輻射制冷技術(shù)淺圓倉控溫試驗研究*

高彬彬 沈 波 季雪根 張云峰 孫沛靈 柯詩春 魏永威 何 力 徐靈中 許偉平 徐靜濤 袁 丹

(1 浙江省儲備糧管理有限公司 310006)(2 浙江衢州省級糧食儲備庫 324022)(3 寧波瑞凌新能源科技有限公司 315500)

淺圓倉倉壁、倉蓋均為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，在夏季持續(xù)高溫天氣、太陽照射強(qiáng)的情況下，倉溫、糧溫上升速度快，最高糧溫可達(dá)30℃以上，對保持糧食品質(zhì)和控制糧堆內(nèi)害蟲生長繁殖極為不利。目前淺圓倉控溫儲糧需求增加，控溫儲糧技術(shù)還不夠成熟，需要探索新的有效控溫途徑[1～5]。

為探索輻射制冷材料對淺圓倉的控溫效果，我公司在衢州庫淺圓倉開展了輻射制冷材料控溫儲糧試驗。

1 試驗材料

1.1 倉房基本情況

浙江衢州省級糧食儲備庫的Q4倉、Q5倉均為2016年底完工的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)淺圓倉，內(nèi)徑23 m，裝糧線高24 m，設(shè)計倉容為7500 t。Q4倉、Q5倉倉頂均為混凝土屋面，內(nèi)含50 mm硬質(zhì)發(fā)泡聚氨酯保溫隔熱層，40 mm混凝土防水層；倉壁為230 mm鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。試驗選用浙江衢州省級糧食儲備庫的Q5號倉為試驗倉，Q4號倉為對照倉。兩倉儲糧情況見表1。

表1 試驗倉房基本情況

1.2 輻射制冷材料

反射型輻射制冷膜、輻射制冷卷材和輻射制冷涂料均為寧波生產(chǎn)。

1.2.1 反射型輻射制冷膜及輻射制冷卷材制冷原理 反射型輻射制冷膜是利用輻射制冷的原理[6～9]，設(shè)計多層膜結(jié)構(gòu)，使薄膜具備輻射制冷功能。通過在高分子基材中加入不吸收太陽能而又能對大氣窗口紅外輻射產(chǎn)生共振的微米級無機(jī)粒子，使薄膜在太陽能波段具有高反射率、在大氣窗口具有高發(fā)射率的光譜選擇性，可直接貼合于倉體金屬門窗外表面。輻射制冷卷材是反射型輻射制冷膜與丁基膠復(fù)合加工而成。

1.2.2 輻射制冷涂料制冷原理 輻射制冷涂料由高分子材料、無機(jī)功能材料、顏填料等構(gòu)成。通過大氣透射窗口波段(8 μm～13 μm)的高紅外發(fā)射能力將熱量源源不斷向外太空冷源高效傳遞，同時利用涂層對太陽輻射能量的高反射能力將吸收熱量降到最低，進(jìn)而達(dá)到顯著降溫效果。從層狀結(jié)構(gòu)來看，輻射制冷涂料由表面預(yù)處理底漆、輻射制冷涂層和高耐候性能保護(hù)層組成，可直接應(yīng)用于混凝土、金屬等外表面。

1.3 測溫系統(tǒng)及測點(diǎn)布置

Q4、Q5號倉原已配備有糧情測控系統(tǒng)，用于監(jiān)測糧溫變化，為更全面地驗證本試驗輻射制冷產(chǎn)品的降溫效果，試驗除糧情測控系統(tǒng)的檢測點(diǎn)外，在外頂、內(nèi)頂、外壁、糧堆貼壁及糧面新增部分表面溫度檢測點(diǎn)共21個。新增的測點(diǎn)采用ZW720型遠(yuǎn)程溫度自記儀進(jìn)行溫度數(shù)據(jù)的采集，溫度采集頻率為1次/3 min，新增測點(diǎn)及糧情測控系統(tǒng)測點(diǎn)的位置布置如圖1所示。

圖1 糧情測控系統(tǒng)及試驗新增測點(diǎn)示意圖

2 試驗方法

2.1 空白測試

試驗開始前，用2周時間分別檢測Q4、Q5號倉倉溫和外壁溫度受外溫的影響情況，確保Q4、Q5號倉初始數(shù)據(jù)的一致性。

2.2 輻射制冷材料施工

輻射制冷材料的施工工藝包括倉體立面輻射制冷涂料施工、倉頂混凝土表面輻射制冷卷材施工及金屬門表面反射型輻射制冷膜施工。

倉體立面施工主要包括腳手架搭建、基層處理和輻射制冷涂料施工。輻射制冷涂料施工工序分別為:①底漆層、中涂層三遍、面漆層一遍，罩面層一遍，采用噴涂工藝施工；②倉頂混凝土表面施工主要包含基層清理、涂刷界面劑、鋪設(shè)輻射制冷卷材和封邊處理4道工序；③金屬門表面應(yīng)用反射型輻射制冷膜主要包含基層清理、鋪設(shè)反射型輻射制冷膜和封邊處理3道工序。

2.3 數(shù)據(jù)收集與整理

輻射制冷材料于2020年8月16日在Q5號倉施工完畢，通過8月16日～11月11日的溫度連續(xù)測試，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行收集整理，以便評估輻射制冷技術(shù)應(yīng)用后的降溫效果。

3 結(jié)果與分析

3.1 空白測試

經(jīng)2周溫度檢測和數(shù)據(jù)對比，Q4、Q5號倉倉溫變化受外溫變化影響的差異較小，差幅在0.5℃以內(nèi)，西外壁的溫度受外溫變化影響也較小，變化幅度在0.5℃以內(nèi)；Q4、Q5號倉受外溫的影響情況具有較好的一致性。

3.2 試驗倉與對照倉數(shù)據(jù)分析

3.2.1 倉外頂溫度對比 由圖2可知，外頂溫度(外頂溫度為所有檢測點(diǎn)平均溫度，下同倉內(nèi)頂溫度、糧面溫度)試驗倉比對照倉平均低4.3℃，溫差可達(dá)22.2℃，最大溫差出現(xiàn)在8月19日，對照倉和試驗倉溫度分別為57.9℃和35.7℃。試驗倉與對照倉外頂(東南面)溫度差異較大。

圖2 倉外頂(所有測點(diǎn)平均)溫度對比

由圖3可知，8月22日～8月24日持續(xù)高溫期間，外頂(東南面)溫差高達(dá)26.1℃(8月23日，氣溫36.2℃)；另外，試驗倉的外頂溫度每天連續(xù)24 h低于環(huán)境溫度，具有明顯的制冷效果。

圖3 持續(xù)高溫天氣條件下外頂(東南面)溫度逐時分析

3.2.2 內(nèi)頂溫度對比 由圖4可知，倉內(nèi)頂溫度試驗倉比對照倉平均低3.1℃，持續(xù)高溫天氣條件下(8月16日～8月26日)平均低5.5℃，內(nèi)頂平均溫差最高可達(dá)6.4℃；其中內(nèi)頂(西南面)的溫度差最高可達(dá)8.1℃，如圖5所示，最大溫差出現(xiàn)在8月22日，對應(yīng)對照倉和試驗倉內(nèi)頂溫度分別為40℃和31.9℃。

圖4 倉內(nèi)頂溫度(所有測點(diǎn)平均)對比

圖5 持續(xù)高溫天氣條件下內(nèi)頂(西南面)溫度逐時分析

3.2.3 倉溫對比 試驗期間和持續(xù)高溫天氣條件下兩倉倉溫對比如圖6和圖7所示。由圖可知，試驗期間倉溫平均降低2.8℃，持續(xù)高溫天氣條件下(8月16日～8月26日)平均降低4.8℃。最高時點(diǎn)低5.6℃(8月22日)，對應(yīng)的對照倉和試驗倉倉溫分別為37.3℃和31.9℃。

圖6 倉溫對比

圖7 持續(xù)高溫條件下倉溫對比

另外，8月16日～8月25日期間具有連續(xù)晴天、每日最高氣溫為37.8℃～38.6℃，該階段對控制淺圓倉倉溫具有較大挑戰(zhàn)性。由圖8可知，對照倉最高倉溫由8月16日的36.4℃升至8月24日的37.2℃；而試驗倉最高倉溫由8月16日的32.5℃，降低至8月24日的31.7℃；由此可見，應(yīng)用輻射制冷產(chǎn)品后，在持續(xù)高溫天氣條件下，試驗倉倉溫升溫顯著減緩，且總體呈下降趨勢。

3.2.4 糧面溫度對比 圖8為糧面溫度的對比，由圖8可知，試驗倉與對照倉溫差明顯，在試驗期間，試驗倉與對照倉平均溫差為2.4℃，持續(xù)高溫天氣條件下(8月16日～8月26日)平均溫差為3.4℃，溫差可達(dá)4℃。

圖8 糧面溫度(所有測點(diǎn)平均)對比

由于中心糧面的溫度差異相對較大，選取持續(xù)高溫天氣條件下糧面(中心)的溫差，如圖9所示。由圖10可知，中心糧面溫度的溫差最高4.7℃，8月22日～8月23日，對照倉糧面最高溫度為36.3℃(在35.9℃～36.3℃波動)，試驗倉糧面溫度為31.8℃(在31.5～31.8℃波動)。

圖9 持續(xù)高溫條件下糧面(中心)溫度逐時分析

3.2.4 外壁溫度對比 由圖10可知，對于淺圓倉的外壁(西面)溫度，試驗期間平均低1.8℃，持續(xù)高溫天氣條件下(8月16日～8月22日)平均低2.4℃，試驗倉與對照倉溫差可達(dá)7.9℃，該溫差發(fā)生于11月6日，對照倉和試驗倉對應(yīng)的外壁溫度分別為27.7℃和19.8℃。

圖10 外壁(西)溫度對比

4 結(jié)論與討論

4.1 試驗期間，在外界條件及倉房設(shè)施相同的條件下，試驗倉較對照倉倉頂外表面平均溫度低4.3℃，最高值低26.1℃；內(nèi)頂平均溫度低3.1℃，最高值低8.1℃；倉溫平均低2.8℃，最高值低5.6℃；糧面溫度平均低2.4℃，最高值低4.7℃，具有顯著的輻射制冷效果。

4.2 在Q5號倉倉頂、外壁及金屬門施用輻射制冷材料，不改變糧倉固有結(jié)構(gòu)，不影響使用性能，易于實(shí)施。

4.3 輻射制冷技術(shù)可將物體表面溫度降至環(huán)境溫度以下，實(shí)現(xiàn)24 h零能耗被動式降溫，可大幅度減小倉體圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱，在高溫、太陽輻照強(qiáng)等最需控溫階段，降溫效果顯著。