淺圓倉控溫技術的研究進展

李 杰，宋春芳，楊 東，石天玉

(國家糧食和物資儲備局科學研究院糧食儲運國家工程研究中心1，北京 100037) (江南大學機械工程學院；江蘇省食品先進制造裝備技術重點實驗室2，無錫 214122)

糧食安全事關國運民生。據統計，2020年我國糧食產量達6.7億t。但我國幅員遼闊，糧食生產和人口分布的區域差異顯著，主產區空間上相對集中，全國大部分地區難以達到產銷平衡，為確保全國糧食安全和應對重大突發事件，我國建有標準糧食倉房6.8億t，每年全國糧食物流調運規模為5億t以上，其中跨省物流約占48%。糧食產后“收儲運”環節的節糧減損、提質增效，任務艱巨、意義重大。糧食儲運過程中溫濕度控制，對維持糧食品質至關重要。控溫儲糧技術是根據當地氣候特點對倉房圍護進行隔熱改造，秋冬季通風降溫，春季保溫延緩溫度上升，夏季機械控溫和谷冷[1]。控溫技術能夠儲有效抑制糧食籽粒的呼吸代謝、抑制糧堆內有害生物的生命活動，減少經濟損失，降低化學藥劑及蟲霉污染[2],已經成為糧食儲藏技術的主要發展方向[3]。

淺圓倉自20世紀90年代引入我國，已成為國內新倉建設的主流倉型。與傳統平房倉相比，淺圓倉占地面積小，具有更好的受力結構、隔熱氣密性優異，儲糧性能得到了極大的改善和提高[4]，同時具有更高的機械化程度，進出倉效率高。

針對淺圓倉的控溫技術已經有了大量的研究。隨著谷物冷卻機、智能通風等技術的應用和不斷完善，不同儲糧生態區也針對所在地區的自然氣候條件建立了各具特色的低溫、準低溫及控溫儲糧技術。本文綜述了我國淺圓倉儲糧控溫技術的研究進展及適合各生態儲糧區的控溫技術，并分析了淺圓倉控溫技術未來的發展方向。

1 淺圓倉保溫隔熱及氣密性要求

1.1 隔熱保溫技術

淺圓倉控溫技術中，隔熱保溫是基礎，只有在良好的隔熱保溫基礎上其他的控溫措施才是有意義的。保溫材料是影響倉房圍護熱工性能的主要因素，常用保溫材料的特性參數如表1所示。袁育芬等[5]通過熱平衡計算以及對倉溫影響因素的分析，提出了對不同儲糧區域要進行不同的保溫隔熱措施。《糧油儲藏技術規范》[6]對淺圓倉的隔熱性能提出了要求。不同區域的隔熱要求和保溫隔熱措施應用情況如表2所示。

王薇[14]對淺圓倉進行實測發現70%左右的熱量是由倉頂傳入。由此看出，解決好倉頂隔熱問題是淺圓倉隔熱保溫的關鍵。淺圓倉倉頂大多采用發泡聚氨酯和隔熱反光涂料相結合的方法，取得了良好的保溫隔熱效果[15]。此外，采用外墻保溫隔熱和倉頂噴淋等技術也能夠取得較好的隔熱效果。

淺圓倉在夏季受太陽輻射影響容易形成“熱皮冷心”的現象，倉壁的隔熱效果不佳將直接影響倉內沿壁部分的糧食品質[16]。通過對倉壁結構的設計優化和噴涂隔熱保溫材料[17]能夠緩解淺圓倉的“熱皮冷心”現象。各儲糧區在選擇隔熱保溫措施時還要因地制宜，施國偉等[18]研究了華南地區鋼筋混凝土倉壁有無氣磚隔熱層的保溫效果，發現二者并未有明顯差異，而采取混凝土層外設置 50 mm聚氨酯發泡隔熱層的方法，不僅成本較低，且隔熱效果較好。

表1 常用保溫材料的特性參數

表2 不同儲糧區域保溫隔熱措施[7]

1.2 氣密性

糧倉氣密性是指糧食倉房對氣體的密封性能。氣密性將直接關系到其他儲糧控溫技術的實現效果，進而影響儲糧品質安全，是糧倉控溫技術的重要環節。根據GB/T 25229—2010《糧油儲藏平房倉氣密性要求》[19]中一級氣調倉從500 Pa下降到250 Pa的壓力半衰期不應小于5 min的要求，我國淺圓倉與國外的筒倉氣密性標準相比仍存在差距。隨著對糧倉氣密性認識的深入，一些淺圓倉通過對倉房的氣密性改造，能夠將倉房氣密性提升到15～30 min，遠超過現有標準[20]。目前對淺圓倉氣密性的研究大多集中在對氣調技術的影響，缺少在糧倉氣密性對通風降溫、內環流控溫和對糧倉保溫性能的影響等方面的研究，加深對糧倉氣密性的全面研究與認識，將有助于制定適用于當前糧倉儲糧狀況的氣密性標準。

2 淺圓倉通風控溫技術

通風降溫是降低糧食儲藏過程中損失的一種有效且環保的辦法，根據通風方式分為自然通風和機械通風。淺圓倉通風系統通常由風機、連接管、倉下通風口、倉內風道、倉頂通風孔(包括自然通風孔和軸流風機)等部分組成，其結構示意圖如圖1所示。

圖1 地槽通風系統結構示意圖[21]

2.1 自然通風

自然通風是指在低溫季節，選擇氣溫較低、空氣干燥的時機，利用糧堆內外的熱壓差、風壓差進行自然通風，外部冷空氣被送入糧堆內部，從而降低糧溫和倉溫[22]。

2.2 機械通風

機械通風是指使用風機和通風管道系統，將自然冷源即冷空氣強制送入糧堆，促進糧食儲量溫度的均勻和降低[23]，將糧食水分控制在合理范圍內，保障糧食儲藏安全。

2.2.1 地槽通風

為提高機械化程度，淺圓倉底部通常為平底結構，基本采用地槽風道，常見的風道形式如圖2所示。根據目的可以將通風分為降溫通風、降水通風和調質通風。針對不同的通風目的，應當采用不同通風方式，在此過程中，通風時機的選擇至關重要。吳子丹[25]建立的糧食通風窗口理論對于指導糧倉機械通風具有指導意義。

圖2 常見風道形式[24]

各地淺圓倉實倉機械通風實驗中，通風過程通常需要一周以上的時間，費時費力。隨著計算流體力學的發展，通過采用不同分析方法和假設數學模型，國內外學者對糧倉通風數值模擬進行了大量的研究，如表3所示。數值仿真大多研究單一地槽類型通風過程中糧堆內的溫度和水分的變化，在各地糧庫的實倉通風實驗中，更關注風機的類型和功率對通風效果的影響，而針對風道形式對降溫通風的影響研究較少，研究現有不同地槽類型通風時糧堆內部熱濕分布的特點繼而對地槽風道進行優化升級具有重要意義。

2.2.2 徑向通風

國內淺圓倉的通風方式基本為地槽通風，但是由于淺圓倉糧堆高，存在通風阻力大、通風時效率低，通風后水分、溫度分層明顯的問題。因此，在此基礎上淺圓倉的徑向通風技術國家糧食局和物資儲備局科學研究院對通風阻力進行了研究，其結果如表4所示，其中垂直方向上的通風阻力最高達到水平方向的2.6倍。在通風過程中，氣流的熱濕交換能力與單位面積通風量的0.49次方成正比，因而在相同熱濕交換速度時，徑向通風可以選取更小的風速。可以看出，淺圓倉徑向通風技術不僅能夠解決地槽通風存在的問題，而且能夠降低通風過程中能源的消耗，具有良好的發展前景。

表3 糧倉通風數值仿真研究

國內外學者在徑向通風技術的研究上已經取得了一定的進展。Chelladurai等[33]通過研究筒倉水平方向上的通風干燥系統，發現氣流由中心向外均勻、各方向干燥均勻。Nwaiz等[34]和戚禹康等[35]對淺圓倉徑向通風的氣流分布及支風道數量進行了研究，發現在通風過程中糧堆內部存在通風死區，雖然支風道數量的增加能夠對其進行一定優化，但不能完全消除。張修霖等[36]在淺圓倉徑向通風模擬中發現，中心集風管頂部密閉且采用吸出式通風時的通風方式具有更快的降溫速度。武傳森等[37]在數值仿真的基礎上，進行了淺圓倉徑向通風實倉改造實驗，其徑向通風示意圖如圖3所示，結果表明，該系統提高了淺圓倉通風均勻性，減少了水分損失。

雖然淺圓倉徑向通風技術已經取得了一定效果，但是這項技術還處于探索實驗狀態，需要更多研究來完善。在徑向通風對不同糧種的通風效果、淺圓倉內通風管網的設計與優化以及徑向通風技術與谷冷、環流、熏蒸等技術的結合等方面仍然需要深入研究。

圖3 徑向通風示意圖[37]

3 淺圓倉機械制冷控溫技術

3.1 空調制冷控溫技術

空調控溫是將空調機制備出來的冷氣流送入糧堆空間降低倉溫，從而降低糧堆上層溫度的方法。空調控溫技術操作簡單、管理方便，是一項效果明顯的控溫儲糧技術[38]。傳統的空調控溫采用分體式家用空調或者是工業空調，在使用過程中存在不耐腐蝕、不防塵、不防爆和降水明顯等不足[39，40]，糧倉專用空調的出現解決了這些問題。目前空調控溫在全國各儲糧區均有應用，但均存在耗電量較大的問題，探究適用于各地區的控溫方法是空調控溫的一個重要方向。在高溫高濕區域已有采用空調控溫與谷冷技術相結合[41]、在冬季冷源充足地區與內環流技術相結合[42]的技術出現并取得了良好的應用效果。控溫技術是一項綜合技術，探究空調控溫與其他控溫方式的結合具有重要意義。

表4 不同糧種的糧堆各向異性阻力實驗結果對照

3.2 谷冷冷卻技術

谷物冷卻機利用機械制冷的方式將空氣進行冷卻降溫和濕度調節，輸出恒溫恒濕空氣到糧堆，從而降低糧溫，具有不受環境氣候影響且在使用中糧食水分損失少的特點[43]。劉啟航等[44]對全國7個儲糧區谷冷機的使用情況進行了分析研究，得出結合我國區域氣候，谷冷機控溫能夠實現良好儲糧效果的結論。但是，在實際使用過程中出現北方對機械制冷需求不高，谷冷機常閑置不用，而南方氣候炎熱，谷冷機需要對糧倉多次復冷，能耗過高，導致谷冷機僅在糧情異常時才被使用的現象[45]。實際上，通過合理選擇谷冷時機[46]和采用智能冷卻通風系統[47]能夠有效降低能源消耗。此外，對現有谷冷技術進行優化，采用環流谷冷技術一次作業能夠用節省用電3 000 kW·h[48]。

結合我國各儲糧區氣候特點，對自然冷源相對充足的華北、華中及東北地區，建議保留一定數量的谷冷機以備糧情異常；對氣候干旱的西北地區，通過谷冷機實現降溫保水，可以避免機械通風時水分的大量流失；對于華南高溫高濕儲糧區，通過對谷冷機的科學使用確保在控溫的同時降低成本。

3.3 新型制冷控溫技術

3.3.1 熱泵技術

地源熱泵利用穩定的地熱能(地下水或土壤)，在冬季將地下儲存的熱量輸送到建筑中，在夏季將熱量輸送到建筑外[49]，其工作示意圖如圖4所示。由于其對空氣、水和土地均沒有污染，最大限度地解決了環境污染問題，符合綠色生態、低碳儲糧技術的要求，目前在低溫儲糧技術中也有所采用。通過對不同控溫技術能耗的對比分析[50，51](表5)，可以看到地(水)源熱泵技術能耗更低。經調查，我國淺層地熱能資源豐富[52]，但受限于開發成本過高，實施標準不健全等原因，目前在糧倉中應用并不廣泛，未來隨著地源熱泵技術的發展，地源熱泵技術在糧倉中具有良好的應用前景。

圖4 地源熱泵工作示意圖

2.3.2 太陽能制冷控溫技術

太陽能是一種綠色環保的可再生能源，我國在太陽能制冷領域研究處于世界領先位置[53]。太陽能制冷具有節能環保的優點，其制冷途徑分別是太陽能光電轉換“以電制冷”和太陽能光熱轉換“以熱制冷”。光熱轉換制冷還分為太陽能吸收式制冷和太陽能吸附式制冷。太陽能吸收式制冷技術較為成熟，其原理是基于制冷劑氣體的吸附能力隨溫度的變化而變化的吸附制冷，在降低表層糧溫上取得良好的效果[54]，但是存在光電轉化效率低、技術難度大和制造成本高等問題[55]，難以推廣。我國太陽能資源豐富且分布廣泛，特別是在西藏及青海地區，年均輻射高達7 000 MJ/m2，隨著技術發展進步，太陽能制冷技術將有著良好的應用前景。

4 內環流控溫技術

內環流控溫系統示意圖如圖5所示，通常由環流風機、環流管道、溫度傳感器、濕度傳感器和控制系統組成。內環流控溫技術是利用糧堆在冬季儲存的冷量，在夏季高溫階段，將倉內糧堆內部的冷量用內環流風機抽出，再通過環流管道送入倉內，從而降低糧堆表面溫度，達到(準)低溫儲糧、綠色儲糧的目的。在華北、東北和西北地區，冬季溫度低、時間長，糧堆能夠在冬季積攢足夠冷源，在一些地區甚至僅靠冬季蓄冷，夏季內環流控溫即可實現低溫儲糧。然而，在東南、華南等高溫高濕地區，由于冬季時間短且溫度高，難以利用自然冷源積攢足夠冷量，因而內環流技術在南方的應用較少。高溫高濕地區的內環流控溫可以考慮與制冷技術相結合，馬倩婷等[57]研究了內環流控溫技術在長江以南區域的應用，內環流控溫后全倉平均溫度低于20 ℃，表層糧溫小于25 ℃，均溫效果良好。

表5 低溫儲糧技術能耗對比

圖5 內環流控溫系統示意圖[56]

5 總結與展望

淺圓倉控溫儲糧是一項集合多種控溫手段的集成儲糧技術，能夠有效控制糧溫，保證糧食品質，減少化學藥劑的使用，是一種綠色保質儲糧技術。各儲糧區在運用控溫技術的過程中發展出了各具特色的控溫方法，取得了良好的儲糧效果。但是目前還存在一些問題需要解決。

在淺圓倉結構上，為了降低外界溫度對倉內的影響，雖然研發了許多不同的保溫隔熱墻體結構，如在墻體內部預置保溫材料、采用空心磚、氣磚隔熱層以及采用管道降溫等，然而這些墻體結構實際的保溫隔熱性能，如傳熱系數等，缺少實驗數據的支撐和統一的測評標準，不利于標準化推廣應用。隨著技術的發展，大量已有倉房在氣密性上沒有同步提升，達不到保質保鮮儲藏的要求，因此對現有倉房及新建倉房的整體保溫氣密性應當足夠重視。倉房氣密性會隨著使用時間的增長而衰減，需要按儲糧周期對倉房進行氣密性檢測維護，及時處理倉房漏氣部位能夠提升倉房氣密性50%以上。在氣密性標準的修訂上，可以參考國外現有的標準，對淺圓倉氣密性提出更高的要求。在保溫材料上，對現有保溫材料的運用缺乏標準，保溫材料的選用大多以企業為主導，施用工藝也大多依靠經驗。因此在保溫材料選用以及施工工藝上，需要對各儲糧區進行標準的制定，使保溫隔熱工藝更加規范化。此外要加強保溫材料的基礎性研究，研發出更優異的保溫隔熱材料。我國的太陽能、風能和地熱能資源豐富，但是由于新能源技術在糧庫應用處于起步階段，且以光伏發電為主，需要更進一步研究清潔能源在低溫儲糧、儲糧干燥等儲糧技術方面的應用。

機械通風技術基礎理論研究需要加強，利用數值仿真技術建立合適的數學模型，合理優化現有地槽通風、空間控溫、糧堆環流通風等通風降溫儲糧技術，并研究最優淺圓倉徑向通風技術。