糧食平房倉自然通風屋蓋通風與保溫設計淺談

戴亞俊

無錫中糧工程科技有限公司 (無錫 214035)

糧食儲備平房倉應能滿足防潮、防水、氣密、隔熱、通風等基本要求。江蘇的大多數(shù)地區(qū)氣候條件為儲糧生態(tài)第五區(qū)，即中溫高濕區(qū)。谷物低溫儲藏有利于糧食品質(zhì)保持和減少化學熏蒸的使用。一項經(jīng)濟和綠色環(huán)保的重要儲糧措施是在冬季利用低溫將儲糧降溫，在春季氣溫回升前對倉房密封。平房倉的屋蓋由于面積大、太陽平均輻射強度高等原因，其向倉內(nèi)傳熱量約占總熱量的70%，倉房為確保儲糧在低溫狀態(tài)下儲藏，平房倉屋蓋的隔熱保溫和氣密非常重要。在二十多年來的國家糧食儲備庫建設中，逐步形成了拱板屋蓋糧食平房倉和雙層通風屋脊糧食平房倉二種具有自然通風屋蓋的設計倉型，可實現(xiàn)零能耗通風和良好的累積通風隔熱效果，受到糧食倉儲行業(yè)的好評。本文將二種可自然通風屋蓋工作原理、構(gòu)造和設計方法做詳細介紹。

1 糧食平房倉屋蓋的保溫與通風設計要求

1.1 自然通風屋蓋的作用

糧食是有機生命體，對糧堆的通風有嚴格的條件和要求，以避免糧堆升溫、吸濕等不利于長期儲糧現(xiàn)象產(chǎn)生。二種糧食平房倉自然通風屋蓋都設計有空腔，室外空氣流入空腔帶出熱濁空氣，空氣本身不與倉內(nèi)的儲糧接觸，可實現(xiàn)無選擇的空氣流動同時，不會產(chǎn)生有害通風的效果。如果空腔內(nèi)的空氣不流動，空腔的的作用僅相當于增加了約0.15 m2·K/W熱阻值，隔熱作用非常有限，在夏季空腔內(nèi)的溫度有時會接近50 ℃。

糧食平房倉自然通風屋蓋通風是為了及時排除由于太陽輻射的空氣溫度升高，降低了空腔溫度，減少向倉內(nèi)的傳熱量，降低糧面谷物溫度，對設有低溫裝置的糧倉，能大幅降低制冷冷負荷。

糧食平房倉設計中都把倉頂?shù)母魺嶙鳛楸ＷC糧食安全儲藏的重要措施。倉頂向倉內(nèi)的傳熱量Q為：

Q=K×F(tz-tn)

(1)

式中：K為屋蓋底部維護結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)， W/m2·℃；F為屋蓋底部維護結(jié)構(gòu)的傳熱面積，m2；tz為屋蓋內(nèi)空氣溫度，℃；tn為倉內(nèi)上部空氣溫度，℃。

加強屋蓋底部維護結(jié)構(gòu)的保溫和降低屋蓋空腔內(nèi)的空氣溫度，可減少屋蓋向倉內(nèi)的傳熱量。對平均糧溫低于15 ℃的糧食低溫倉，在儲糧生態(tài)第五區(qū)一般需設置專用的低溫空調(diào)設備，減少屋蓋向倉內(nèi)的傳熱量對降低低溫空調(diào)設備投資和減少運行費用，確保低溫儲糧的實現(xiàn)是關鍵技術(shù)措施之一。

1.2 自然通風屋蓋的保溫要求

按《糧油儲藏技術(shù)規(guī)范》(GB/T 29890—2013)，常溫倉屋蓋要求適當保溫,對低溫倉屋蓋傳熱系數(shù)要求K≤0.35 W/m2·℃。對自然通風屋蓋除頂部結(jié)構(gòu)需要適當保溫外，最重要的保溫是對屋蓋底部維護結(jié)構(gòu)的保溫?？紤]保溫效果、氣密性、避免冷橋和屋蓋內(nèi)上人檢修需要等因素，一般采用B1級聚氨酯發(fā)泡保溫材料(導熱系數(shù)λ=0.024 W/m·℃)；常溫倉保溫厚度一般為30 mm，低溫倉保溫厚度為75 mm(計算時考慮了1.1修正系數(shù))。

1.3 自然通風屋蓋的通風動力

自然通風屋蓋驅(qū)使空氣流動的動力由二個，即倉外與屋蓋內(nèi)空氣的容重差產(chǎn)生的熱壓Pr和倉外空氣流動產(chǎn)生的動壓Pf，二者的計算如下。

(1)熱壓Pr可用公式(2)計算：

Pr=gh(ρw-ρn) (Pa)

(2)

式中:h為屋蓋進排風高度差，m；ρw為室外空氣密度，kg/m3；ρn為屋蓋內(nèi)空氣密度，kg/m3。

倉外與屋蓋內(nèi)空氣溫差越大、室內(nèi)外空氣的密度差就越大；進、排風高度差越大，熱壓就越大，通風量就提高，通風降溫的效果就越好。同時由于通風量的提高屋蓋內(nèi)空氣溫度降低，熱壓減小，是互相矛盾的。在夜晚，由于沒有了太陽輻射作用，熱壓的作用很小。由太陽輻射造成的熱壓作用是變化和不穩(wěn)定的，這與部分工廠有熱源加熱空氣的自然通風有很大不同。

(2)風壓Pf是指室外大氣流動對屋蓋產(chǎn)生的負壓動力，可用公式(3)計算：

(3)

式中：D為空氣動力系數(shù)，為實驗數(shù)據(jù)；vw為室外空氣平均流速，m/s；ρw為室外空氣密度，kg/m3。

在江蘇夏季室外平均計算約風速為3 m/s，可產(chǎn)生較大的通風動力。在夜晚倉外氣溫較低，進入屋蓋后降低屋蓋維護結(jié)構(gòu)的溫度，能蓄存部分冷量，可在白天氣溫高時屋蓋釋放冷量，減少屋蓋內(nèi)空氣溫度的波動幅度。在江蘇風壓Pf的自然通風作用大于熱壓，其累計通風隔熱效果非常顯著，是自然通風主要驅(qū)動力。

(3)自然通風屋蓋的設計風量

按《糧食平房倉設計規(guī)范》(GB 50320—2014)，通風屋蓋參照設計換氣次數(shù)為>4次/h，為達到設計的換氣次數(shù)，考慮到不利的氣象條件，除自然通風外，拱板屋蓋通風還設計有機械通風裝置。機械通風裝置一般采用屋頂通風機，平時關閉，在屋蓋內(nèi)空氣溫度高于設定值(如>35 ℃)時，風機自動開啟，低于設定值(如<32 ℃)風機自動關閉。

2 拱板屋蓋糧食平房倉的保溫與通風設計

2.1 建筑構(gòu)造

鋼筋混凝土拱板屋蓋糧食平房倉是南方炎熱地區(qū)主要平房倉型之一，其屋蓋構(gòu)造特點是在拱板上弦板和下弦板之間形成了一道空氣流動空間。為減小空氣流動阻力，在兩側(cè)山墻安裝大面積通風百葉，并在屋面設置喉口直徑D500旋流型屋頂通風器和屋頂風機，能進行自然或者強制通風，從而可以很快排除空氣隔熱層中的熱空氣，有效減少屋面高強度太陽輻射對糧面的輻射影響，具有較好的保溫隔熱效果。同時為了減少拱板空腔內(nèi)通過下弦板對糧面?zhèn)鳠崃?，在拱板下弦板頂設置B1級發(fā)泡聚氨酯保溫層，該構(gòu)造措施不僅提高了保溫隔熱效果也有效提高整個倉房頂部的氣密性。由于施工技術(shù)和成本原因，拱板下弦板早期為預制構(gòu)件拼裝，后期現(xiàn)澆方式增多，解決了早期拱板平房倉氣密性不強問題。

2.2 旋流型屋頂通風器

旋流型屋頂通風器具有節(jié)能、運轉(zhuǎn)噪音低、防風雨、高效優(yōu)質(zhì)部件確保通風器長時間運轉(zhuǎn)流暢、基本免維護的特點，且價格低廉，具有很高的性價比。僅需室外風速0.2 m/s的微風，或室內(nèi)外溫差0.5 ℃以上即能不間斷旋轉(zhuǎn)，是各行業(yè)廣泛使用的自然通風器。

以跨度21 m長度30 m糧食拱板倉為例，屋蓋空腔體積約850 m3，按換氣次數(shù)n=6次/h計算排風量為5 100 m3/h。進風與排風高度為h=1.97 m，按進排風溫差為5 ℃計算，熱壓為0.33 Pa。按室外平均風速為3 m/s，空氣動力系數(shù)D取0.6，產(chǎn)生的風壓為3.24 Pa。熱壓與風壓相比僅占10.2%。查國家建筑標準設計圖集《屋頂自然通風器選用與安裝》(06K105)，型號為QM-500型通風器折算后通風量為1 250 m3/h，對21 m×30 m拱板倉需安裝4臺可達到設計要求。

安裝有旋流型屋頂通風器的拱板平房倉，比不安裝的同倉型，在夏季空腔內(nèi)溫度降低5 ℃～8 ℃，通風隔熱效果良好。其主要缺點是在倉房長度較長時，由于空氣流動距離長，倉房中間部分空腔內(nèi)空氣溫度相對較高。

2.3 設計注意要點

(1)由于在熱壓和風壓同時作用下自然通風動力相對較小，需要充分降低空氣流動過程中的阻力，對拱板平房倉主要是降低山墻進風百葉的空氣阻力，為此需加大百葉窗的面積和選用阻力系數(shù)小的百葉窗。同時要注意百葉窗的防雨。

(2)屋頂旋流通風器安裝位置：為最大限度的利用室外風能，屋頂旋流通風器應盡量安裝在靠近屋脊處。

(3) 旋流型屋頂通風器要選用優(yōu)質(zhì)和抗強臺風的優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品，避免強臺風時吹落通風器。

(4)旋流型屋頂通風器通風時，屋蓋空氣處于負壓狀態(tài)，拱板下弦板如采用預制板會帶來氣密性的不足，造成倉內(nèi)空氣流入屋蓋空腔，對設有制冷空調(diào)裝置的低溫倉會加大制冷負荷，也會影響處于熏蒸狀態(tài)的倉房降低熏蒸藥劑濃度，為此拱板下弦板應采用現(xiàn)澆，保溫層采用充填性好的聚氨酯材料。

3 雙層通風屋脊糧食平房倉的保溫與通風設計

3.1 建筑構(gòu)造

鋼筋混凝土雙層通風屋脊平房倉是近幾年在南方地區(qū)出現(xiàn)的新型平房倉，其屋頂有坡度，檐墻及屋脊處均設置通風百葉窗，在屋脊百葉窗附近設置混凝土擋風板，不僅防止迎面風時倒灌風，還可充分利用自然風形成的形成負壓，使屋蓋空間形成氣流，排出熱空氣，降低空腔內(nèi)空氣溫度。同時，該擋板有利于防止斜向飄雨通過百葉窗進入空腔內(nèi)，很好的解決防雨問題。空腔內(nèi)下層整體現(xiàn)澆混凝土底板有效的解決了倉房密閉問題，在下層板板面設置B1級聚氨酯保溫隔熱材料，阻隔了向倉內(nèi)的傳熱，可滿足常溫和低溫儲糧要求。

由于屋蓋板的整體澆筑需要大量的支撐系統(tǒng)，該倉型主要缺點是施工周期長，工程造價偏高。但由于優(yōu)點突出，該倉型選用量在逐步增多。

3.2 通風設計

鋼筋混凝土雙層通風屋脊糧食平房倉是通風隔熱與建筑的有機結(jié)合，其通風優(yōu)勢如下：①通風面積大，整個檐墻及屋脊處均可設置通風百葉，通風量較大；②空氣在屋蓋內(nèi)流動距離短，屋蓋內(nèi)空氣流動方向與屋蓋坡度方向一致，空氣溫度相對均勻；③屋脊處通風裝置是土建構(gòu)造，其防風和防雨性能較好。

對以跨度21 m、長度30 m鋼筋混凝土自然通風屋蓋平房倉為例，屋蓋空腔體積約為1 150 m3，按換氣次數(shù)n=6次/h計算排風量為6 900 m3/h。進風與排風高度差為5.05 m，喉口寬度為0.6 m，按進排風溫差為5 ℃計算，熱壓為0.84 Pa。按室外平均風速為3 m/s，空氣動力系數(shù)D取值0.35，產(chǎn)生的風壓為1.89 Pa。熱壓與風壓相比約為44.4%。目前缺少該類屋蓋在不同條件下通風量的試驗數(shù)據(jù)，只能通過屋蓋內(nèi)空氣溫度的測試來評價通風效果，這也是今后需做的工作。

3.3 設計注意要點

(1)鋼筋混凝土雙層通風屋脊平房倉進風和排風均設有百葉窗，為充分降低空氣流動過程中的阻力，需選用阻力系數(shù)小百葉窗。

(2) 屋脊除通風裝置應充分考慮風荷載，在最大風速48 m/s下不被破壞，避免構(gòu)件損壞帶來的漏水。

(3) 鋼筋混凝土雙層通風屋脊采用坡屋面，能與江南水鄉(xiāng)建筑風格很好融合，有利于屋面排水，近些年來此倉型更利于安裝太陽能光伏板，不僅減少了太陽輻射強度，還使屋面產(chǎn)生了經(jīng)濟效益。

4 自然通風屋蓋糧食平房倉的設計體會

(1) 經(jīng)上述分析，糧食平房倉通風屋蓋的通風動力主要依靠風壓，為更好的利用風壓自然條件，倉房布置應與主導風向的夾角為60°～90°。

(2) 在倉型選型時應充分考慮當?shù)厥彝鈿庀髼l件，對夏季主導風向下平均風速較低的地區(qū)(四川重慶地區(qū)等)，旋流型屋頂通風器(拱板平房倉)的通風效果更好；對夏季主導風向下平均風速較高的地區(qū)(江浙及沿海地區(qū)等)，雙層通風屋脊的通風降溫效果更好，且氣密性較好，對于稻谷的氮氣氣調(diào)儲藏及低溫儲藏，此倉型是首選。

(3)關注市場和社會要求的變化，融合新的倉型技術(shù)手段，向節(jié)能減排增效更好的努力，為糧食倉儲行業(yè)綠色可持續(xù)發(fā)展方提供新的產(chǎn)品和服務。