相變材料在糧倉圍護結構熱工設計中的應用

糧食安全儲藏是國家生存的根本。在糧食儲藏過程中，溫度是影響儲糧環(huán)境的關鍵因素之一，其變化與儲糧品質的劣變速度密切相關。糧倉建筑圍護結構作為外界環(huán)境與倉內環(huán)境的熱交換載體，其熱工性能的優(yōu)化設計是維持儲糧生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定、延緩糧食劣變的有效手段之一。

相變材料（Phasechangematerials，PCM）是一種在特定溫度區(qū)間能夠發(fā)生相變的材料，其在相變過程中以潛熱的形式釋放或吸收熱量1。近年來，PCM在建筑領域得到了廣泛應用。其原理在于，通過物態(tài)變化實現對熱量的吸收、儲存和釋放，進而顯著改善建筑圍護結構熱工性能，有效抑制室內溫度的波動，極大地改善室內熱環(huán)境。

在糧倉建筑中，選擇合適相變溫度區(qū)間的相變材料，并將其應用于糧倉建筑圍護結構，充分利用其白天儲存熱量、夜晚釋放熱量的特性，可有效緩解高溫天氣期間糧倉建筑內部倉溫和糧溫的波動，降低糧倉建筑控溫儲糧的制冷需求，更有助于保障儲糧安全、提升儲糧品質，為進一步提升糧倉建筑圍護結構的熱工性能提供重要的參考。

一、概述

（一）相變材料的分類及特點

相變材料按照相變形式的變化可分為四類：固-固相變材料、固-液相變材料、液-氣相變材料、固-氣相變材料。由于液-氣和固-氣相變材料在相變過程中體積變化很大，對儲熱設備要求高，通常不易在實際中應用。固-固相變材料在轉換過程中不存在相態(tài)的變化，不適合與其他材料進行復合。而固-液相變材料能夠吸收和釋放適量的熱能，且能夠和其他傳統(tǒng)建筑材料同時使用，在建筑領域有著廣泛的應用前景。相變材料按照其成分可分為有機、無機和共晶相變材料。有機相變材料因其具備過冷度小、相變潛熱較大、熱穩(wěn)定性好等優(yōu)點，更適用于建筑領域。

相變材料具有高潛熱儲能能力、相變溫度具有可調節(jié)性和熱導率相對較低等優(yōu)點[2。為降低建筑內部的制冷或供暖負荷，改善室內的熱環(huán)境，根據相變材料的作用機制，將相變材料與建筑材料相結合，利用其儲放熱能力來調整室內的熱波動，由于儲放熱的作用，熱流的波動幅度被削弱，作用的時間被推后。通過恰當的設計，就可以把溫度的波動控制在較適宜的范圍內。

（二）糧倉建筑的控溫儲糧要求

糧食是具有生命活性的生物體，每時每刻都在進行著呼吸作用。在糧食儲藏過程中，溫度是影響糧食生命呼吸作用的關鍵因素之一，直接影響糧食的保存期限、微生物繁殖和濕度等相關生態(tài)因子的變化。低溫儲藏能夠減少糧食中的生物化學反應和有害微生物的生長繁殖，從而有效延長糧食的保存期限。相反，高溫會加劇糧食的呼吸作用，加速糧食陳化、霉變、蟲害和品質下降等問題的出現。

糧食的安全儲藏可以分為低溫儲糧和準低溫儲糧。低溫儲糧是糧堆的平均溫度常年保持在 15^°C 及以下，局部最高糧溫不高于 的儲糧方式3；而準低溫儲糧是糧堆平均糧溫常年保持在 20°C 及以下，局部最高糧溫不高于 的儲糧方式。實踐表明，當糧倉內的溫度維持在低溫（ 15^°C ）或準低溫（ 20^°C ）時，能夠有效抑制真菌與昆蟲的繁殖和糧食的呼吸作用，減少糧食損耗，使糧食處于保鮮狀態(tài)。

為了達到儲糧溫度的需求，現有的控溫儲糧手段有機械通風控溫技術、機械制冷控溫技術、內環(huán)流控溫技術等，但是具有高能耗、運行費用高等缺點。圍護結構作為糧倉建筑內外傳熱的載體，對外界溫度變化起到削峰填谷的作用。為提高糧倉建筑圍護結構的隔熱保溫性能，將相變材料納人糧倉建筑圍護結構的熱工設計中，利用相變材料吸收或釋放能量，調控糧倉建筑內部倉溫和糧溫的波動，有利于在低溫、準低溫儲糧進程中降低能耗需求。

二、相變材料在糧倉建筑圍護結構中的應用策略

（一）基于不同儲糧生態(tài)區(qū)溫度需求差異的設計策略

我國根據氣候條件，結合糧食收獲的入倉條件將全國劃分為七個儲糧生態(tài)區(qū)，不同儲糧生態(tài)區(qū)的氣候差異對儲糧安全的影響主要體現在溫度、濕度和太陽輻射強度等方面，這對糧倉建筑圍護結構的熱工性能需求產生差異化的影響。此外，相變材料的潛熱儲存能力以及熱傳導的效率受材料厚度的影響較大，且相變溫度區(qū)間的選擇也是材料發(fā)揮潛熱儲能效能的關鍵。因此，將相變材料應用于糧倉建筑圍護結構中應充分考慮不同儲糧生態(tài)區(qū)溫度需求的差異，從而選擇適宜的相變溫度區(qū)間與厚度。例如，孔祥飛對天津夏季應用的相變蓄能墻體進行研究，研究發(fā)現，當相變材料位于建筑圍護結構外側時，相變溫度的選取應高于室外溫度4]。于靖華等針對我國五個代表性氣候區(qū)的典型城市開展了研究，為各氣候區(qū)相變材料的最佳相變溫度和厚度選擇提供了參考依據[5]。

綜上所述，將相變材料應用在糧倉建筑圍護結構中進行設計時，不同儲糧生態(tài)區(qū)的氣候條件與安全儲糧的溫度需求影響了相變溫度區(qū)間的選擇與相變材料厚度的確定。此外，在具體應用時還需綜合考慮經濟性和倉儲環(huán)境特點，以確保PCM能夠有效發(fā)揮相態(tài)轉換功能，實現恒溫綠色的儲糧目標。

（二）基于不同倉型糧倉建筑特點的設計策略

隨著我國糧食產業(yè)的快速發(fā)展，現代化糧倉建設不斷推進，現階段糧倉建筑倉型主要有平房倉、淺圓倉和立筒倉。不同倉型的糧倉建筑，其建筑形式與圍護結構構造工藝等均不相同。因此，將相變材料應用于糧倉建筑圍護結構中時，需要依據不同倉型建筑的特點進行設計。

目前，可用于建筑圍護結構的相變材料主要有相變混凝土、相變板材、相變卷材和相變涂料等。鑒于平房倉建筑圍護結構多采用砌筑型頁巖磚，淺圓倉和立筒倉建筑圍護結構多采用現澆混凝土，且淺圓倉和立筒倉的圍護結構為弧形墻體的實際情況，為了進一步提升糧倉建筑圍護結構的熱工性能，從相變材料形態(tài)適應性的角度來講，平房倉圍護結構墻體和屋頂外表面最適宜敷設相變板材，淺圓倉和立筒倉圍護結構墻體外表面則適宜敷設相變卷材，或直接利用相變混凝土進行現澆。相變涂料由于在任何形狀圍護結構的表面都有著很好的適應性，適用于多種類型糧倉建筑圍護結構的墻體，以及屋頂的外表面。從不同形態(tài)相變材料的溫度調控能力來看，相變板材和相變卷材都可依靠厚度的增加來提高溫度調控能力，而相變涂料厚度的增加范圍有限。在不同糧倉建筑圍護結構的墻體和屋頂選用相變材料時，由于其厚度影響潛熱儲存能力和熱傳導的效率，需要依據實際情況的研究進行設計。

因此，將相變材料應用在糧倉建筑圍護結構中進行設計時，首先是不同倉型的建筑特點決定了選擇何種形態(tài)的相變材料。其次是在具體應用時，還需兼顧不同形態(tài)相變材料相變可控溫度的差別，以便更好地發(fā)揮相變材料儲熱、放熱的效能。

三、相變材料在糧倉建筑圍護結構中應用的研究方法

（一）實驗研究法

實驗研究因其能夠實時監(jiān)測并記錄研究對象在實際環(huán)境下的數據表現，而被廣泛應用于各類研究領域。為了探究相變材料在糧倉建筑中的應用效果，部分學者通過實驗設計展開研究。研究者在糧倉內布設高精度溫度監(jiān)測器，實時記錄各監(jiān)測點的溫度數據，并通過長期數據的收集與量化分析，評估相變材料應用對倉內空氣溫度和糧溫的影響。例如，王赫等在糧倉內置入相變儲能墊并與空調機相結合，可以使倉溫和糧溫有效控制在20°C 的準低溫范圍內[7]。

綜上所述，實驗研究能夠真實反映相變材料在糧倉圍護結構中的隔熱保溫效果，為后續(xù)的優(yōu)化設計與應用提供了科學依據。

（二）模擬研究法

計算流體力學（CFD）數值模擬因無需搭建復雜的實驗設施，且能夠快速設置并運行，提供高效且準確的模擬結果，被廣泛應用于眾多領域。在模擬糧倉建筑內部的溫度場和濕度場以及相變材料在糧倉建筑圍護結構中的保溫隔熱性方面，計算流體力學具有顯著的優(yōu)勢。例如：劉家琦等采用計算流體力學方法，分析了平房倉在不同糧堆溫度梯度和通風方式下，糧堆內部溫度和水分的變化規(guī)律。徐寧通過ANSYS數值模擬發(fā)現，當相變板材置于墻體外表面時，其溫度的平均延遲時間和衰減倍數顯著高于普通墻體，極大提升了糧倉建筑的保溫隔熱性能[9]。

綜上所述，計算流體力學數值模擬不僅在儲糧熱環(huán)境研究中展現出巨大的應用潛力，還可有效評估相變材料在隔熱保溫方面的性能表現，這些研究成果為相變材料在糧倉建筑中的應用提供了有力支持。

四、相變材料在糧倉建筑圍護結構中的應用價值

（一）提升控溫效果

溫度是影響糧食儲藏安全的關鍵因素，它直接關系到糧食的品質和儲糧環(huán)境的穩(wěn)定性。在糧食儲藏過程中，糧倉建筑圍護結構受到太陽輻射和環(huán)境溫度的共同作用，熱量通過圍護結構傳遞到倉內，從而引起倉內空氣和糧堆溫度的變化。因此，作為糧堆與外部環(huán)境之間的熱交換樞紐，糧倉建筑圍護結構的隔熱保溫性能對儲糧安全具有至關重要的影響。相變材料作為一種潛熱儲能材料，能夠在溫度波動的環(huán)境中發(fā)揮顯著的調溫作用。例如，高樹成等通過在立筒倉的倉頂內置入相變儲能墊，研究結果表明，采用相變儲能墊的糧倉能夠有效控制倉內溫度和表層糧溫，從而實現準低溫儲糧[0]。

綜上所述，溫度控制是糧食儲藏安全的核心。將相變材料應用于糧倉建筑圍護結構，能夠顯著提升糧食的安全儲藏水平。

（二）降低儲糧能耗

從安全儲糧的角度來看，夏季高溫天氣給糧食安全儲藏帶來了嚴峻挑戰(zhàn)。為確保糧食能夠安全度夏，糧倉通常需要采用高能耗設備來維持倉內溫度在安全范圍內。然而，這些設備的運行不僅能耗高，還會顯著增加倉儲成本，給糧食倉儲的經濟性帶來了挑戰(zhàn)。在此背景下，相變材料憑借其獨特的儲熱放熱特性，展現出了顯著的節(jié)能潛力。相變材料能夠在外界環(huán)境溫度波動時，通過相變過程吸收或釋放大量潛熱，從而有效減緩糧倉內部的溫度波動。這種特性不僅可以減少控溫設備的使用頻率，降低對制冷設備的依賴，還能延長設備的使用壽命并降低維護成本，進而實現建筑的節(jié)能減排，為低碳儲糧提供新途徑。例如，任麗輝等通過對比研究發(fā)現，應用相變材料的立筒倉相較于對照倉，耗電量節(jié)約了 12%^[11] 。這些研究表明，相變材料在降低能耗方面具有顯著優(yōu)勢。

綜上所述，傳統(tǒng)的機械制冷設備雖然能夠有效控制糧倉溫度，但產生的能耗較高。而相變材料憑借其高效的熱能儲存和釋放能力，不僅能夠顯著降低能耗，還能有效提升糧倉的控溫效果。將相變材料與機械制冷設備相結合，可以充分發(fā)揮二者的優(yōu)勢，進一步優(yōu)化糧倉的溫控系統(tǒng)，降低能耗。

五、結語

在糧食儲藏領域，儲存環(huán)境對溫度的要求極為嚴格，相變材料在糧倉建筑圍護結構的熱工設計中展現出了巨大的潛力。通過合理的設計策略與嚴謹的科學研究方法，相變材料不僅顯著提升了糧倉的控溫效果，降低了能耗，還為糧食的安全儲藏提供了一種高效的解決方案。隨著研究的不斷深人和技術的不斷進步，相變材料在糧倉建筑中的應用前景愈加廣闊，為糧食的安全儲藏提供堅實的保障。

參考文獻：

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[8]劉家琦，王遠成，李祥利，等.大跨度平房倉上下行降溫通風的數值模擬研究[J].中國糧油學報，2023（5）：10-18.

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[10]高樹成，李佳，趙學工.相變儲能材料在立筒倉稻谷控溫儲藏中的應用研究[J].糧油食品科技，2017（1）：85-87.

[11]任麗輝，趙學工，高樹成.基于相變材料和空調制冷的組合式準低溫儲糧技術應用研究[J].糧食與飼料工業(yè)，2017（3）：12-15.

作者簡介：

楊燦，河南工業(yè)大學土木建筑學院碩士研究生。研究方向：綠色建筑、糧油倉儲建筑設計。

郭琳琳（通訊作者），博士，河南工業(yè)大學土木建筑學院副教授、碩士研究生導師。研究方向：綠色建筑、糧油倉儲建筑設計。