局地氣候條件下高大平房倉玉米內(nèi)環(huán)流均溫儲糧技術(shù)應(yīng)用及控溫效果分析

◎ 豐 博，周 斌，吳文福，連中易，烏云山丹，李志民，景 雷，鄧玉剛，孫鳳陽

（1.中國儲備糧管理集團有限公司吉林分公司，吉林 長春 130033;2.吉林大學(xué) 生物與農(nóng)業(yè)工程學(xué)院，吉林 長春 130025;3.中央儲備糧龍嘉直屬庫有限公司，吉林 長春 130504）

長春地區(qū)位于東北松遼平原腹地，地處第三儲糧生態(tài)區(qū)，屬典型的溫帶季風(fēng)氣候，該地區(qū)生長的優(yōu)勢糧作物為單季的玉米、水稻、大豆等，保障糧食產(chǎn)后的儲藏安全處于國家安全戰(zhàn)略安排的首位[1-2]。為了有效保證糧食產(chǎn)后的儲藏安全，結(jié)合該地區(qū)寒冷冬季和炎熱夏季溫差大的特點，冬季利用外界的天然冷源對糧堆進(jìn)行機械通風(fēng)作業(yè)，為糧堆積蓄豐富的“冷芯”，隨著外界氣候的漸暖，表層糧堆及靠近糧倉圍護結(jié)構(gòu)的糧食受外界氣溫影響顯著，糧堆內(nèi)部容易出現(xiàn)“熱皮冷芯”的現(xiàn)象[3]，加劇了度夏期間糧食儲藏的不穩(wěn)定性。此時的高溫高濕區(qū)域易滋生蟲霉[4]，引發(fā)糧食局部發(fā)熱，同時發(fā)生熱濕傳遞導(dǎo)致糧堆內(nèi)局部水分聚積出現(xiàn)結(jié)露甚至板結(jié)[5]，嚴(yán)重威脅糧食品質(zhì)安全。圖1為高大平房倉倉儲糧堆傳熱傳質(zhì)示意圖。

圖1 高大平房倉倉儲糧堆傳熱傳質(zhì)示意圖

在我國北方地區(qū)，針對糧堆內(nèi)部存在的“熱皮冷芯”現(xiàn)象，通常應(yīng)用內(nèi)環(huán)流均溫技術(shù)，使糧堆內(nèi)“冷芯”的冷量得到釋放，以達(dá)到對局部高溫區(qū)域進(jìn)行降溫的目的。環(huán)流均溫對于冬季蓄過冷的糧堆來說是一項綠色安全的儲糧技術(shù)，在高溫的夏季通過環(huán)流風(fēng)機將糧堆中下層內(nèi)部“冷芯”的冷量抽出，送到倉內(nèi)空間，讓低溫空氣透過糧堆以下行的方式流動，致使氣流在高大平房倉內(nèi)形成閉合回路，此時，低溫空氣與糧食進(jìn)行充分熱濕交換，從而實現(xiàn)降低表層糧溫及倉溫的目標(biāo)，消滅“熱皮”現(xiàn)象帶來的潛在威脅。黃昕等[6]通過對傳統(tǒng)的谷物冷卻控溫與內(nèi)環(huán)流均溫的試驗結(jié)果進(jìn)行對比分析，發(fā)現(xiàn)內(nèi)環(huán)流均溫控溫效果明顯，需要的通風(fēng)能耗也更低。馬倩婷等[7]對內(nèi)環(huán)流均溫儲糧技術(shù)進(jìn)行研究，通過監(jiān)測糧堆表層平均糧溫、整倉平均糧溫變化情況，發(fā)現(xiàn)合理使用內(nèi)環(huán)流控溫技術(shù)，配合對糧倉氣密性、隔熱性的嚴(yán)格控制，可以實現(xiàn)綠色儲糧。以上文獻(xiàn)雖然對環(huán)流均溫儲糧技術(shù)進(jìn)行了試驗研究，但是缺乏在局地氣候條件下，從理論的角度對環(huán)流均溫控溫試驗結(jié)果及其控溫效果進(jìn)行詳細(xì)的分析和探討。

因此，本文將從局地氣候條件出發(fā)，深入分析長春地區(qū)高大平房倉玉米內(nèi)環(huán)流均溫控溫特征，探究環(huán)流均溫過程中的熱濕傳遞規(guī)律，尋找局地氣候變化對糧食儲藏的影響特點，深入剖析環(huán)流均溫控溫效果，以期為優(yōu)化內(nèi)環(huán)流均溫儲糧技術(shù)以及后期相關(guān)內(nèi)環(huán)流均溫系統(tǒng)科技成果轉(zhuǎn)化和大面積深入推廣應(yīng)用，以及加速建構(gòu)高效、科學(xué)、綠色、智能的儲糧安全技術(shù)體系提供試驗支撐。

1 高大平房倉概況及儲糧基本情況

1.1 倉房條件

本文的研究對象為中央儲備糧龍嘉直屬庫有限公司20 號、23 號倉庫，其倉房類型均為高大平房倉，建設(shè)時間為2001 年12 月，投入使用時間為2002 年12 月。倉房房架材料為大型拆線屋面板，墻體是磚混結(jié)構(gòu)，地面是混凝土地面，每個倉房在檐墻位置設(shè)置6 個庫門，試驗倉的倉頂具備發(fā)泡材料保溫隔熱層、倉窗通過苯板材料進(jìn)行隔熱保溫，表1 為20 號、23 號高大平房倉倉房條件。

表1 貨位20 號、23 號高大平房倉倉房條件表

1.2 儲糧基本情況

兩個試驗倉儲藏糧食種類均為玉米，20 號、23 號倉庫實際裝量高度為5.85 m 和5.95 m，20 號倉內(nèi)玉米初始水分高出23 號倉內(nèi)玉米初始水分1.2%，糧食基本情況如表2 所示。

表2 貨位20 號、23 號倉房糧食基本情況表

2 高大平房倉內(nèi)環(huán)流均溫試驗

2.1 糧食儲藏內(nèi)環(huán)流均溫原理

圖2為高大平房倉內(nèi)環(huán)流均溫系統(tǒng)原理圖。通風(fēng)網(wǎng)類型為地下通風(fēng)籠，啟動環(huán)流風(fēng)機時，糧堆中下層的冷量經(jīng)過通風(fēng)籠被抽送至集風(fēng)箱，在環(huán)流風(fēng)機的作用下，低溫空氣進(jìn)一步通過保溫管流至倉房上部空間，透過表層糧食滲入糧堆，與高溫區(qū)糧食進(jìn)行充分熱濕交換，以達(dá)到降低表層糧溫、整倉糧溫的目的。內(nèi)環(huán)流均溫全過程不與外界接觸，自始至終空氣都在閉合的循環(huán)系統(tǒng)中運行。

圖2 高大平房倉內(nèi)環(huán)流均溫系統(tǒng)原理圖

2.2 試驗器材及其布置情況

內(nèi)環(huán)流均溫試驗采用的主要器材有電子檢溫測控系統(tǒng)、溫濕度檢測儀、環(huán)流風(fēng)機、深層扦樣器等。機械通風(fēng)（通風(fēng)道）布置為U 型一機三道通風(fēng)籠，共配有4 臺單臺功率為1.1 kW 的環(huán)流風(fēng)機，通風(fēng)設(shè)備具體參數(shù)見表3。

表3 通風(fēng)設(shè)備參數(shù)表

2.3 監(jiān)測點布置

2.3.1 溫度監(jiān)測點分布

環(huán)流均溫前后及試驗過程中需要隨時監(jiān)測倉內(nèi)糧情狀態(tài)，所以需要均勻鋪設(shè)電子檢溫裝置，檢溫線布設(shè)通常是橫線間隔4.5 m，縱向間隔1.7 m。本文兩個試驗倉布置有4 層溫度監(jiān)測點，分別位于糧堆表層、糧堆中上層、糧堆中下層以及糧堆底層，每層水平均溫布置78 個監(jiān)測點，共計312 個監(jiān)測點，如圖3 所示。

圖3 溫度監(jiān)測點水平面布置示意圖

2.3.2 扦樣點分布

環(huán)流均溫試驗前后分別對20 號、23 號倉糧堆定點扦樣，檢測并記錄其水分含量，每層通過扦樣管設(shè)置17 個扦樣點，每倉共5 層85 個水分扦樣點。

3 通風(fēng)試驗過程

3.1 通風(fēng)前糧情概況

根據(jù)吉林省儲糧生態(tài)特點和儲糧技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀，中央儲備糧龍嘉直屬庫有限公司20 號、23 號倉庫在2021 年9 月，利用東北地區(qū)晝夜溫差大的特點，采用自然通風(fēng)的手段對糧堆進(jìn)行了第一次通風(fēng)降溫，降溫目標(biāo)是平均糧溫不低于10 ℃；在2021 年10—11 月，利用長春地區(qū)夜間溫度較低的特點，采用軸流風(fēng)機進(jìn)行了第二次通風(fēng)降溫，降溫目標(biāo)是平均糧溫不低于3 ℃；在2021 年12 月至2022 年1 月，充分利用外界的天然冷源，對糧堆進(jìn)行了第三次機械通風(fēng)作業(yè)，降溫目標(biāo)是平均糧溫不低于-5 ℃，經(jīng)過三輪的階段式降溫，糧堆內(nèi)積蓄了大量的冷量。

隨著外界氣溫的上升，糧堆溫度受局地氣候條件的影響顯著，尤其是糧堆表層糧食與靠近平房倉南墻的糧食溫度上升更迅速，截至2022 年6 月27 日，20 號倉房表層平均糧溫接近17.2 ℃、中下層糧堆“冷芯”平均溫度為-5.2 ℃左右；22 號倉房表層平均糧溫為17.8 ℃、中下層糧堆“冷芯”平均溫度為-3.6 ℃。

3.2 試驗方法及啟停設(shè)置

通過運行平房內(nèi)配備的內(nèi)環(huán)流均溫系統(tǒng)，配合智能糧情檢測系統(tǒng)及時監(jiān)測和記錄表層糧溫、整倉糧溫，定點扦樣檢測糧食水分含量，以此來監(jiān)測和判斷糧堆“冷芯”的利用情況，同時，利用倉間和糧堆溫度傳感器來控制環(huán)流通風(fēng)系統(tǒng)的啟停。根據(jù)20 號、23 號糧倉內(nèi)糧堆的基礎(chǔ)溫度來合理設(shè)定啟停溫度值，當(dāng)糧堆上下垂直兩層監(jiān)測點溫差達(dá)到8 ℃，水平相鄰監(jiān)測點溫差超過5 ℃時（其中，靠近圍護結(jié)構(gòu)墻糧溫與鄰近監(jiān)測點溫差達(dá)到8 ℃時），啟動環(huán)流風(fēng)機進(jìn)行控溫作業(yè)；當(dāng)糧堆上下垂直兩層監(jiān)測點溫差低于8 ℃，水平相鄰監(jiān)測點溫差低于5 ℃時（其中，靠近圍護結(jié)構(gòu)墻糧溫與鄰近監(jiān)測點溫差低于8 ℃時），停止風(fēng)機環(huán)流通風(fēng)，表4 為20 號、23 號倉環(huán)流均溫系統(tǒng)運行參數(shù)。

表4 貨位20 號、23 號倉環(huán)流均溫系統(tǒng)運行參數(shù)表

4 試驗結(jié)果與分析

20 號、23 號倉庫環(huán)流均溫系統(tǒng)運行時間是2022 年6 月27 日至2022 年9 月12 日，系統(tǒng)運行期間20 號倉累計控溫時間為614 h，23 號倉累計環(huán)流控溫時間為178 h，表5 為環(huán)流均溫試驗期間各項控溫參數(shù)。從表5 中的數(shù)據(jù)可以看出，在環(huán)流均溫期間外界局地氣候溫度在18.0 ～30.0 ℃，總是高于倉溫及倉內(nèi)糧食溫度，表明外界氣候條件始終通過圍護結(jié)構(gòu)影響著倉內(nèi)環(huán)境，但是由于圍護結(jié)構(gòu)的傳熱惰性，局地氣候?qū)}內(nèi)糧食的影響有一定的延遲和滯后[8]。環(huán)流均溫前后兩個試驗倉糧食平均水分含量分別僅下降了0.1%，由此可見，內(nèi)環(huán)流均溫控溫對糧堆水分變化影響不大。

表5 環(huán)流均溫試驗期間各項控溫參數(shù)表

4.1 20 號倉糧溫變化情況

環(huán)流均溫系統(tǒng)開始運行之后根據(jù)3.3.2 設(shè)置的啟停溫度值，環(huán)流風(fēng)機經(jīng)歷了若干次自動啟停，表6為20號、23 號高大平房倉環(huán)流均溫期間的溫度監(jiān)測報表。

表6 高大平房倉內(nèi)環(huán)流均溫期間溫度監(jiān)測報表（單位：℃）

由表6 中記錄的數(shù)據(jù)可以看出，長春地區(qū)局地氣候在6 月27 日出現(xiàn)了超過30 ℃的高溫，到7 月4 日為止，20 號倉溫度上升明顯，倉溫可達(dá)22.1 ℃，增幅為0.9 ℃，表層平均糧溫可達(dá)18.2 ℃，漲幅為1 ℃，表明外界局地氣候條件對倉內(nèi)環(huán)境的影響有一定延遲。8 月1 日，室外氣溫為30.9 ℃，到8 月8 日為止，7 d 的時間里倉溫上升到了22.2 ℃，增幅明顯，但是表層平均糧溫在7 d 的時間里僅僅上升了0.1 ℃，并且過了一周之后達(dá)到19.4 ℃，增幅極其明顯。通過分析發(fā)現(xiàn)，是因為外界6 月27 日的高溫傳遞至糧倉，達(dá)到風(fēng)機啟停溫度值時，環(huán)流風(fēng)機啟動，開始從中下層“冷芯”抽出低溫空氣，通過內(nèi)環(huán)流管道，將冷量輸送至上部空間，所以加重了外界溫度通過圍護結(jié)構(gòu)對糧堆產(chǎn)生影響的滯后性，所以直到8 月15 日，表層糧堆溫度才有了“不正?！钡纳仙?，同時，環(huán)流風(fēng)機也開始了新一輪的環(huán)流均溫過程，以削弱外界環(huán)境高溫對糧堆產(chǎn)生的不良影響，達(dá)到對倉溫及表層糧堆精準(zhǔn)控溫的目的。

從表6 也可以看出，在環(huán)流均溫期間，糧堆“冷芯”的溫度一直呈上升的趨勢，并且在9 月26 日達(dá)到了10.3 ℃，表明內(nèi)環(huán)流均溫系統(tǒng)利用完的糧堆“冷芯”溫度也在低溫儲糧的標(biāo)準(zhǔn)之內(nèi)。

4.2 23 號倉糧溫變化情況

從表6 記錄的數(shù)據(jù)中可以看出，長春地區(qū)局地氣候條件對倉溫影響的延遲和滯后規(guī)律相似，故此不再贅述。從6 月27 日至7 月4 日一周的時間里，23 號倉表層糧堆平均溫度上升了1.2 ℃，高于20 號倉表層糧堆平均溫度漲幅，深入分析發(fā)現(xiàn)造成這一現(xiàn)象的原因有二，其一是外界高溫通過外圍護結(jié)構(gòu)由導(dǎo)熱、對流傳熱、熱輻射等方式，與表層糧堆進(jìn)行熱濕交換，故導(dǎo)致表層糧堆升溫顯著；其二是由于兩個試驗倉儲藏時的玉米初始含水量的不同（20 號倉為14%、23 號倉為12.8%），導(dǎo)致了含水量較高的20 號倉糧堆熱濕協(xié)同作用較強，致使23 號倉表層糧堆升溫更顯著。從8 月1 日至8 月8 日一周的時間里，23 號倉表層糧堆升溫0.5 ℃，高于0.1 ℃（20 號倉表層糧堆升溫），并且在接下來的一周里表層糧溫“不升反降”，造成這一現(xiàn)象的原因除了不同含水量糧食與空氣的熱濕協(xié)同作用外，還有環(huán)流風(fēng)機的啟動。環(huán)流風(fēng)機使冷量通過內(nèi)環(huán)流管道輸送至倉內(nèi)上部空間，與外界傳來的熱量進(jìn)行了融合，可以認(rèn)為8 月1 日30.9 ℃的高溫沒能對表層糧食產(chǎn)生實質(zhì)性的不良影響，所以23 號倉表層糧堆溫度“不升反降”。

23 號倉在環(huán)流均溫期間，糧堆“冷芯”的溫度也一直呈上升的趨勢，并且在9 月26 日試驗結(jié)束時中下層平均溫度才到5.8 ℃，在準(zhǔn)低溫儲糧的標(biāo)準(zhǔn)之內(nèi)。

4.3 通風(fēng)效果

4.3.1 環(huán)流均溫控溫效果

20 號、23 號倉在內(nèi)環(huán)流均溫期間，糧堆中下層和底層“冷芯”的低溫空氣環(huán)流至糧堆上層空氣區(qū)域，下行透過表層糧食滲入糧堆，對倉溫、表層糧堆溫度進(jìn)行精準(zhǔn)控溫，對糧食最高溫度的控制效果明顯。經(jīng)過環(huán)流均溫通風(fēng)后，20 號倉糧堆平均溫度為10.5 ℃，23 號倉糧堆平均溫度為9.8 ℃，符合低溫儲糧的要求，控溫達(dá)到了預(yù)期效果。與此同時，內(nèi)環(huán)流均溫前后兩個試驗倉玉米含水量幾乎沒有變化，可見利用內(nèi)環(huán)流均溫的方法可以實現(xiàn)對糧堆的保水通風(fēng)控溫，為糧堆營造低溫儲糧環(huán)境。

4.3.2 能耗分析

根據(jù)內(nèi)環(huán)流均溫系統(tǒng)運行期間的夏季控溫電費來進(jìn)行計算能耗，20 號倉累計環(huán)流時間為614 h，總能耗為2 701 kW·h、單位能耗為0.43 kW·h·t-1；23 號倉累計環(huán)流時間為178 h，總能耗為784 kW·h、單位能耗為0.123 kW·h·t-1。相比而言，同樣內(nèi)置環(huán)流通風(fēng)系統(tǒng)的高大平房倉糧堆，其通風(fēng)總能耗為1 320 kW·h、單位能耗為0.189 kW·h·t-1[12]，內(nèi)環(huán)流通風(fēng)可以體現(xiàn)出較好的經(jīng)濟效益。

5 結(jié)論與討論

夏季隨著外界局地氣候的變化，糧倉內(nèi)局部糧溫也隨之反復(fù)，容易出現(xiàn)“熱皮冷芯”的現(xiàn)象，若依靠人工翻挖、單管通風(fēng)等儲糧措施，通風(fēng)能耗及人工成本較高。相比而言，冬季利用外界低溫空氣為糧堆積蓄一定量的“冷芯”，夏季時利用內(nèi)環(huán)流均溫控溫技術(shù)可以有效精準(zhǔn)地對倉溫及表層糧堆等進(jìn)行控溫，抑制糧堆最高溫度的漫延，可以在度夏期間保證糧食儲藏的穩(wěn)定性，并且控溫效果明顯，與夏季其他常規(guī)的儲糧安全措施相比，應(yīng)用內(nèi)環(huán)流均溫的方式儲糧更加高效節(jié)能，可以在滿足局地氣候條件的地區(qū)進(jìn)行推廣和應(yīng)用。

試驗證明，內(nèi)環(huán)流均溫控溫的方法對儲糧具有一定的保水通風(fēng)效果，有利于糧食在度夏期間的安全儲藏。同時，采用倉內(nèi)環(huán)流的均溫方式，不僅減少了空調(diào)制冷機組的使用，而且可以安全環(huán)保地實現(xiàn)糧食儲藏，符合我國一直提倡的綠色、低能耗、科學(xué)儲糧的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略目標(biāo)。

在實施環(huán)流均溫通風(fēng)時，可能會由于較大溫差的存在而出現(xiàn)通風(fēng)死角，應(yīng)加強對通風(fēng)死角的糧情監(jiān)測，同時局部增設(shè)輔助通風(fēng)管網(wǎng)或用單（多）管風(fēng)機通風(fēng)，以減小糧堆阻力，也可以通過改進(jìn)環(huán)流通風(fēng)工藝來改善通風(fēng)過程中的通風(fēng)能耗高、通風(fēng)不均勻等問題[3]。內(nèi)環(huán)流均溫作為“四合一”儲糧新技術(shù)重要的一環(huán)[9]，與科學(xué)化、規(guī)范化、智能化的數(shù)字監(jiān)管智能方法結(jié)合，可以有效避免糧情監(jiān)測數(shù)據(jù)質(zhì)量不高、利用率不理想等問題[10-11]。在保證儲糧的真實性、安全性的基礎(chǔ)上，應(yīng)對內(nèi)環(huán)流均溫技術(shù)及其多參數(shù)糧情監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行針對性的優(yōu)化和推廣，這將有利于我國早日建成高效、科學(xué)、綠色、智能的儲糧安全技術(shù)體系。