鄰層間隔15 cm；每層5 個(gè)測(cè)點(diǎn)呈十字分布，如圖2b、c 所示。隔熱系統(tǒng)和倉(cāng)頂分別設(shè)置壁面溫度測(cè)點(diǎn)1個(gè)。距倉(cāng)頂上方5 cm 處設(shè)置1 個(gè)環(huán)境測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)過程中外界溫、濕度變化。標(biāo)定后溫、濕度儀表精度分別為±0.003℃和±0.8%，數(shù)據(jù)采集間隔為2 min。

圖2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) Fig.2 Data acquisition system

1.2 試驗(yàn)方法與步驟

試驗(yàn)所用材料為2019 年度生產(chǎn)的秈米，入倉(cāng)時(shí)質(zhì)量等級(jí)為半成品糧。在送風(fēng)溫度、送風(fēng)風(fēng)速和層間高度等參數(shù)變化的工況下進(jìn)行八組對(duì)比試驗(yàn)；同時(shí)，在糧堆表層不設(shè)隔熱系統(tǒng)的條件下進(jìn)行一組參照試驗(yàn)，共九組，研究不同系統(tǒng)參數(shù)對(duì)隔熱效果的影響。試驗(yàn)步驟如下：（1）各組試驗(yàn)開始前，開啟地籠通風(fēng)系統(tǒng)，使糧堆表層均溫為初始值21.5±0.1℃，表層以下的糧堆溫度處于19～21℃范圍；（2）開啟試驗(yàn)裝置的倉(cāng)頂輻射板，進(jìn)行外界熱加載；（3）開啟糧堆表層控溫系統(tǒng)；（4）持續(xù)進(jìn)行6 h 隔熱運(yùn)行，采集和記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)；（5）關(guān)閉倉(cāng)頂輻射板和糧堆表層控溫系統(tǒng)，開啟倉(cāng)內(nèi)地籠通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行復(fù)溫。各工況參數(shù)設(shè)置如表1。

表1 各試驗(yàn)組工況參數(shù) Table 1 System default parameters in experiment

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 參照組結(jié)果分析

參照組試驗(yàn)結(jié)果如圖3c 所示。試驗(yàn)初始階段倉(cāng)頂表面隨環(huán)境溫度迅速上升，約1 h后穩(wěn)定在55℃左右，由于輻射的存在，倉(cāng)頂溫度遠(yuǎn)高于環(huán)境氣溫，符合工程倉(cāng)屋面受熱的實(shí)際狀況。同時(shí)，在外覆保溫棉作用下，靠近兩側(cè)倉(cāng)壁的糧堆溫度無明顯變化，表明實(shí)驗(yàn)過程中外界熱量主要通過倉(cāng)頂進(jìn)入倉(cāng)內(nèi)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)利用插值法得到糧堆溫度分布云圖3a 與3b，糧堆表面至裝糧線以下約10 cm 處屬于表層糧堆，其溫度由初始時(shí)的21～22℃上升至23～26℃，最高溫度26.3℃位于糧堆表面。表層糧堆以下，試驗(yàn)前后溫度均為18～22℃，表明內(nèi)部溫度較為均勻，上方傳熱的影響主要集中在表層糧堆。試驗(yàn)過程中，糧堆整體平均溫度升至21.6℃（準(zhǔn)低溫儲(chǔ)糧為20℃）。整體溫度標(biāo)準(zhǔn)差由0.79 上升至1.69，最大溫差達(dá)7.5℃，上、下層溫差明顯，難以滿足儲(chǔ)糧安全的需求[24]。

圖3 參照組糧堆溫度圖 Fig.3 Temperature of bulk at control group

表2 糧堆測(cè)溫點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)差數(shù)據(jù)分析表 Table 2 The grain pile temperature of standard deviation analysis

2.2 送風(fēng)溫度對(duì)系統(tǒng)隔熱效果的影響

不同送風(fēng)溫度工況下糧堆溫度變化趨勢(shì)如圖4 所示。無隔熱層參照組、送風(fēng)溫度T1為22℃、24℃、25℃和27℃時(shí)各工況實(shí)驗(yàn)終了糧堆表層升溫幅度ΔT分別為3.06℃、1.39℃、1.78℃、1.86℃和2.05℃，參照組溫度增量最大。隨著送風(fēng)溫度的降低，糧堆表層溫度增量逐漸減小。溫差是傳熱過程的驅(qū)動(dòng)因素，送風(fēng)溫度越低，在其它條件不變時(shí)，隔熱層內(nèi)平均溫度也隨之降低，更接近糧堆表層的溫度，從而獲得更好的隔熱效果。出于防止結(jié)露的考慮，采用接近糧堆初溫22℃作為送風(fēng)溫度時(shí)，隔熱層抑制表層升溫的作用明顯優(yōu)于其它各工況。比較本組實(shí)驗(yàn)的5 種工況，糧堆底層的溫度波動(dòng)很小，均在0.18℃～0.38℃之間，表明外界傳入熱量引起的升溫集中在糧堆表層內(nèi)。

圖4 風(fēng)溫工況組糧堆溫度圖 Fig.4 Temperature of bulk under different inlet temperature

2.3 送風(fēng)速度對(duì)系統(tǒng)隔熱效果的影響

隔熱層采用不同送風(fēng)速度時(shí)的糧堆溫度變化情況如圖5 所示。當(dāng)送風(fēng)速度分別設(shè)置為1、1.5 和2 m/s時(shí)，實(shí)驗(yàn)終了表層糧堆溫度增量ΔT分別為：1.48℃、1.40℃、1.39℃。風(fēng)速是影響層間對(duì)流傳熱的因素之一，其它條件相同時(shí)，提高層間空氣流速可以帶走倉(cāng)內(nèi)更多的熱量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨著風(fēng)速的升高，糧堆表層升溫幅度逐漸減少，但整體相差并不明顯，僅0.1℃左右，各工況隔熱效果相近。說明以隔熱為目標(biāo)的系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)中，風(fēng)速并不是決定性因素，這一點(diǎn)與以降溫為目的的糧堆內(nèi)部通風(fēng)是不同的。本組對(duì)比實(shí)驗(yàn)各工況糧堆底層溫度變化處于0.26℃～0.38℃之間，波動(dòng)較小。

圖5 風(fēng)速工況組糧堆溫度 Fig.5 Temperature of bulk under different inlet wind

2.4 隔熱系統(tǒng)層間高度對(duì)隔熱效果的影響

隔熱系統(tǒng)采用不同層間高度對(duì)糧堆溫度變化的影響如圖6 所示，當(dāng)層間高度h1分別為0.05 m、0.07 m、0.09 m 時(shí)，實(shí)驗(yàn)過程中糧堆表層平均溫度增量ΔT分別為：1.39℃、1.43℃和1.48℃，較參照組降低了1.58～1.67℃。本組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，較低的系統(tǒng)層間高度h1更有利于隔熱，而在0.05～0.09 m 范圍內(nèi)各工況糧堆表層溫度增量相差很小。表明系統(tǒng)層間高度達(dá)到一定值后，其變化對(duì)整體隔熱效果的影響不大。各工況下底層糧堆溫度增量處于0.14℃～0.38℃范圍，基本未受外界影響。

圖6 隔熱系統(tǒng)高度工況組糧堆溫度圖 Fig.6 Temperature of bulk under different system height

2.5 實(shí)驗(yàn)過程中相對(duì)濕度的變化

空氣中的水蒸氣含量達(dá)到飽和時(shí)，若再降低環(huán)境溫度，將有水分析出，即結(jié)露。控溫系統(tǒng)層間通風(fēng)時(shí)上、下表面溫度較低，需要考慮倉(cāng)內(nèi)結(jié)露風(fēng)險(xiǎn)。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，層間高度h1=0.05 m、送風(fēng)風(fēng)速v1=2 m/s、送風(fēng)溫度T1=22℃工況是最易結(jié)露工況，該工況下倉(cāng)外和隔熱系統(tǒng)上表面的空氣濕度變化如圖7 所示。試驗(yàn)開始時(shí)，這兩處的相對(duì)濕度分別為24%和28%，隨后迅速降低；試驗(yàn)進(jìn)行到大約35 min 時(shí)，倉(cāng)外相對(duì)濕度降至10%左右，之后保持穩(wěn)定；而系統(tǒng)上表面相對(duì)濕度在120 min 時(shí)穩(wěn)定在15%，兩者均遠(yuǎn)低于飽和狀態(tài)。由此可知，實(shí)驗(yàn)過程中隔熱系統(tǒng)上表面濕度較倉(cāng)外環(huán)境下降緩慢，到達(dá)穩(wěn)定狀態(tài)后略高于倉(cāng)外環(huán)境（約5%），但整個(gè)試驗(yàn)過程中糧堆是安全的，隔熱系統(tǒng)的運(yùn)行未造成結(jié)露風(fēng)險(xiǎn)。

圖7 試驗(yàn)過程濕度點(diǎn)變化情況 Fig.7 Humidity of bulk

2.6 隔熱系統(tǒng)熱性能分析

為了定量地說明層間高度、送風(fēng)速度和送風(fēng)溫度對(duì)隔熱系統(tǒng)性能的影響，綜合考慮對(duì)比實(shí)驗(yàn)的各組工況，分別以隔熱系統(tǒng)送風(fēng)深度x和實(shí)驗(yàn)過程最大溫差為基準(zhǔn)，定義系統(tǒng)無量綱高度和無量綱溫度。

式中T1為系統(tǒng)送風(fēng)溫度，℃；T2為倉(cāng)內(nèi)空氣平均溫度，℃；T3為糧堆表層初始溫度，℃

不同無量綱數(shù)下Nu數(shù)的變化趨勢(shì)如圖8 所示。Nu數(shù)隨H呈先增后減的趨勢(shì)，H由0.05 增加至0.07時(shí)，Nu數(shù)由83增加至89，達(dá)到實(shí)驗(yàn)中的最大值；Nu數(shù)隨Θ的增長(zhǎng)分為兩個(gè)階段，由0.4 變化至0.6 時(shí)，Nu數(shù)迅速增加至79，隨后增勢(shì)趨緩，當(dāng)Θ=0.95 時(shí)，Nu數(shù)逐漸增加至83。對(duì)比H和Θ的影響，在正相關(guān)增長(zhǎng)階段，當(dāng)H由0.05 增加至0.07，增幅50%，Nu數(shù)增幅7.23%；當(dāng)Θ由0.42 增加至0.63，增幅約50%，Nu數(shù)增幅64.58%?？芍?，Θ較于H對(duì)熱性能的影響更為顯著。從提升隔熱性能角度考慮，降低送風(fēng)溫度比增大層間高度更為有效。

3 系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)效益分析

與糧食機(jī)械通風(fēng)降溫相比，隔熱系統(tǒng)的熱交換同樣依賴于冷空氣的流動(dòng)來完成，因而也需要消耗一定能量來做功。實(shí)驗(yàn)中不同工況產(chǎn)生的能耗也是不同的，系統(tǒng)年運(yùn)行能耗可按照式（1）計(jì)算

式中E為系統(tǒng)年運(yùn)行能耗，kJ；r為風(fēng)管半徑，m；ρ為空氣密度，kg/m3；ΔT2為制冷機(jī)進(jìn)出口空氣溫差，℃；t1為制冷機(jī)年運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)，s；APF為空調(diào)器制冷量與有效輸入功率之比，取規(guī)范規(guī)定值3.2[25]。

噸糧單位隔熱成本可利用式（2）計(jì)算確定

式中e為噸糧單位隔熱成本，元；B為工業(yè)電價(jià)，取0.61元/(kW·h)；ΔT3為表層糧堆降溫值，℃；M為試驗(yàn)倉(cāng)裝糧重量，t[26]。

以表1 所述各工況參數(shù)，做噸糧單位隔熱成本如圖9 所示。工況1～3 的系統(tǒng)送風(fēng)風(fēng)速分別為：1 m/s，1.5 m/s 和2 m/s，對(duì)應(yīng)的單位隔熱成本分別為：5.6元、8.04 元和10.62 元，單位隔熱成本隨送風(fēng)風(fēng)速的增加近似等比例增加。由試驗(yàn)可知，送風(fēng)風(fēng)速并非影響系統(tǒng)隔熱效果的關(guān)鍵因素，而風(fēng)機(jī)能耗隨風(fēng)速的增加呈倍增關(guān)系，因此低風(fēng)速能耗優(yōu)勢(shì)明顯。工況3～6中送風(fēng)溫度分別為22℃、24℃、25℃和27℃，單位隔熱成本由10.62 元變化至10.83 元，整體略有波動(dòng)，低風(fēng)溫單位隔熱成本最低。工況3、7和8對(duì)應(yīng)的層間高度分別為0.05 m、0.07 m 和0.09 m，其隔熱成本由10.83 元上升至11.2 元，系統(tǒng)高度的降低會(huì)改善隔熱效果，單位隔熱成本隨之降低。綜上可知，系統(tǒng)采用低風(fēng)速、低風(fēng)溫和低層間高度的工況最為節(jié)能，其噸糧單位成本可降至5.6 元。

圖9 單位隔熱成本 Fig.9 Cost of unit weight

4 結(jié)論

4.1 糧堆熱導(dǎo)率低，炎熱氣候下糧堆溫度的升高主要集中在裝糧線以下約10 cm 的表層糧堆處。整個(gè)試驗(yàn)過程中，糧堆隔熱系統(tǒng)對(duì)于表層糧堆溫度控制效果明顯，最高可使糧堆表層均溫下降1.67℃。

4.2 系統(tǒng)以低風(fēng)溫、低風(fēng)速和低系統(tǒng)高度的形式運(yùn)行可使噸糧單位成本降至5.6 元。最易結(jié)露試驗(yàn)工況下系統(tǒng)上表面空氣相對(duì)濕度下降13%，達(dá)到穩(wěn)定后高于外界濕度5%，糧堆內(nèi)未發(fā)生結(jié)露情況。

4.3 無量綱過余溫度Θ對(duì)Nu影響明顯，Θ位于0.4～1時(shí)，Nu的變化范圍為45～85，Nu隨Θ的增大而增大。Nu數(shù)受無量綱高度H影響不大，當(dāng)H位于0.05～0.09之間時(shí)，Nu的變化范圍僅為82～89。

4.4 因?yàn)閷?shí)際試驗(yàn)條件的限制，未能找出系統(tǒng)送風(fēng)風(fēng)速和系統(tǒng)層間高度對(duì)于系統(tǒng)隔熱效果影響的拐點(diǎn)，可以成為后續(xù)研究的方向。