吊頂隔熱對高大平房倉糧堆溫度影響研究

劉文磊，王 軍，張宏偉

河南工業大學 土木工程學院，河南 鄭州 450001

我國是世界產糧大國，同時也是儲藏糧食較多的國家之一。儲糧生態系統中發熱的主要原因為糧堆內生物體的呼吸產熱以及季節變化引起的糧食表面溫度的升高[1]。在整個糧食儲藏周期中，由于倉內溫度、水分過高造成了大量的糧食損失。高大平房倉由于糧堆高與倉儲體積大，倉體材料隔熱性能差，隨周圍環境溫度變化明顯，夏季糧堆溫度遠高于安全儲糧溫度，低溫儲糧是保證倉內糧堆安全與品質的關鍵。

靜態儲糧期間，由太陽輻射與外界溫度通過糧倉壁面傳遞至倉內的熱量，是引起糧溫升高的主要原因。通過在倉房內利用保溫隔熱架設吊頂，能有效降低糧堆上部氣流向下傳導的熱量，從而降低糧堆溫度。

國內外已有諸多學者通過試驗與模擬研究了倉內架設保溫隔熱吊頂后糧堆溫度的變化。艾全龍[2]對架設了保溫隔熱吊頂的糧倉進行溫度監測試驗，結果表明采用吊頂后倉溫以及表面糧溫都有明顯下降。安西友等[3]通過對倉內進行吊頂隔熱處理，有效降低了夏季倉內糧堆的整體溫度。孫振北[4]對倉內吊頂控溫進行了試驗研究，得出進行隔熱改造后倉溫、上部及整倉糧溫有明顯下降。魏金高等[5]用PEF板對倉內糧堆進行覆蓋，能夠有效控制糧堆溫度上升，達到隔熱的目的。Ruska 等[6]對儲存在圓柱試驗箱中的小麥溫度加載當地氣象數據進行數值模擬，得到了小麥高溫區域發生在糧堆頂部表面及中心處。李志民等[7-8]對不同類型糧倉在各種外界環境變化下的現場檢測，得出了不同工況下糧堆溫度的變化規律。張忠杰等[9]利用CFD對不同尺寸糧倉靜態儲糧的溫度變化進行了模擬，得出了糧倉長寬方向糧堆溫度變化具有與外界環境相同的趨勢。蔣華偉等[10-11]建立了糧堆單一溫度場的數學模型，模擬了糧堆內部發熱狀態下溫度場變化。金立兵等[12]通過實測與模擬相結合，得到了地下儲糧倉一年內不同月份溫度場隨時間的變化情況。錢永剛等[13]通過CFD模擬了采用架空隔熱層時糧倉倉頂的溫度變化，結果表明架空隔熱層以及空氣流動的速度對倉頂溫度有明顯影響。許鵬[14]對平房倉糧面鋪設冷氣囊隔熱層進行數值模擬，將模擬結果與實測數據相比，糧溫得到了有效抑制。

作者利用COMSOL軟件分別建立了架設隔熱吊頂前后靜態儲糧的高大平房倉三維物理模型，對糧倉及糧堆的傳熱過程進行了數值模擬。分析了架設隔熱材料后糧堆表面平均溫度與整倉的平均糧溫變化，并與不架設隔熱吊頂結果進行對比。

1 模型模擬

1.1 高大平房倉吊頂隔熱系統物理模型

模擬所選的平房倉為浙江某高大平房倉，倉房長×寬×高為29.37 m×20.44 m×8.2 m，糧堆高度為6 m，平房倉墻體采用空心磚墻結構，房頂采用預應力混凝土板，倉底為混凝土地面，倉內屋架下安裝保溫隔熱吊頂?？疾鞙熟o態儲糧期間溫度的變化，模擬對象為平房倉結構、保溫隔熱吊頂以及內部的糧堆區域。利用COMSOL軟件建立高大平房倉吊頂隔熱系統三維物理模型如圖1所示，計算域由糧堆與倉內上部空氣層2個體區域組成。對糧倉整體物理模型采用非結構網格進行劃分，對局部采取細化操作共劃分為170多萬個網格。

圖1 高大平房倉吊頂隔熱系統三維物理模型

1.2 COMSOL模擬參數設置

1.2.1 外部儲糧條件

在靜態儲糧過程中外界環境溫度是糧堆溫度變化的主導因素。實測糧庫倉房2017年外界氣溫變化情況，結果如圖2所示?？芍饨绛h境溫度一般在0 ℃以上，7～9月為全年較高氣溫，此時糧堆溫度可達到最高。

圖2 浙江某高大平房倉2017年各月外界氣溫變化

對圖2曲線進行近似擬合得出外界環境溫度變化函數，

T=-0.606 4(t/2 592 000-7.07)2+197.42,

(1)

式中：T為外界環境溫度，K；t為時間，s。

以上一年度12月底的平均溫度作為倉內糧堆以及倉壁的初始溫度，以2017年實測倉房的外界溫度作為外界環境溫度，模擬計算一年內糧堆溫度變化，每個月按30 d進行計算。

1.2.2 壁面邊界條件

糧倉壁面受外界環境溫度變化影響明顯，倉壁溫度變化直接影響靜態儲糧過程中糧堆溫度。在長時間儲糧過程中對倉壁的太陽輻射與對流換熱是外部傳熱的主要因素，在加載太陽輻射模型時，外界實際環境以及對倉頂與四周壁面的太陽輻射量不盡相同，計算結果不僅復雜而且會造成較大誤差。將倉頂四周壁面的太陽輻射轉化為倉壁熱的吸收溫度，與外界環境溫度組成綜合溫度進行計算，倉房底面為絕熱壁面。

1.2.3 稻谷糧堆屬性

在COMSOL軟件處理過程中會將倉內糧堆作為獨立的多孔介質來計算，稻谷籽粒間存在空隙，倉內空氣會在孔隙流動過程中攜帶熱量的傳遞。糧堆靜態儲糧過程中的傳熱研究主要涉及稻谷堆的導熱系數、比熱容、密度與孔隙率等參數，它們對數學模型的構建以及模擬計算產生很大影響。平房倉內儲存糧種為江西產秈稻，根據實測以及相關資料得到其具體參數。

1.2.4 隔熱材料屬性

平房倉所用的吊頂材料為聚氨酯保溫板，是以聚氨酯硬泡為芯材，單面軋花鋁板合成的復合板材，材料導熱系數低且具有良好的隔熱效果。吊頂安裝不會破壞原有倉房屋架結構，倉頂壁面所吸收的熱量需要通過隔熱吊頂再傳導入糧倉內部，在夏季高溫期間能有效降低糧堆溫度的升高，隔熱吊頂能夠起到明顯作用。

COMSOL數值模擬過程中準確設置參數對糧堆內熱傳遞的計算有很大影響。COMSOL數值模擬靜態儲糧過程中各邊界條件與材料屬性的參數設置如表1所示。

表1 COMSOL數值模擬的相關條件和材料參數設置

1.3 糧堆內熱傳導(控制)方程

倉內糧堆在儲藏期間都需遵守質量守恒、動量守恒以及能量守恒方程[15]，在COMSOL數值模擬過程中會自動代入平衡方程進行求解。

質量守恒方程：

(2)

式中:ρa、ρf分別為空氣密度、參考溫度下的空氣密度，kg/m3；t為時間，s；μf為參考溫度下的空氣速度，m/s；xf為x方向變化量。

動量量守恒方程：

(3)

式中:φμ為空氣速度變化量，m/s；K為糧堆的滲透率；?p為水蒸氣分壓梯度；δy為定溫狀態下水分含量變化而引起的分壓變化量；g為重力加速度，m/s2；β為空氣膨脹系數；T0、T為參考溫度、當前溫度，K。

能量守恒方程：

(4)

式中:ρg為稻谷糧堆的干密度,kg/m3;ρa為空氣密度，kg/m3；Cg為稻谷糧堆的比熱容，kJ/(kg·K);Ca為空氣的比熱容，kJ/(kg·K)；Kg為稻谷糧堆的導熱系數，W/(m·K)；hfg為常量，為2 476.55 kJ/kg；Wg為干基水分，%；qh為呼吸釋放熱量,kJ；Yco2為糧堆呼吸每天CO2釋放率。

在靜態儲糧過程中不存在強制的對流換熱與通風過程，糧堆與孔隙之間的氣流溫差可以忽略，故不考慮由溫度變化引起的自然對流傳熱。糧倉是由倉壁與糧堆間的熱傳導為主，熱量傳導的數學模型為：

Q=-kT,

(5)

式中：Q為熱通量密度，kJ/(m2·s)；k為糧堆的熱傳導系數，W/(m·K)；T為糧堆的溫度，K。

2 模擬結果與分析

通過COMSOL軟件數值模擬了高大平房倉靜態儲糧一年內糧堆溫度變化，對比不架設隔熱吊頂與架設隔熱吊頂后倉內整體糧堆的平均溫度以及上層糧堆平均溫度，得出靜態儲糧過程中熱傳導規律，驗證了架設吊頂材料的隔熱性能。

2.1 不架設隔熱吊頂倉內糧溫分布

圖3為高大平房倉不架設隔熱吊頂靜態儲糧一年內糧堆溫度變化情況。由圖3可知，糧堆溫度受外界季節性氣溫變化影響明顯。在靜態儲糧前3個月時，倉內糧堆處于較低溫度，隨著外界環境溫度逐漸上升，靠近糧倉壁面處的糧堆溫度上升較快，并逐漸向糧堆內部進行熱傳遞；靜態儲糧6個月時，外界環境溫度保持持續上升趨勢，倉內空氣受環境溫度變化影響后上升比較明顯，距倉壁較遠處糧堆溫度也有一定幅度上升；靜態儲糧9個月時，外界環境溫度相比一年內最高溫度略有下降，但糧堆之間溫度的傳導是緩慢而持續的過程，糧堆內部溫度仍呈現緩慢升高的趨勢。由于外界溫度對倉壁影響最為明顯，倉壁附近處糧堆溫度會出現小幅度下降；靜態儲糧12個月時，外界環境達到最低溫度，倉壁面處糧溫達到最低，距倉壁1～3 m處會出現相對高溫帶，主要是由于糧堆的熱傳導性較差，內部溫度不能及時傳遞出去從而形成相對高溫帶。由于倉內熱傳導難以傳遞到糧堆底部，在整個靜態儲糧過程中倉內中心及底部糧堆溫度一直保持較低狀態。

圖3 不架設隔熱吊頂一年內糧堆溫度變化

2.2 架設隔熱吊頂后倉內糧溫分布

圖4為高大平房倉內架設隔熱吊頂后靜態儲糧一年內的糧堆溫度變化情況。由圖4可知，架設隔熱吊頂后倉內糧溫分布與不加隔熱吊頂時變化趨勢及傳熱過程基本一致。在春季儲糧期間，由于外界環境溫度較低，倉壁溫度通過隔熱吊頂傳導后倉內整體糧溫變化幅度較小，與不架設隔熱吊頂整體糧溫基本一致；在夏秋季儲糧期間，外界環境溫度大幅度提高，倉壁溫度會明顯高于糧堆溫度，在架設隔熱吊頂后，倉壁向糧堆所進行的傳熱過程首先要經過隔熱層，由于隔熱材料具有較低的導熱系數，在夏秋季由倉壁傳導至糧堆的熱量會有明顯幅度的降低，糧堆整體平均溫度相較不設隔熱吊頂明顯降低；在冬季儲糧期間，外界環境溫度達到最低，糧倉壁面向倉內傳遞過程與不設隔熱吊頂相似，倉內糧堆中心及底部溫度處于較低狀態，兩種倉內糧堆平均溫度在冬季期間基本相同。

圖4 架設隔熱吊頂一年內糧堆溫度變化

2.3 隔熱效果比較分析

2.3.1 架設隔熱吊頂前后倉內整體糧堆平均溫度的比較

通過對比倉內架設隔熱吊頂前后每季度的溫度分布，在COMSOL軟件中提取出靜態儲糧過程中整體糧堆平均溫度。架設隔熱吊頂前后每月糧堆整體平均溫度變化曲線如圖5所示。

圖5 架設吊頂前后倉內糧堆整體平均溫度曲線

由圖5可知，架設吊頂前后倉內糧堆整體平均溫度變化趨勢相似，糧堆整體溫度也呈現出季節變化的特征，夏季期間糧堆整體溫度上升較快，冬季期間整體糧溫會有所下降。架設吊頂后糧堆整體平均溫度相較不架設時平均下降2～3 ℃，隔熱吊頂對整體平均糧溫有一定影響，但由于倉內糧堆內部存在大部分低溫區域，整體平均溫度在增加隔熱吊頂后下降并不明顯。

2.3.2 架設隔熱吊頂前后倉內上層平均糧溫的比較

通過對比倉內架設隔熱吊頂前后每季度的溫度分布，在COMSOL軟件中提取出靜態儲糧過程中倉內上層平均糧溫。根據架設隔熱吊頂前后上層平均糧溫隨時間變化的規律繪制出溫度變化曲線，結果如圖6所示。

圖6 架設吊頂前后倉內上層平均糧溫曲線

由圖6可知，架設吊頂前后倉內上層平均糧溫相較整體平均糧溫上升幅度大，上層糧堆平均溫度均會高于整體平均糧溫。架設吊頂后上層平均糧溫相較不架設時平均下降3～4 ℃，這是由于上層糧堆離倉頂壁面較近，熱傳導更直接與持續，吊頂可以起到有效隔熱作用，控制上層糧溫的上升幅度。

3 結論

靜態儲糧過程中倉內糧溫隨外界環境變化較大。當外界溫度升高時，壁面處的糧堆溫度上升較快，隨著糧食與壁面之間的距離增加，糧堆溫度變化緩慢。糧堆溫度隨外界環境溫度變化明顯，并表現出隨季節變化的趨勢。架設隔熱吊頂前后，糧堆溫度分布趨勢相同。對比架設吊頂前后倉內糧堆整體平均溫度，架設吊頂后糧堆整體平均溫度相較不架設時平均下降2～3 ℃，整體平均溫度在架設隔熱吊頂后有一定程度下降。對比架設吊頂前后倉內上層平均糧溫，架設吊頂后上層平均糧溫相較不架設時平均下降3～4 ℃，架設隔熱吊頂能明顯降低上層糧溫。