高大平房倉強制循環雙層屋面隔熱性能的模擬實驗與數值分析

陳 雁， 王曉東， 關彥成， 肖昭然， 崔偉華

(河南工業大學土木工程學院，鄭州 450001)

溫度是儲藏過程中影響糧食品質的重要物理指標[1]。隨著儲藏溫度的升高，稻谷發芽率、整精米率、出糙率及過氧化氫酶活動度均呈現下降趨勢，改變儲藏溫度以及空氣相對濕度，對大米糊化特性將產生不同程度的影響[2，3]。已有研究發現，在儲藏過程中通過糧倉圍護結構傳入倉房的熱量約有80%源自倉頂，且主要為太陽輻射得熱，采用有效的屋面隔熱措施是儲藏過程中延緩糧堆溫升的重要手段[4]。居住建筑中利用雙層屋面進行隔熱取得了較多研究成果[5-9]。Giacomo等[10]運用Fluent比較了居住建筑不同高度雙層屋面開閉式工況隔熱效果，指出即使開口高度僅有5～10 cm，產生自然對流的效果也明顯優于閉式工況。Abdou 等[11]通過數值計算方法分析了雙層屋面間自然對流換熱的隔熱性能。周胤[12]與趙黎[13]通過數值模擬分析了居住建筑不同高度、板面溫度、入口風速工況下雙層平板間溫度、速度場分布。Biwole等[14]通過模擬研究了架空層高度、板面輻射率對架空層內自然對流強度以及板面溫度影響，認為影響架空層隔熱性能主要因素包括架空板、屋頂輻射率、隔熱板厚度及架空層凈高度，當凈高度超過10 cm時架空層內不會出現明顯自然對流。糧食倉房與居住建筑相比，房屋結構存在較大差異，屋面坡度、跨度和投影面積比等外形幾何特點以及承重抗風性能等方面也有諸多不同。雙層屋面在糧食倉房中應用，尚需考慮儲糧環境與人居環境的溫度參數控制不同以及由此采用的室內氣流組織所帶來的影響[15-18]。研究雙層屋面通風隔熱的效果，需要結合倉房內的糧堆參數進行[19-22]。外部熱環境通過屋面、墻體等圍護結構對倉房內的溫、濕度參數產生影響，糧食本身由于呼吸作用也會使糧堆參數發生改變[23，24]，要實現有效的控制反饋，進而采取通風等措施使糧溫穩定在期望水平，就需要對這一過程進行合理、準確的預測。本實驗在前期對倉房屋面自然通風隔熱研究的基礎上[25]，基于實倉測試數據和相似準則，建立模擬實驗倉，并考慮現役倉房屋面改造后抗風性能和荷載要求，通過設置軸流風機來強化架空層內空氣流動，根據模擬實驗與CFD軟件數值分析結果，提出可供設計參考的倉房屋面隔熱結構與運行參數。

1 實驗系統與方法

1.1 實驗系統設計

實驗系統根據相似原理設計[26]，由模擬平房倉與數據測量系統組成，如圖1所示。模擬平房倉長、寬和檐高均為1 m，儲糧高度為0.6 m，倉頂與水平面夾角21.8°，倉頂結構與實際儲糧平房倉幾何相似，如圖2所示。實驗采用2019年產未脫殼秈稻，與實際儲存介質的物理性質一致。模擬倉房材料為8 mm厚有機玻璃，倉壁外敷設2 cm厚保溫隔熱棉。根據鄭州地區實際輻射特點，采用等量日輻射照度設定屋面輻射板強度，通過調節輻射板功率將儲藏周期分為3個過程，即1.5 h低輻射量(355 W/m2)、3 h高輻射量(660 W/m2)和1.5 h低輻射量來模擬實際儲藏過程中一日之內屋面輻射變化特點，與相似實驗邊界條件要求相匹配。倉底布置送風地籠，地籠直徑0.05 m，采用2 mm厚度PVC管材制做，壁面均勻開設直徑4～5 mm送風孔，送風地籠通過三通等構件在倉內底部形成“口”字形送風道，以均勻送風。在倉頂上方架設8 mm厚有機玻璃板形成雙層屋面，兩層面板之間通過12根直徑10 mm的有機玻璃圓柱支撐。屋脊上方架空板中心位置開有兩個直徑80 mm的通風口，該位置通過螺栓固定軸流風機，對架空層進行機械通風。

注：1 數據記錄儀；2 數據采集儀;3 輻射板;4 軸流風機;5 自然通風窗口;6 冷風輸入管;7 冷風機;8 通風地籠。圖1 實驗系統原理圖

圖2 實驗倉實體結構(未裝糧)

模擬實驗主要測量設備包括34970A溫度采集儀、Rotronic 濕度采集儀以及手持風速儀，數據測量精度分別為0.01 ℃、0.01%RH及0.01 m/s，每隔30 s采集一次數據。糧堆內部共布置27個測溫點，分為3層，距離地面高度分別為0.15、0.4、0.55 m，每層9個測溫點分別位于該層中心以及近壁面0.15 m處，如圖3所示；另設置倉內空氣測點，倉頂、架空板溫度測點以及外界環境溫度測點。模擬實驗倉內設2個濕度測點，分別位于糧堆與倉內空氣中心。

注：1 倉外環境；2 架空板;3 有機玻璃倉頂;4 倉內空氣;5 儲糧線;6 Ⅰ層測點;7 Ⅱ層測點;8 Ⅲ層測點。圖3 實驗平房倉中溫度測點布置圖(單位：mm)

1.2 對比實驗分組

實驗倉底設置通風地籠對糧堆進行溫度控制，使每組實驗糧堆初始溫度接近一致。根據架空層設置與否將實驗分為無架空層自然儲藏和設置架空層兩種情況，共13組。實驗過程中，主要控制參數為架空層層間凈高度(0.05～0.10 m)及架空層進口風速v，具體分組參數如表1所示。

表1 架空層實驗變量設計

2 實驗結果與分析

2.1 無架空層自然儲藏狀態溫度場分析

倉頂溫度與輻射強度呈現相同的變化趨勢：升溫過程中，低輻射量條件下倉頂溫度在45.2～47.3 ℃之間，高輻射量條件下升高至55～57.2 ℃；隨著倉頂熱量的傳入，倉內空氣溫度逐漸升高至34.6 ℃，如圖4所示。倉內空氣升溫速率由實驗初始時的3.6 ℃/h逐漸降至終了階段的0.2 ℃/h，表明在接近實際輻射條件的高溫環境下，倉內空氣溫度升高存在一定的限度。糧溫變化趨勢與倉內空氣基本一致(圖5)。由于糧堆導熱系數較小(0.167 W/m·K)，屋面輻射熱進入倉內后沿垂直方向衰減較快，不同糧層溫度平均值存在明顯差異。Ⅰ層糧溫均值分別高出Ⅱ層、Ⅲ層約6.3 ℃和8.1 ℃，表明糧堆中、下部受倉頂輻射影響較小，儲藏溫度較為穩定。

圖4 倉內溫度、倉頂溫度及環境溫度

圖5 各層糧堆平均溫度

2.2 層間凈高度對隔熱效果的影響

本組實驗采用2種不同對比風量G，分別設置為60 m3/h和114.6 m3/h。由自然儲藏對照倉結果可知，在實驗熱環境下，倉頂、倉內空氣以及糧堆上部溫度明顯升高，中下部溫度變化較小。依據上部溫度變化可判斷強制循環屋面的隔熱效果。倉頂外側同時存在架空板-倉頂之間的輻射傳熱和倉頂-層內空氣對流換熱兩種過程。架空層凈高度對兩個過程均有影響：給定層間風量時，層間凈高度增加使層內主流風速降低，倉頂表面對流換熱系數下降，通過空氣流動使倉頂降溫的效果變差；另一方面，層間凈高度增加后，架空板-倉頂間輻射傳熱量將減少，應根據兩者的綜合影響效果，確定最佳層間高度。如圖6所示，實驗工況下，風量G=60 m3/h時最佳高度0.07 m，風量G=114.6 m3/h時，最佳高度δ=0.09 m。與自然儲藏對照倉實驗相比，采用架空層通風的設計能夠有效降低糧堆上部溫升，2組實驗風量工況下糧堆表層溫升分別處于1.70～4.22 ℃與1.69～4.12 ℃范圍內，明顯低于對照倉。

圖6 不同風量下Ⅰ層糧堆平均溫度

2.3 儲藏實驗中濕度變化

圖7所示為自然儲藏對照實驗與層間凈高度δ=0.05 m、層間風量G=60 m3/h架空層工況下，糧堆中心及倉內空氣的相對濕度變化。實驗過程中，相對濕度變化幅度與溫度具有明顯的相關性。對照實驗中，倉內空氣與糧堆中心相對濕度波動范圍較大，分別為9.27%與2.32%；架空層實驗中，當δ=0.05 m、G=60 m3/h時，倉內空氣與糧堆中心相對濕度變化幅度分別為1.45%與0.37%，采用架空層的其余11組實驗中，糧堆中心濕度變化均處于-1.25%～2.72%范圍之間，表明強制循環屋面能夠有效減小倉內糧堆相對濕度變化。

圖7 不同工況中倉內濕度、糧堆濕度

3 強制循環隔熱屋面的數值模擬

實驗表明，層間凈高度δ與通風量G對糧堆升溫均有影響，本文基于商用CFD軟件Fluent進行數值優化計算，研究不同層間凈高度δ、通風量G工況下倉房內的溫度變化，以確定能夠有效抑制糧堆溫升的兩因素間的合理匹配。

3.1 物理模型

以模擬平房倉為研究對象，計算域按物理性質劃分為空氣流體區和糧堆多孔介質區。采用ANSYS ICEM建立全尺寸幾何模型。根據實驗結果設定數值模擬所需參數。為簡化運算，模擬過程采用以下假設：架空層、倉內空氣為理想不可壓縮流體；架空層風速入口為均勻送風；糧堆為多孔介質顆粒，忽略自身呼吸熱；倉體保溫考慮為絕熱條件，忽略連接處的散熱。

3.2 網格劃分與邊界條件

基于ANSYS ICEM進行網格劃分，主要采用六面體網格，根據實驗結果，對速度梯度及溫度梯度較大的區域進行網格加密，整體數量約4.65×105，網格質量檢測結果表明接近標準六面體網格(Determinant2×2×2數≥0.85)，最小角度均大于18°，符合計算所需的網格質量要求。采用k-ε湍流模型，計算涉及的材料熱物理參數如表2所示。

表2 數值分析所用材料熱物性參數[27]

初始條件和邊界條件為：

初始條件：t=0 s時，糧堆溫度為293.18 K，倉內及架空層內空氣溫度為291.15 K；

邊界條件：倉頂、倉壁和倉外空氣溫度分別根據實測數據通過UDF文件進行定義，倉底設置為絕熱邊界條件；

入口/出口邊界條件：架空層入口為速度入口邊界條件，入口風溫為環境空氣溫度，出風口為自然出流邊界條件。數值模擬計算周期為6 h，求解步長20 s，共1 080個時間步。

3.3 模擬結果驗證

通過實驗數據與數值模擬結果進行對比(層間凈高度δ=0.05 m、風量G=60 m3/h)，以糧堆Ⅰ層測點溫度值為例，中心測點處兩者相對誤差范圍為2.07%～3.05%，最大誤差值為0.875 ℃；Ⅰ層平均溫度相對誤差范圍為2.74%～7.35%，最大誤差值為1.83 ℃，均在允許范圍內。模擬采取的理想假設是造成誤差的主要原因。

3.4 數值模擬分析

3.4.1 強制循環隔熱屋面的效果

圖8為對照倉自然儲藏狀態與架空層凈空高度δ=0.05 m、層間風量G=60 m3/h時數值模擬得到的溫度場云圖。對照倉模式下，倉頂溫度最終升至53.04 ℃，倉內空氣平均溫度47.01 ℃，糧堆表面溫度達到34.87 ℃，在倉頂附近形成了相對高溫區；架空層模式能夠有效降低倉內空氣以及糧堆整體溫度升幅，如圖10b所示，倉頂、倉內空氣、糧堆表面平均溫度分別為38.76、33.59、21.88 ℃，且倉頂附近沒有形成明顯熱量聚積區。表明架空層中的空氣流動有效抑制了倉內溫升。

圖8 實驗倉垂直截面溫度云圖

3.4.2 架空層凈高度對隔熱性能的影響

圖9為入口風速v=0.05 m/s時架空層凈高度δ變化條件下的溫度云圖。圖9可以看到，邊界層交匯位置逐漸后移，表明提高架空層凈高度能夠有效延長架空層內入口段長度，增大局部對流換熱系數。與δ=0.02 m工況相較，δ=0.08 m工況下倉頂溫度從27.97 ℃降為23.81 ℃(表3)，有效抑制了頂部升溫。隨著架空層高度增加，在δ=0.06 m時，架空層倉頂出口流體溫度已不受架空板板表面溫度影響。

圖9 架空層凈高度對層間溫度場的影響

從表3也可看到，當架空層凈高度在0.06～0.08 m范圍時，層間得熱率下降幅度減緩(該指標為傳入倉內熱量與架空板上表面得熱量之比，其值越小說明架空層隔熱效果越顯著)，保持在8.99%～10.25%，表明在0.05 m/s入口風速下，該工況隔熱性能較為理想，架空層凈高度已達適宜值。

表3 v=0.05 m/s條件下不同架空層凈高度δ的計算結果

3.4.3 架空層入口風速對隔熱性能的影響

圖10為凈高度δ=0.05 m，在入口風速v變化工況下的數值模擬結果。出口處空氣溫度隨入口風速增加逐漸下降，表明上方傳入的熱量被有效帶出層外；架空板與倉頂之間的溫差在14.22～16.53 ℃范圍內，層間空氣垂直于屋面方向的溫度梯度隨進風深度的增加逐漸減小，說明層間空氣在流動中溫度逐漸升高，換熱性能下降。在v=0.02 m/s工況中，出口處在垂直于屋面方向仍存在明顯的溫度梯度，表明流動空氣并未有效隔絕架空板傳入的熱量。由圖10c可知，當入口風速提高到0.06 m/s時出口處不再產生明顯的溫度梯度。

圖10 架空層入口風速對層間溫度場的影響

結合速度云圖11可知，架空層高度為0.05 m時，架空層入口風速在0.05 m/s～0.06 m/s條件下，架空中存在明顯的上浮氣流，而貼近屋面板處則形成層流底層，顯著降低了上方熱量的傳入。從消耗動力的角度考慮，此時進一步增大入口風速并不經濟。

圖11 δ=0.02 m,v=0.03 m/s工況層間速度場

4 結論

高溫季節中，平房倉采用強制循環雙層屋面可有效隔絕倉頂傳入的外界熱量，延緩糧堆表層溫度上升速率，將糧堆整體溫度控制于常溫范圍內(25 ℃)。

架空層設計受其凈空高度與入口風速共同制約，給定架空層高度時，入口風速存在最優值，在δ=0.05 m時，入口風速v=0.05～0.06 m/s能夠達到較好的隔熱效果，繼續增大入口風速隔熱性能無顯著變化；增加層間凈高度能夠加強隔熱效果，但需要同時增加風量，因而導致能耗升高。

采用強制循環的架空層其隔熱性能的優化需要在增加層內風量與提升架空層高度之間尋找最佳匹配設計。與增加層間凈高度δ相比，提高入口風速v更為顯著地增強隔熱效果，其原理在于利用入口段效應，減小了速度邊界層、溫度邊界層的厚度，將溫度梯度控制在靠近架空板附近，避免了上方熱量傳入倉房。