氣膜鋼筋混凝土球形倉小麥儲糧糧堆溫度場云圖分析研究

姚 渠，尹 君，張忠杰，李彥偉

（1. 國家糧食和物資儲備局科學(xué)研究院 糧食儲運研究所，北京 100037；2. 山西天舍建筑工程有限公司，山西 太原 030006）

氣膜鋼筋混凝土氣膜球形倉是由 1/2圓的圓頂與筒殼組合而成的薄殼結(jié)構(gòu)，它采用鼓風設(shè)備向PVC膜體內(nèi)持續(xù)鼓風使膜體保持穩(wěn)定的外形，然后在膜體內(nèi)依次噴涂粘合劑、聚氨酯泡沫涂層、綁扎鋼筋和噴射混凝土，形成一個具有超大無梁無柱的開闊空間的氣膜鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)體系[1-3]。現(xiàn)這種結(jié)構(gòu)體系被廣泛應(yīng)用于物料倉儲、冷庫、大型文體中心及辦公場館等場所，由于其構(gòu)筑靈活、建造周期短、成本低、機械化程度高等優(yōu)點[4-8]，近些年，為緩解糧食倉容不足的壓力，逐將其引用到糧食儲藏領(lǐng)域。隨著我國首座氣膜球形倉投入儲糧應(yīng)用[9]，其也成為儲糧工作者關(guān)注的焦點問題之一。我國是產(chǎn)糧大國，糧食安全是關(guān)乎國民生計的基本。糧食的儲藏品質(zhì)是儲糧穩(wěn)定性的重要體現(xiàn)，糧溫作為影響糧食儲藏品質(zhì)的重要因素，它隨外部環(huán)境的變化、熱傳導(dǎo)、輻射和對流等綜合作用，影響著倉內(nèi)糧食溫度梯度的形成，當糧堆溫度過高或者梯度過大，加速糧堆內(nèi)濕熱遷移，易引發(fā)蟲、霉的侵蝕，給安全儲糧埋下隱患。追蹤氣膜球形倉內(nèi)糧溫的總體變化趨勢并準確預(yù)測糧堆溫度場的變化規(guī)律，為氣膜球形倉在儲糧領(lǐng)域的應(yīng)用提供判斷依據(jù)和技術(shù)支撐，也對氣膜球形倉的推廣應(yīng)用具有重大且深遠的意義。

近些年，隨著我國科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，國內(nèi)糧庫安裝有精確的糧情測控軟件，可實時監(jiān)測糧堆內(nèi)部各點溫度變化情況。但由于受限于儲糧環(huán)境的復(fù)雜性及軟件本身系統(tǒng)的技術(shù)問題，倉庫保管員也僅憑經(jīng)驗尋找“異常糧情點”，再綜合判斷是否需要處置。對此，尹君等利用多場耦合理論對淺圓倉的糧情云圖進行了分析和預(yù)測[10]；金立兵等利用 comsol軟件仿真模擬出地下倉糧溫隨時間的變化規(guī)律[11]；王小萌等研究了小麥的溫、濕度場與糧堆霉變的時空耦合關(guān)系[12]。大量研究表明，糧堆內(nèi)部溫濕度場，可以準確分析預(yù)測糧堆內(nèi)部儲糧狀態(tài)的變化，也逐漸成為實現(xiàn)安全儲糧的重要技術(shù)手段。但是目前國內(nèi)對氣膜球形倉內(nèi)糧堆生態(tài)系統(tǒng)的研究尚處于空白階段，需要開展大量的科學(xué)研究。

本文以我國首座儲糧氣膜球形倉為例，持續(xù)跟蹤了儲藏周期內(nèi)小麥溫度數(shù)據(jù)，繪制溫度場云圖，采用多場耦合理論原理，分析了倉內(nèi)溫度在時間和空間上的變化規(guī)律，以期對氣膜球形倉的儲糧過程中的糧情監(jiān)測作出指導(dǎo)。

1 研究對象和方法

1.1 氣膜鋼筋混凝土氣膜球形倉的物理模型

本文以我國首座氣膜球形倉為研究對象，其倉體直徑32 m，倉高30.45 m，儲糧高度18.5 m，倉體壁厚0.25 m，倉體的外壁采用PVC薄膜，既可防水又可有效反射太陽光；倉壁膜內(nèi)噴涂 5～10 cm發(fā)泡聚氨酯，其具備良好的隔熱保溫及防水性能，可有效減少和避免倉外環(huán)境濕熱對倉內(nèi)溫濕度的影響，以達到糧倉形成防水、氣密隔熱保溫的性能要求；倉地面構(gòu)造采取SBS改性瀝青防水卷材，作為防潮處理。氣膜球形倉的模型如圖1所示。

圖1 氣膜球形倉的模型圖Fig. 1 Model diagram of a spherical tank with gas film

1.2 儲糧糧堆

本倉存儲為河南產(chǎn)的混合小麥，小麥入倉時水分為 12.0%w.b.，雜質(zhì)含量為 0.83%，倉容為12 430 t。

該氣膜球形倉從2014年10月分批次壓倉入糧，于2015年12月全部入糧完成，并對其機械通風均衡糧溫。2019年3月完成出糧，在整個儲藏周期內(nèi)，未使用化學(xué)藥劑熏蒸。

1.3 溫度傳感器的結(jié)構(gòu)布置

糧堆內(nèi)部溫度傳感器采用環(huán)形布置如圖 2所示，由內(nèi)而外布置3圈，內(nèi)圈至外圈的直徑分別為9.6 m、19.2 m、29 m，每圈均勻布置測溫電纜的個數(shù)分別為6、12、18個，并在倉正中心點布置1根測溫電纜，以保證相鄰溫度傳感器間距不大于5 m，即共布置37根測溫電纜。

圖2 溫度傳感器的布置圖Fig.2 The layout of temperature sensor

溫度傳感器在垂直方向上按不大于2 m間距均勻布置，最高點與糧面、最低點與倉底的距離均不大于0.5 m。按照此方法布置，內(nèi)圈和中圈即1～19號測溫電纜線上每根布置 10個測溫點，外圈即20～37號測溫電纜線上每根布置有11個檢測點，即該氣膜球形倉共布置389個檢測點，每天監(jiān)測糧溫、每周記錄一次數(shù)據(jù)，通風期間，每天檢測并記錄一次數(shù)據(jù)。

1.4 研究方法

首先通過溫度傳感器監(jiān)測糧堆各檢測點的實時溫度值，選取徑向中垂面上的溫度數(shù)據(jù)，利用MATLAB軟件和糧溫擬合算法繪制氣膜球形倉內(nèi)小麥糧堆徑向中垂面溫度場變化云圖[13-14]（如圖3～5所示），并結(jié)合實倉的應(yīng)用情況對云圖進行分析。

圖3 2016年度氣膜球形倉溫度場云圖Fig.3 Cloud map of temperature field of air-film reinforced concrete spherical silo in 2016

2 結(jié)果與分析

2.1 溫度變化情況

2015年 12月底，小麥全部入倉后，首先對糧堆進行了機械通風均衡糧溫，此后整個糧堆溫度較低且呈均勻分布狀態(tài)。經(jīng)監(jiān)測顯示8月下旬，氣膜球形倉小麥溫度出現(xiàn)最高值，即 24 ℃，年平均糧溫在 5～10 ℃之間，糧溫一直處在較低溫的狀態(tài)下。

由圖 3可知，1～3月，糧堆底層由于受地溫影響，溫度略有升高，但外界環(huán)境溫度較低，其余糧堆溫度均保持在低溫且均勻分布狀態(tài)。4～8月，界環(huán)境溫度快速升高，大部分熱量被氣膜球形倉外層包裹的PVC薄膜所反射，部分熱量因輻射透過倉頂傳至糧倉內(nèi)使倉溫升高，倉內(nèi)空氣層溫度升高后通過對流熱交換影響糧堆表層溫度，導(dǎo)致糧堆表層溫度升高。受到空氣層、糧倉壁面和糧倉底部熱傳導(dǎo)的影響，從糧堆表層和靠近壁面處開始，糧溫緩慢上升，且隨著外界環(huán)境持續(xù)升溫，表層和周邊糧堆的升溫范圍也有所擴大，糧面下4 m和距倉壁2 m范圍內(nèi)糧堆均會受到外界環(huán)境溫度變化所造成的不同程度的影響。華北區(qū)域進入8月份后，晝夜氣溫差增大，夜間外界環(huán)境溫度逐漸降低，倉內(nèi)空氣層溫度隨之降低后通過對流熱交換影響糧堆表層溫度，導(dǎo)致糧堆表層溫度緩慢下降，而受到糧倉壁面熱傳導(dǎo)的影響，靠近倉壁面處的糧堆溫度也開始緩慢下降，這也是糧溫最高值基本出現(xiàn)在 8 月份的主要原因。

由圖3～5可知，糧堆表層及糧倉壁面處的糧堆容易受外界環(huán)境溫度的影響，糧溫會隨著環(huán)境溫度的升高而升高，降低而降低。但由于糧堆籽粒內(nèi)部熱質(zhì)傳遞速率遠小于倉體與糧堆的熱質(zhì)傳遞速率，隨著儲藏時間的推移，由云圖4可知，在2017年11—12月之間，糧堆熱氣流與糧堆外冷氣流形成以高溫熱氣流從糧堆上部上升、低溫冷氣流從糧堆四周沉降的氣體對流，致使倉內(nèi)糧堆溫度也開始呈現(xiàn)分層現(xiàn)象，在糧面下1 m處溫度場云圖呈現(xiàn)一“條狀”薄層的相對偏高溫的圖形區(qū)域，且隨著環(huán)境持續(xù)降溫，糧堆內(nèi)偏高溫度區(qū)域逐漸減小。但若上升的內(nèi)部熱氣流遇冷氣流達到飽和，將導(dǎo)致糧堆內(nèi)部的水分遷移至表面，其會造成低溫部分的糧食發(fā)生結(jié)露等壞糧現(xiàn)象發(fā)生。

圖4 2017年度氣膜球形倉溫度場云圖Fig.4 Cloud map of temperature field of air-film reinforced concrete spherical silo in 2017

為消除儲糧隱患，確保儲糧安全，該糧庫逐于2018年1月對氣膜球形倉的小麥糧堆進行了第二次機械通風均衡糧溫處置，之后整個糧倉內(nèi)的糧堆又處于低溫且較均勻分布狀態(tài)，如圖5所示，進入下一個年度的儲藏，2018年期間整個氣膜球形倉的溫度一直處于穩(wěn)定狀態(tài)，直至2019年 3月出糧完成。

圖5 2018年度氣膜球形倉溫度場云圖Fig.5 Cloud map of temperature field of air-film reinforced concrete spherical silo in 2018

2.2 溫度結(jié)果分析

入糧完成，糧堆經(jīng)過冬季通風均衡糧溫，整倉糧溫保持在較低的溫度狀態(tài)下，由于內(nèi)部糧堆受外界影響相對極小，其糧溫變化緩慢，于是氣膜球形倉內(nèi)部形成一個巨大的“冷芯”，維持糧堆整體溫度的平衡，也即維持糧情的穩(wěn)定。

由于氣膜球形倉倉體結(jié)構(gòu)構(gòu)造的完整性，整倉氣密性較好；內(nèi)層的聚氨酯結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，具有優(yōu)良的隔熱保溫性能，所以氣膜球形倉平均糧溫常年處于較低狀態(tài)下，儲糧期間糧堆無發(fā)熱和明顯蟲害現(xiàn)象，無須進行熏蒸作業(yè)，只進行了一次機械通風均衡糧溫，使倉溫和糧溫處于穩(wěn)定狀態(tài)。

3 討論

（1）小麥在氣膜球形倉內(nèi)年平均糧溫在 5～10 ℃之間，一直處于低溫狀態(tài)，但糧堆表層與靠近倉壁側(cè)糧溫受外界環(huán)境影響仍有糧溫波動，若要氣膜球形倉具備低溫或準低溫儲糧標準，除解決糧堆表層及倉壁問題外，還應(yīng)在氣膜球形倉的儲藏技術(shù)上開展系統(tǒng)研究。

（2）氣膜球形倉現(xiàn)作為一種新的倉型，本文僅進行了小麥在一個儲藏周期內(nèi)溫度糧情監(jiān)測和分析，下一步將著重分析其在小麥、稻谷等作物在各儲糧區(qū)域內(nèi)儲藏技術(shù)上的應(yīng)用，以期優(yōu)化氣膜球形倉的儲糧技術(shù)，為新倉型的安全儲糧提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐。

（3）氣膜球形倉具有良好的氣密隔熱保溫性能，在小麥儲藏的過程中有倉溫、平均糧溫低等特點，具有良好的儲糧應(yīng)用前景，期待儲糧界的同仁們進一步的探索和研究。