平房倉風口布置對專用空調控溫效果影響研究

烏云山丹尹君馬翠亞張修霖楊開敏

(1.山東建筑大學 熱能工程學院，山東 濟南250101；2.國家糧食和物資儲備局科學研究院，北京100037)

0 引言

我國儲糧倉的發展大概經歷了簡易倉、矮胖倉、平房倉、磚圓倉、高大平房倉、鋼板倉、立筒倉、低溫倉、氣調倉等型式[1]。20世紀90年代，結構簡單、建設成本低、糧食裝載量多、易于管理的高大平房倉逐漸成為我國最常用的倉庫類型之一。JIA等[2]提出了用二維非線性傳熱模型描述淺圓倉中的瞬時溫度分布，模擬了太陽輻射對谷物溫度的影響，并且在模擬過程中考慮了谷物表面和糧倉壁周圍復雜的混合邊界條件，使預測溫度與實驗溫度吻合良好，為優化糧倉設計提供參考。SHARMA[3]用仿真模型在不同通風參數下進行了糧食的模擬工作，分析了通風過程中的熱量傳遞現象。王遠成等[4]基于多孔介質的熱質傳遞原理以及糧食的解吸濕特性理論，建立了機械通風過程中糧堆內部的熱濕耦合傳遞方程，分析了溫度差對糧堆內溫度和濕度的影響規律，并提出了糧堆降溫保水通風的操作原則。張曉靜等[5]基于局部熱質平衡的原理建立了新的數學模型，數值模擬了糧堆內部溫、濕度變化的規律。SHARP[6]提出了糧堆通風的有限差分數學模型，描述了通風過程中通風量的大小對糧堆溫、濕度的影響，對高溫高濕地區糧食儲藏工作有一定的指導意義。魯子楓等[7]利用數值模擬的方法，研究了機械通風形式不同通風量的糧堆降溫效果，結果表明在相同的通風時間下，降溫速率隨著通風量的增大而加快。徐碧[8]采用機械通風的方式進行了實倉實驗，發現先后進行壓入式通風和吸出式通風可降低糧食溫度，能確保糧食達到安全儲存的目的。機械通風具有良好的降溫效果，但是投資成本太大，在通風過程中也可能會出現能耗高和通風不均勻的現象。李偉[9]利用計算流體動力學(Computational Fluid Dynamics，CFD)軟件對地下糧倉進行環形通風道機械通風模擬實驗，提出了地下倉通風道的優化設計，使得糧堆的通風均勻性更高，得到了優化的地下糧倉儲糧熱濕環境。GARG等[10]使用CFD軟件模擬分析了的圓筒倉中糧粒非均勻分布時通風時糧倉內部流場的分布規律。邱化禹[11]基于多孔介質傳熱傳質理論，采用真實的實驗驗證平臺和數值模擬技術，對某糧庫采用充氮氣調技術研究氮氣在糧倉內的分布擴散規律，利用實驗平臺的結果驗證了數值模擬結果的準確性。

多物理場仿真軟件COMSOL廣泛應用于各個領域的科學研究以及工程計算，模擬科學和工程領域的各種物理過程。潘鈕等[12]利用COMSOL軟件模擬了儲糧的溫度，發現受溫度的影響會在糧堆內部產生微氣流，是引起糧堆內水分變化的主要因素。祁智慧等[13]利用環流控溫技術研究了吉林省某高大平房倉內稻谷降溫效果，發現采用環流控溫加以覆蓋棉被，可有效控制糧堆內的溫、濕度，保持儲糧品質，減少蟲害的發生。谷冷機是一種保證在濕熱地區長期安全儲糧的理想工具，可以在不提高吹入空氣濕度的情況下降低谷物溫度。申志成等[14]針對進口大豆夏季不宜儲存的現狀，運用分離式谷冷機低溫儲糧技術對大豆進行了降溫保水通風實驗，發現采用谷冷機通風可明顯降低整體糧溫，糧倉上部空間經谷冷機送風進行冷卻，使得糧面與冷風的接觸面積更大，采用谷冷機冷卻通風的糧堆溫度均勻性更好。張曉培[15]以橫向通風為基礎，研究了谷冷機技術對玉米的通風降溫實驗規律，發現采用橫向谷冷降溫技術對玉米進行降溫的效果非常有效，同時也具有較高的通風均勻性。胡智佑等[16]針對夏季外界氣溫較高、無法使用機械通風降溫的情況，利用谷冷機降溫技術對淺圓倉中的糧食進行了通風實驗，結果表明谷冷機降溫技術有明顯的降溫效果，是糧食實現安全度夏的有效手段之一。

針對我國南方地區夏季高溫高濕的情況，文章以高大平房倉為研究對象，建立了風口在不同位置的兩種倉型的物理模型，并基于多孔介質流動理論，建立了糧堆(稻谷)內通風過程的數學模型，模擬了進出風口布置對控溫效果的影響，并對比分析了模擬結果與實驗數據，以驗證模型的正確性，進而研究了兩種通風口布置方式下的通風均勻性和能耗。

1 高大平房倉物理模型

高大平房倉如圖1所示。倉房長為40 m，寬為20.7 m，倉頂高為10.52 m，倉內裝有水分含量為14%的稻谷，裝糧高度為5 m。將糧堆劃分為5個糧食區域(自下至上)，糧食區域I~V距離倉底分別為0.30、0.30~1.77、1.77~3.24、3.24~4.70、4.70~5.00 m的空間，而糧食區域V也稱為糧堆表層。除了已劃分的5個糧食區域，模型堆糧線以上的空間定義為空氣區域。

圖1 高大平房倉實物圖

1.1 高大平房倉通風物理模型

在糧倉上部適當位置布置風口，在夏季高溫時引入冷空氣對頂部高溫區域進行降溫，空調通過風機將室外空氣吸入專用空調內，經過處理后送入倉內空氣區域，冷空氣滲入糧堆完成通風冷卻過程。風口布置可選同側布置與異側交替布置，其對應的高大平房倉物理模型如圖2所示。x向為寬度方向，方向為北；y向為長度方向，方向為西；z向為高度方向。送、回風口中心位于z＝6.3 m的高度。同側北外墻設置3臺空調，風口為單側布置；異側倉北外墻設置2臺空調，南外墻設置1臺空調，風口為異側交替布置，且風口5、6與同側倉風口4、3在空間上對齊?？照{送、回風口通過聚氯乙烯(Polyvinyl Chloride，PVC)管道經通風口伸入倉內，送風口與回風口間距2 m，其直徑均為0.25 m。

圖2 不同風口布置方案的高大平房倉通風物理模型圖

1.2 高大平房倉對比通風網格劃分

采用數值模擬前處理軟件GAMBIT進行網格劃分，網格采用非結構性網格的四面體網格，在通風口和送、回風流經區域處加密，同側布置與異側交替布置網格劃分數大致相同，約為79萬。選取3個代表性的截面，x軸上選取2個截面，分別是x1＝20.70 m、x2＝10.35 m截面，其中前者是風口所在截面，后者是中截面；y軸上選取中間截面(y＝20 m)進行展示。網格劃分情況如圖3所示。

圖3 高大平房倉網格劃分圖

2 數學模型及定解條件

谷堆是典型的多孔介質，可以把糧倉冷卻通風過程視為多孔介質區域與上層空氣區域進行熱濕耦合傳遞的過程。

2.1 連續性方程

通風過程中空氣在糧堆內流動，根據能量守恒定律建立糧堆內連續性方程，由式(1)表示為

式中ε為孔隙率，%；ρa為空氣密度，kg/m3；t為通風時間，s；u為空氣的表觀速度或達西速度，m/s；?為哈密頓算子。

2.2 氣體流動的動量方程

糧堆內氣體流動過程中的強迫對流及其阻力滿足動量守恒原理，其方程由式(2)表示為

式中為速度矢量，m/s；p為壓力，Pa；μ為空氣黏度系數，Pa·s；Si為動力源相，是糧堆阻力相。

2.3 對流換熱方程

糧堆內的傳熱過程滿足熱力學第一定律，根據能量守恒定律與熱平衡原理可建立通風時糧堆內部對流傳熱方程，由式(3)表示為

式中ca、cw、cg分別為空氣、水和糧食的比熱，J/(kg·K)；ρd為糧食密度，kg/m3；Wd為糧食的含水量；Hw是糧食中因水分含量變化而產生的熱量值，可忽略不計；Keff為糧堆的有效導熱系數，W/(m·K)；T為溫度，K；Sh為熱源項，即糧食吸濕和解吸濕時產生的熱量。

2.4 數值模擬方法和模擬參數設置

考慮糧堆降溫的不均勻性，結合實際糧倉的具體數據，為5個糧食區域和空氣區域賦予不同的初始溫度進行數值模擬，共控溫28天。為了防止迭代過程不收斂或者數值不穩定，采用欠松弛技術。

稻谷導熱系數為0.16W/(m·K)，比熱容為14 871 J/(kg·K)，容重為600 m3/kg，孔隙率為0.5。初始條件和邊界條件設置:糧食區域Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ的溫度分別設置為15、20、23、26、28℃，空氣區域溫度設為30℃；采用速度入口邊界條件，入口風速為14 m/s，入口氣溫為12℃，入口總風量為7 422 m3/h；出口采用壓力出口條件；壁面設置為絕熱邊界條件。

2.5 數值模擬結果的可靠性分析

選擇同側倉、異側倉與實驗倉控溫5天的數據繪制表層平均糧溫隨時間的變化對比圖，如圖4所示。同側倉、異側倉表層平均糧溫與實測表層平均糧溫的溫差在2℃以內，在可接受范圍之內。數值模擬值與實驗比較接近，所以模擬結果是可靠的。

圖4 通風1~5天表層平均糧溫變化對比圖

3 數值模擬結果分析

3.1 速度場及流場

同側布置通風與異側交替布置的高大平房倉控溫28天后速度場及流場分布如圖5所示。由圖5(a)和(b)可以看出在通風的第28天，同側布置倉內通風死角較多，通風氣流形成多個渦流，各處氣流速度差異明顯，流場分布很不均勻。同側倉靠近南墻處渦流形成的原因是北外墻垂直向南送出的氣流到達南墻時被阻擋，反彈之后形成數個渦流，使該處擾動增強，糧食降溫明顯，但是在渦流邊緣和兩個墻角處產生通風死角，也導致整體糧倉降溫不均勻。由圖5(c)和(d)可以看出，異側倉通風死角少，各處氣流速度差異小，糧面氣流形成的渦流少，糧面流場分布均勻。

圖5 通風第28天同側倉、異側倉通風流場分布圖

3.2 溫度場

同側倉通風第5、10、28天的溫度分布云圖如圖6所示。由圖6(a)可看出，通風第5天時，倉內空氣區域溫度降至12.9℃，降幅達17.1℃。表層糧食平均溫度下降至16.9℃，其降幅明顯。由圖6(b)可知，通風第10天，糧倉表面平均溫度為15.1℃，降低了1.8℃，表面糧層最高溫度約在x＝17 m截面處，因為該處氣流形成渦流，導致旋渦邊緣產生通風死角，故降溫速率比周圍小，其溫度為15.9℃，處于風口所在截面表面糧層最低溫度為14.9℃。由圖6(c)可知，通風第28天，表面糧層平均溫度為14.5℃，降幅達0.6℃，風口所在截面最低溫度為13.9℃。隨著通風時間的增長，空氣區域溫度先是迅速下降，而后降幅逐漸減小并趨于平穩。在北墻(靠近送風口處)和南墻處的表層糧溫有逐漸降低的趨勢，糧堆中部區域溫度逐漸減小，整個表層糧溫越來越均勻。冷卻界面滲過糧堆表層逐漸下移進入糧堆底部，完成冷卻。通風結束時，大部分表層糧溫降至15℃以下，達到了低溫儲藏的狀態。

圖6 同側倉通風溫度分布云圖/K

異側倉通風第5、10、28天的溫度分布云圖如圖7所示。由圖7(a)可看出，通風第5天，倉內空氣區域溫度下降至12.9℃，其降幅為17.1℃。由圖7(b)可知，通風第10天，表層糧食平均溫度下降至16.4℃，降幅明顯，表面糧倉平均溫度為14.7℃，其降幅為1.7℃，表面糧層最高溫度約在靠近南外墻y＝37 m的旋渦處，漩渦導致該處產生通風死角，故降溫速率比周圍的小，其溫度為16.9℃，表面糧層最低溫度處于風口所在截面，為15.9℃。由圖7(c)可知，通風第28天時，表面糧層平均溫度為13.7℃，其降幅1℃，處于風口所在截面的最低溫度為12.9℃。在北墻(靠近送風口處)和南墻處的表層糧溫有逐漸降低的趨勢，糧堆中部區域表層糧溫逐漸減小，降幅分別為2、1℃，大于同側倉在中部區域表層糧溫的降幅，整個表層糧溫越來越均勻。冷卻界面滲過糧堆表層逐漸下移進入糧堆底部，完成冷卻。通風結束時，大部分表層糧溫降至15℃以下，達到了低溫儲藏的狀態。

圖7 異側倉通風溫度分布云圖/K

同側倉、異側倉表層糧堆溫度隨時間的變化如圖8所示。由圖8(a)可知，與第5天相比，同側倉通風第8天，表層糧溫降幅為1.3℃，而高度為4.7、5.0 m截面處糧溫降幅分別為1.8、1.3℃。通風第16天比第12天的表層糧溫降低了0.3℃，高度為4.7、5.0 m截面處糧溫降幅分別為0.4、0.2℃。對比可知，通風開始時，同側倉表面糧層溫度降低速率高，降幅最高可達0.6℃/d(糧高4.7 m處)，最低為0.43℃/d。隨著通風時間的增長，同側倉通風第12天至16天，表面糧層溫降逐漸降低平緩，最高為0.1℃/d。由圖8(b)可知，異側倉通風第5天至第8天，表層糧溫降幅為1.8℃，高度為4.7、5.0 m截面糧溫降幅分別為2.1、1.1℃；通風第12天至第16天，表層糧溫降幅為0.4℃，高度為4.7、5.0 m截面的糧溫降幅分別為0.3、0.1℃。異側倉通風第5天至第8天，表層糧溫最高溫降可達0.7℃/d(糧高4.7 m處)，最低溫降為0.37℃/d。隨著通風時間的增長，表面糧層溫降規律與同側倉相同，通風第5天起，隨著通風時間的增加，同側倉、異側倉的溫降逐漸變小，各層糧溫趨于穩定，逐漸趨于平緩。對比可知，通風第5天至第8天，異側倉的表層糧溫降幅總是略高于同側倉，低一層糧溫的降低程度要高于上層糧溫。上一層糧食的溫降總高于下一層糧食的溫降，原因是上層糧食處于通風沿的上層，通風阻力小。

圖8 同、異側倉表層糧堆溫度隨天數的變化曲線圖

3.3 不同風口布置方式的通風降溫均勻性對比

糧堆表面糧層內部在高度z為4.7、4.8、4.9、5.0 m截面處，共設置4層監測點，每層監測點布置如圖9所示，每層4個角點距離墻面0.5 m，均勻設置78個監測點，有利于檢測糧堆冷卻通風的均勻性。

圖9 監測點水平面布置示意圖

谷堆的冷卻通風均勻性是一個介于0到1之間的數值，用γ表示，均勻性越好，數值越大，通風越全面、越均勻，其值可由式(4)表示為

式中Tm為整個糧倉的平均溫度，℃；Ti為監測點的糧食溫度，℃；n為選擇的監測數據的個數。

利用監測的312個監測點數據計算出兩種布置方式通風的溫度均勻性數值，見表1。在通風的第5、28天，同側布置的通風均勻性指數小于異側交替布置的均勻性指數，說明風口異側交替布置通風效果更好。同側倉、異側倉在通風第28天的均勻性指數均比通風第5天的均勻性指數小，且異側通風第28天的均勻性指數最小，說明通風時間的長短會影響均勻性指數的大小，但是不會影響兩種倉型的控溫效果。

表1 兩種布置通風方式的均勻性數值表

谷物冷卻通風的單位能耗是用來評判谷物冷卻降溫效果的指標，其值越小，效率越高。選取通風1~5天的糧溫數據計算同側布置和異側交替布置通風的單位能耗。谷物冷卻通風過程中的單位能耗由式(5)表示為

式中E為控溫通風的單位能耗，kW·h/(℃·t)；∑W為降低能量的總耗電量，kW·h；T1為控溫通風前的平均糧溫，℃；T2為控溫通風后的平均糧溫，℃；G為糧食總重量，t。

經計算，風口異側直線布置通風的單位能耗為0.072 kW·h/(℃·t)，風口同側布置通風的單位能耗為0.075 kW·h/(℃·t)，高于異側倉單位能耗，所以風口異側交替布置通風單位能耗更低，谷堆控溫效果顯著，糧堆控溫通風均勻性更好。

4 結論

以高大平房倉為研究對象，采用數值模擬的方法，研究了糧倉進出風口布置對控溫效果的影響，對比分析了兩種通風口布置方式下的通風均勻性和能耗，得出的主要結論如下:

(1)風口同側布置與風口異側交替布置通風糧堆表層平均溫度變化趨勢基本一致，且風口同側布置表層平均糧溫、風口異側交替布置表層平均糧溫與實驗實測表層平均糧溫的差值在2℃以內，數值模擬值與實驗比較接近，驗證了模型的可靠性。風口同側布置通風時，糧堆上存在多個渦流，所以溫度降低較小，且在空氣區域也存在多個高溫區域，但在經過28天的通風后，與糧堆平均溫度的偏差在允許范圍內。風口異側交替布置時，個別高溫點在空氣區域以下的糧堆中部，對整個糧堆的溫降幾乎沒有影響，經過28天的通風后，糧堆溫度降至合理的安全儲糧要求溫度。

(2)風口異側交替布置通風與風口同側布置通風相比，通風均勻性系數更高，單位能耗也更低，說明風口異側交替布置通風更加均勻，并且能夠更快地達到低溫狀態。綜合考慮同側布置通風與異側交替布置通風方式谷物通風的均勻性指數和單位能耗，高大平房倉風口異側交替布置可減少通風過程中的成本和能耗，所以風口異側交替布置通風谷堆控溫效果顯著，更具有優勢。