東南地區(qū)晚秈稻降溫通風(fēng)期間糧堆含濕量和露點(diǎn)溫度的變化研究*

鄭 頌，趙恢發(fā)，范存瞻 ，李興軍*

（1.福建省儲(chǔ)備糧管理有限公司長(zhǎng)樂(lè)直屬庫(kù)，福州350217；2.國(guó)家糧食和物資儲(chǔ)備局科學(xué)研究院昌平中試基地，北京102209)

谷物糧堆孔隙率35%～55%、熱絕緣特性造就其能夠保持低溫低濕的空氣特性[1-3]。干糧堆平衡相對(duì)濕度范圍30%～65%就可抑制螨類(lèi)和微生物生長(zhǎng)，儲(chǔ)糧溫度17～22℃范圍是糧食防蟲(chóng)安全管理的溫度。糧堆降溫通風(fēng)的結(jié)果就是形成糧粒被低溫低濕空氣所包圍[1]。國(guó)內(nèi)缺乏對(duì)糧堆籽粒間隙空氣特性的研究。在國(guó)內(nèi)，糧食機(jī)械通風(fēng)操作一般比較糧堆與大氣的溫度差、平衡絕對(duì)濕度、露點(diǎn)溫度[4-5]，而對(duì)糧粒間隙空氣的參數(shù)變化報(bào)道有限。糧堆通風(fēng)操作中需要確定糧粒間隙空氣的相對(duì)濕度（RH），將糧堆測(cè)溫電纜測(cè)定的各點(diǎn)溫度和糧堆扦樣測(cè)定的含水率代入吸附平衡水分方程就可以確定。

我國(guó)東南地區(qū)冬季短，一般無(wú)雪但有雨，氣候相對(duì)較為濕潤(rùn)，如何在有限的低溫期快速地降低糧溫是一道難題[6-8]。福州地區(qū)最冷月 1～2月平均氣溫6～10℃，最低氣溫－2.5℃，我們以人工控制的小功率軸流風(fēng)機(jī)，充分利用夜間低溫進(jìn)行稻谷和小麥高大平房倉(cāng)降溫保水通風(fēng)試驗(yàn)，目的是為該地區(qū)試驗(yàn)推廣基于糧食平衡水分方程的智能化精準(zhǔn)通風(fēng)技術(shù)提供數(shù)據(jù)[9]。2019年12月至2020年2月降溫通風(fēng)試驗(yàn)研究中，采用牛頓和拉弗遜迭代方法求解糧堆籽粒間隙空氣的露點(diǎn)溫度，并分析晚秈稻糧堆通風(fēng)期間糧粒間隙空氣RH、含濕量和露點(diǎn)溫度的變化規(guī)律，以期為我國(guó)稻谷糧堆精準(zhǔn)化智能通風(fēng)提供評(píng)價(jià)的方法指標(biāo)。

1 材料與方法

1.1 倉(cāng)房條件及通風(fēng)方法

福建省儲(chǔ)備糧管理有限公司長(zhǎng)樂(lè)直屬庫(kù)位于福州市長(zhǎng)樂(lè)區(qū)松下鎮(zhèn)，12月～次年3月的平均氣溫12.2℃，平均最低氣溫9.3℃。P24號(hào)試驗(yàn)倉(cāng)房長(zhǎng)度和寬度分別是42 m、24 m，地上籠一機(jī)三風(fēng)道，通風(fēng)途徑比1.35，倒“U”字型風(fēng)道，倉(cāng)房通風(fēng)口為3個(gè)。P24號(hào)稻谷倉(cāng)2018年1月13日入倉(cāng)江西晚秈稻，糧堆長(zhǎng)度41.74 m，寬度23.18 m，裝糧高度6.19 m，噸數(shù)3409，雜質(zhì)1.0%，水分13.2%，脂肪酸值（KOH）17.5 mg/100g。2019年9月19日，稻谷水分12.1%，脂肪酸值（KOH）26.1 mg/100 g。

2019年12月31 日9：00至2020年1月2日采用7.5 kW的離心風(fēng)機(jī)3臺(tái)上行壓入式通風(fēng)48h。2020年 1月 13日、1月 15日、1月 20日、1月 22日、2月17日、2月21日分別降溫通風(fēng)16 h，均采用0.55 kW的軸流風(fēng)機(jī)4臺(tái)，安裝在窗戶(hù)上。離心風(fēng)機(jī)型號(hào)4-72-6C，流量16 576 m3/h，全壓1 116 mmWG（毫米水柱），主軸轉(zhuǎn)數(shù) 1 800 r/min，廠家是臺(tái)州市華盛機(jī)械有限公司。軸流風(fēng)機(jī)型號(hào)YBF280M1-4，流量 9090 m3/h，轉(zhuǎn)速 1 400 r/min。 軸流風(fēng)機(jī)采用上行吸出式通風(fēng)。打開(kāi)通風(fēng)口后，軸流風(fēng)機(jī)啟動(dòng)后外界的冷空氣由通風(fēng)口進(jìn)入，由下而上經(jīng)過(guò)糧層，再由軸流風(fēng)機(jī)排出倉(cāng)外。根據(jù)天氣情況，軸流風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)通風(fēng)時(shí)間段為每日17時(shí)至次日11時(shí)。

1.2 測(cè)定指標(biāo)及方法

1.2.1 糧堆水分:在糧面布置11個(gè)扦樣點(diǎn)。每點(diǎn)再縱深4個(gè)扦樣點(diǎn)，共44份樣品。水分測(cè)定采用 LDS-1G谷物水分測(cè)定儀測(cè)定。

1.2.2 糧堆溫度：糧情檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)糧堆各點(diǎn)的溫度，每4 d巡檢一次。在每倉(cāng)糧面上分布60根測(cè)溫電纜，縱深每隔1 m為一層，4層共計(jì)240個(gè)點(diǎn)的糧堆溫度數(shù)據(jù)。

1.2.3 糧粒間隙空氣的相對(duì)濕度、含濕量及露點(diǎn)溫度測(cè)定

1.2.3.1 糧粒間隙空氣相對(duì)濕度和含濕量

式中，RH為糧粒間隙空氣的相對(duì)濕度 （%），M為糧食水分（%），T 為糧食溫度（℃），a、b、c 是測(cè)定的中晚秈稻MCPE方程的系數(shù)[10]。

式中，W 為糧粒間隙空氣的含濕量（kg/kg），Patm 等于101 325 Pa，Ps是糧食溫度T（℃）時(shí)的飽和水汽壓。

1.2.3.2 糧粒間隙空氣露點(diǎn)溫度

如果已知露點(diǎn)溫度Tdp對(duì)應(yīng)的含濕量wdp，鑒于飽和蒸汽壓強(qiáng)也是溫度的函數(shù)，方程（5）左邊是露點(diǎn)溫度Tdp的函數(shù)[11]，可表達(dá)為，

目標(biāo)是求解Tdp值，方程（6）滿(mǎn)足f(Tdp)=0。

利用牛頓和拉弗遜迭代方法解方程（6），代數(shù)式可以寫(xiě)成：

方程（7）的唯一變量是Tdp，其它都是恒值。飽和水汽壓僅是Tdp的函數(shù)，f(Tdp)對(duì)TTdp的依賴(lài)來(lái)自表達(dá)式Ps(Tdp)。通過(guò)微分的鏈?zhǔn)椒▌t，

將方程（9）和（10）代入方程（8） ，按照牛頓和拉弗遜迭代方法，對(duì)于代數(shù)式方程（8）編程進(jìn)行運(yùn)算。當(dāng)連續(xù)濕球溫度Tw之間的差值絕對(duì)值小于一定誤差 10-6，即|Tp+1dp-Tpdp|＜10-6，這個(gè)迭代過(guò)程就被停止。

1.2.4 降溫通風(fēng)效果評(píng)價(jià)通風(fēng)作業(yè)單位能耗采用方程（11）計(jì)算，

式中：δ為單位冷卻通風(fēng)效率，kW·h/(t·℃);Tf為風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)數(shù);P為風(fēng)機(jī)的額定功率,kW;W為糧食的噸數(shù);ΔT為降溫通風(fēng)前后糧堆溫度差，°C。

理論降溫通風(fēng)時(shí)數(shù)算法參考Navarro和Calderson方法[12]，考慮的因素包括糧食噸數(shù)、比熱、溫度差及校正因子，以及單位通風(fēng)量、糧粒間空氣比重變化、焓值差及校正因子。

1.2.5 數(shù)據(jù)分析

采用隨機(jī)區(qū)組試驗(yàn)設(shè)計(jì)，數(shù)據(jù)以平均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示。LSD檢驗(yàn)中同一列不相同小寫(xiě)字母表示樣品之間差異顯著（p＜0.05）。

2 結(jié)果與分析

2.1 大氣溫度及相對(duì)濕度的變化

從圖1及圖2可看出，大氣溫度由1月1日的17℃降低到1月17日的11℃，之后到2月21日平均氣溫是14℃。整個(gè)降溫通風(fēng)期間大氣相對(duì)濕度平均值是69.4%。大氣含濕量與露點(diǎn)溫度在整個(gè)降溫通風(fēng)期間的變化趨勢(shì)是相似的，平均含濕量是0.0068 kg/kg，平均露點(diǎn)溫度是8℃。

圖1 降溫通風(fēng)期間大氣溫度及濕度的變化

圖2 降溫通風(fēng)期間大氣含濕量及露點(diǎn)溫度的變化

2.2 糧堆最高、最低、平均溫度及極差的變化

從圖3看出，2019年12月30日稻谷糧堆1、2、3、4 層的最高溫分別是 20.9、20.6、24.6、20.1 ℃。 12月31日 9：00到1月2日9：00期間48 h的大功率離心風(fēng)機(jī)壓入式降溫通風(fēng)，1月2日 9：00時(shí)糧堆1、2、3、4 層的最高溫分別是 19.8、17.9、19.4、18.6℃。到 1月 12日，它們分別是 20.3、19.8、19.2、17.3 ℃。1月13日和1月15日兩次上行吸出式降溫通風(fēng)后，它們分別由 1月 13日的 20.3、19.7、19.1、17.3℃變化到 1月 19日的 17.3、19.6、19.3、20.3℃。1月 20日和1月22日兩次上行吸出式降溫通風(fēng)后，它們分別由 1月 20日的 17.1、19.5、19.3、20.3℃變化到 2月 15日的 16.2、17.4、18.4、19.4℃。 2月 17日和 2月21日兩次上行吸出式降溫通風(fēng)后，它們分別由2月 17日的 16.3、17.3、18.4、19.4℃變化到 2月 23日的 16.1、17.6、18.4、19.9 ℃。

圖3 降溫通風(fēng)期間糧堆各層最高溫度的變化

從圖4看出，2019年12月30日稻谷糧堆1、2、3、4 層的最低溫分別是 16.3、16.6、16.5、15.6 ℃。 12月31日 9：00到1月2日9：00期間48 h的大功率離心風(fēng)機(jī)壓入式降溫通風(fēng)，1月2日 9：00時(shí)糧堆1、2、3、4 層的最高溫度分別是 14.9、12.9、12.4、14.0℃。 到 1 月 12 日，它們分別是 15.7、15.9、14.5、14.7℃。1月13日和1月15日兩次上行吸出式降溫通風(fēng)后，它們分別由 1月 13日的 15.8、15.9、14.5、14.9℃變化到 1月 19日的 14.1、14.9、15.6、14.8℃。 1月20日和1月22日兩次上行吸出式降溫通風(fēng)后，它們分別由 1月 20日的 13.9、14.9、15.3、14.4℃變化到 2月 15日的 13.9、14.1、14.1、14.1℃。 2月 17日和2月21日兩次上行吸出式降溫通風(fēng)后，它們分別由 2月 17日的 14.1、14.1、14.1、14.3 ℃變化到 2月23 日的 14.3、13.9、13.7、13.8 ℃。

圖4 降溫通風(fēng)期間糧堆最低溫度的變化

從圖5看出，2019年12月30日稻谷糧堆1、2、3、4 層的平均溫度分別是 18.7、18.2、18.2、16.5 ℃。12月 31日 9：00到 1月 2日 9：00期間 48 h的大功率離心風(fēng)機(jī)壓入式降溫通風(fēng)，1月2日 9：00時(shí)糧堆 1、2、3、4 層的平均溫度分別是 16.0、15.3、14.4、15.3℃。 到1月12日，它們分別是17.6、17.3、15.8、15.6℃。1月13日和1月15日兩次上行吸出式降溫通風(fēng)后，它們分別由1月13日的17.6、17.3、15.8、15.6℃變化到 1月 19日的 15.1、16.3、17.3、17.2℃。1月20日和1月22日兩次上行吸出式降溫通風(fēng)后，它們分別由 1月 20日的 14.9、16.2、17.3、17.2 ℃變化到 2月 15日的 14.5、16.0、16.5、17.0 ℃。2月 17日和2月21日兩次上行吸出式降溫通風(fēng)后，它們分別由 2月 17日的 14.5、16.0、16.5、17.0℃變化到 2月 23 日的 15.0、16.1、16.3、16.9 ℃。

圖5 降溫通風(fēng)期間糧堆各層平均溫度的變化

糧堆各層最高溫與最低溫之差（極差）如圖6所示，糧堆一層、二層、三層、四層的平均極差溫度分別是3.5℃、4.1℃、4.6℃、5.3℃。

圖6 降溫通風(fēng)期間糧堆極差溫度變化

從圖7看出，從2019年12月31日到2020年1月2日，經(jīng)過(guò)48 h的3臺(tái)7.5 kW大功率離心風(fēng)機(jī)降溫通風(fēng)，糧堆最高均溫和平均溫度分別由25℃、18℃降低到20℃和16℃，之后采用4臺(tái)0.55 kW軸流風(fēng)機(jī)累計(jì)降溫通風(fēng)96 h，糧堆最高均溫和平均溫度呈現(xiàn)持續(xù)下降趨勢(shì)。糧堆最低均溫和極差均溫分別由16℃、9℃降低到12℃、6℃，之后呈現(xiàn)類(lèi)似正弦曲線變化。在福州長(zhǎng)樂(lè)地區(qū)，在12月30日到2月23日期間，P24號(hào)倉(cāng)降溫通風(fēng)期間糧堆最高溫度、最低溫度、平均溫度、極差溫度的均值分別是20.2℃、13.7℃、16.3℃及6.5℃。

圖7 降溫通風(fēng)期間糧堆四種溫度變化

2.3 糧堆籽粒間隙空氣RH的變化

續(xù)表1

從圖8看出，上行式降溫通風(fēng)期間，稻谷糧堆各層最高糧溫對(duì)應(yīng)的RH降低次序是一層、二層、三層、四層（圖8A）；最低糧溫對(duì)應(yīng)的RH降低次序是一層、四層、三層、二層（圖8B）；平均糧溫對(duì)應(yīng)的RH降低次序是一層、二層、三層、四層（圖8C）。全倉(cāng)最高均溫對(duì)應(yīng)的RH由63%降低到61%，之后幾乎保持恒定；全倉(cāng)均溫對(duì)應(yīng)的RH由60.3%降低到59.5%，之后幾乎保持不變；全倉(cāng)最低均溫對(duì)應(yīng)的RH由59.4%降低到58.5%，之后呈現(xiàn)正弦曲線變化（圖 8D）。

圖8 降溫通風(fēng)期間糧堆籽粒間隙空氣RH的變化

2.4 糧堆含濕量的變化

從圖9看出，在上行式降溫通風(fēng)期間，稻谷糧堆各層最高糧溫對(duì)應(yīng)的含濕量降低次序是一層、三層、二層、四層（圖9A）；最低糧溫對(duì)應(yīng)的含濕量降低次序是一層、四層、三層、二層（圖9B）；平均糧溫對(duì)應(yīng)的含濕量降低次序是一層、二層、三層、四層 （圖9C）。全倉(cāng)最高均溫對(duì)應(yīng)的含濕量由0.0125 kg/kg降低到0.0090 kg/kg，之后幾乎保持恒定，全倉(cāng)均溫對(duì)應(yīng)的含濕量由0.0078 kg/kg降低到0.0070 kg/kg，之后幾乎保持不變；全倉(cāng)最低均溫對(duì)應(yīng)的含濕量由0.0065 kg/kg降低到0.0055 kg/kg，呈現(xiàn)波動(dòng) （圖9D）。

圖9 降溫通風(fēng)期間糧堆含濕量的變化

2.5 糧堆露點(diǎn)溫度的變化

從圖10看出，在上行式降溫通風(fēng)期間，稻谷糧堆各層最高糧溫對(duì)應(yīng)的露點(diǎn)溫度降低次序是一層、三層、二層、四層（圖10A）；最低糧溫對(duì)應(yīng)的露點(diǎn)溫度降低次序是一層、四層、三層、二層（圖10B）；平均糧溫對(duì)應(yīng)的露點(diǎn)溫度降低次序是一層、二層、三層、四層 （圖10C）。全倉(cāng)最高均溫對(duì)應(yīng)的露點(diǎn)溫度由17℃降低到12.2℃，之后幾乎保持恒定；全倉(cāng)均溫對(duì)應(yīng)的露點(diǎn)溫度由10.0℃降低到8.5℃，之后保持緩慢降低趨勢(shì)；全倉(cāng)最低均溫對(duì)應(yīng)的露點(diǎn)溫度由8.0℃降低到5.0℃，之后呈現(xiàn)波動(dòng)（圖10D）。

圖10 降溫通風(fēng)期間籽粒間隙空氣露點(diǎn)溫度的變化

2.6 稻谷糧堆降溫通風(fēng)效果評(píng)價(jià)

如表1所示，P24號(hào)稻谷高大平房倉(cāng)本次降溫通風(fēng)，分為兩個(gè)階段。在12月31日至1月2日第一階段期間，3臺(tái)7.5 kW離心風(fēng)機(jī)降低糧堆平均溫度2.5 ℃，耗時(shí) 48 h，單位能耗是 0.1014 kW·h/(t·℃)，理論通風(fēng)時(shí)數(shù)計(jì)算時(shí)的焓值差校正因子是1.02。在1月13日至2月21日第二階段期間，4臺(tái)0.55 kW軸流風(fēng)機(jī)降低糧堆平均溫度0.7℃，耗時(shí)96 h，單位能耗是0.0708 kW·h/(t·℃)，理論通風(fēng)時(shí)數(shù)計(jì)算時(shí)的焓值差校正因子是0.75。整個(gè)稻谷高大平房倉(cāng)糧堆降溫通風(fēng)總時(shí)數(shù)144.0 h，計(jì)算理論降溫通風(fēng)總時(shí)數(shù)時(shí)，焓值差校正因子取為0.75～1.0。

表1 福建省儲(chǔ)糧長(zhǎng)樂(lè)庫(kù)晚秈稻高大平房倉(cāng)降溫通風(fēng)效果評(píng)價(jià)

3 討論

在亞熱帶地區(qū)，糧堆降溫通風(fēng)風(fēng)機(jī)運(yùn)行的條件是，糧堆與大氣的溫度差≥3℃；糧堆平衡絕對(duì)濕度大于大氣平衡絕對(duì)濕度[8]。由于降溫通風(fēng)過(guò)程總是伴隨著糧堆降水，引起糧食水分丟失[13]。糧庫(kù)通常采用分階段通風(fēng)，并且盡可能采用小功率離心風(fēng)機(jī)或軸流風(fēng)機(jī)通風(fēng)。本研究假定糧堆水分不丟失，采用晚秈稻水分吸附MCPE方程計(jì)算了糧堆各層糧粒間隙的空氣RH，進(jìn)而分析了含濕量和露點(diǎn)溫度。國(guó)內(nèi)缺乏這方面的研究。在上行式稻谷平房倉(cāng)降溫通風(fēng)期間，稻谷糧堆各層最高糧溫對(duì)應(yīng)的RH、含濕量及露點(diǎn)溫度降低次序是一層、三層、二層、四層；最低糧溫對(duì)應(yīng)的這些變量降低次序是一層、四層、三層、二層；平均糧溫對(duì)應(yīng)的這些變量降低次序是一層、二層、三層、四層。

大氣含濕量與露點(diǎn)溫度在整個(gè)降溫通風(fēng)期間的變化趨勢(shì)是相似的，平均含濕量是0.0068 kg/kg，平均露點(diǎn)溫度是8℃。全倉(cāng)糧堆均溫對(duì)應(yīng)的含濕量由0.0078 kg/kg降低到0.0070 kg/kg，之后幾乎保持不變；全倉(cāng)糧堆均溫對(duì)應(yīng)的露點(diǎn)溫度由10.0℃降低到8.5℃，之后保持緩慢降低趨勢(shì)。比較糧堆與大氣的含濕量和露點(diǎn)溫度，說(shuō)明本研究中兩個(gè)階段降溫通風(fēng)條件是合乎規(guī)律的。

國(guó)內(nèi)缺乏對(duì)糧堆降溫通風(fēng)時(shí)數(shù)預(yù)測(cè)，秋冬季糧堆降溫通風(fēng)憑經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行作業(yè)，導(dǎo)致糧堆丟失水分，或者耗電量增多。本研究嘗試?yán)碚摰慕禍赝L(fēng)時(shí)數(shù)預(yù)測(cè)，在算法中考慮了糧食噸數(shù)、比熱、溫度差及校正因子、單位通風(fēng)量、糧粒間空氣比重變化、焓值差及校正因子。分析降溫通風(fēng)時(shí)數(shù)時(shí)，國(guó)外對(duì)小麥平房倉(cāng)采用的焓值差校正因子是0.5，而本研究認(rèn)為稻谷高大平房倉(cāng)焓值差校正因子取0.75～1.0較為合適。

4 結(jié)論

（1）在我國(guó)東南地區(qū)稻谷高大平房倉(cāng)降溫機(jī)械通風(fēng)中，糧堆水分不丟失情況下，糧堆各層最高溫、最低溫、平均溫度對(duì)應(yīng)的糧粒間隙空氣的RH、含濕量、露點(diǎn)溫度遵循一定的規(guī)律的。通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件實(shí)時(shí)分析這些參數(shù)，可以提高降溫通風(fēng)的效果，即節(jié)約耗電和降低糧堆水分丟失量。

（2）分析稻谷高大平房倉(cāng)理論降溫通風(fēng)時(shí)數(shù)時(shí)，焓值差校正因子范圍取0.75～1.0，此計(jì)算參數(shù)供同行參考。不同年份、不同產(chǎn)地及不同稻谷種類(lèi)存在差異，還需要進(jìn)行深入研究分析。