氣膜鋼筋混凝土球形倉小麥儲糧糧堆溫度場云圖分析研究

姚 渠，尹 君，張忠杰，李彥偉

（1. 國家糧食和物資儲備局科學研究院 糧食儲運研究所，北京 100037；2. 山西天舍建筑工程有限公司，山西 太原 030006）

氣膜鋼筋混凝土氣膜球形倉是由 1/2圓的圓頂與筒殼組合而成的薄殼結構，它采用鼓風設備向PVC膜體內持續鼓風使膜體保持穩定的外形，然后在膜體內依次噴涂粘合劑、聚氨酯泡沫涂層、綁扎鋼筋和噴射混凝土，形成一個具有超大無梁無柱的開闊空間的氣膜鋼筋混凝土結構體系[1-3]。現這種結構體系被廣泛應用于物料倉儲、冷庫、大型文體中心及辦公場館等場所，由于其構筑靈活、建造周期短、成本低、機械化程度高等優點[4-8]，近些年，為緩解糧食倉容不足的壓力，逐將其引用到糧食儲藏領域。隨著我國首座氣膜球形倉投入儲糧應用[9]，其也成為儲糧工作者關注的焦點問題之一。我國是產糧大國，糧食安全是關乎國民生計的基本。糧食的儲藏品質是儲糧穩定性的重要體現，糧溫作為影響糧食儲藏品質的重要因素，它隨外部環境的變化、熱傳導、輻射和對流等綜合作用，影響著倉內糧食溫度梯度的形成，當糧堆溫度過高或者梯度過大，加速糧堆內濕熱遷移，易引發蟲、霉的侵蝕，給安全儲糧埋下隱患。追蹤氣膜球形倉內糧溫的總體變化趨勢并準確預測糧堆溫度場的變化規律，為氣膜球形倉在儲糧領域的應用提供判斷依據和技術支撐，也對氣膜球形倉的推廣應用具有重大且深遠的意義。

近些年，隨著我國科學技術的快速發展，國內糧庫安裝有精確的糧情測控軟件，可實時監測糧堆內部各點溫度變化情況。但由于受限于儲糧環境的復雜性及軟件本身系統的技術問題，倉庫保管員也僅憑經驗尋找“異常糧情點”，再綜合判斷是否需要處置。對此，尹君等利用多場耦合理論對淺圓倉的糧情云圖進行了分析和預測[10]；金立兵等利用 comsol軟件仿真模擬出地下倉糧溫隨時間的變化規律[11]；王小萌等研究了小麥的溫、濕度場與糧堆霉變的時空耦合關系[12]。大量研究表明，糧堆內部溫濕度場，可以準確分析預測糧堆內部儲糧狀態的變化，也逐漸成為實現安全儲糧的重要技術手段。但是目前國內對氣膜球形倉內糧堆生態系統的研究尚處于空白階段，需要開展大量的科學研究。

本文以我國首座儲糧氣膜球形倉為例，持續跟蹤了儲藏周期內小麥溫度數據，繪制溫度場云圖，采用多場耦合理論原理，分析了倉內溫度在時間和空間上的變化規律，以期對氣膜球形倉的儲糧過程中的糧情監測作出指導。

1 研究對象和方法

1.1 氣膜鋼筋混凝土氣膜球形倉的物理模型

本文以我國首座氣膜球形倉為研究對象，其倉體直徑32 m，倉高30.45 m，儲糧高度18.5 m，倉體壁厚0.25 m，倉體的外壁采用PVC薄膜，既可防水又可有效反射太陽光；倉壁膜內噴涂 5～10 cm發泡聚氨酯，其具備良好的隔熱保溫及防水性能，可有效減少和避免倉外環境濕熱對倉內溫濕度的影響，以達到糧倉形成防水、氣密隔熱保溫的性能要求；倉地面構造采取SBS改性瀝青防水卷材，作為防潮處理。氣膜球形倉的模型如圖1所示。

圖1 氣膜球形倉的模型圖Fig. 1 Model diagram of a spherical tank with gas film

1.2 儲糧糧堆

本倉存儲為河南產的混合小麥，小麥入倉時水分為 12.0%w.b.，雜質含量為 0.83%，倉容為12 430 t。

該氣膜球形倉從2014年10月分批次壓倉入糧，于2015年12月全部入糧完成，并對其機械通風均衡糧溫。2019年3月完成出糧，在整個儲藏周期內，未使用化學藥劑熏蒸。

1.3 溫度傳感器的結構布置

糧堆內部溫度傳感器采用環形布置如圖 2所示，由內而外布置3圈，內圈至外圈的直徑分別為9.6 m、19.2 m、29 m，每圈均勻布置測溫電纜的個數分別為6、12、18個，并在倉正中心點布置1根測溫電纜，以保證相鄰溫度傳感器間距不大于5 m，即共布置37根測溫電纜。

圖2 溫度傳感器的布置圖Fig.2 The layout of temperature sensor

溫度傳感器在垂直方向上按不大于2 m間距均勻布置，最高點與糧面、最低點與倉底的距離均不大于0.5 m。按照此方法布置，內圈和中圈即1～19號測溫電纜線上每根布置 10個測溫點，外圈即20～37號測溫電纜線上每根布置有11個檢測點，即該氣膜球形倉共布置389個檢測點，每天監測糧溫、每周記錄一次數據，通風期間，每天檢測并記錄一次數據。

1.4 研究方法

首先通過溫度傳感器監測糧堆各檢測點的實時溫度值，選取徑向中垂面上的溫度數據，利用MATLAB軟件和糧溫擬合算法繪制氣膜球形倉內小麥糧堆徑向中垂面溫度場變化云圖[13-14]（如圖3～5所示），并結合實倉的應用情況對云圖進行分析。

圖3 2016年度氣膜球形倉溫度場云圖Fig.3 Cloud map of temperature field of air-film reinforced concrete spherical silo in 2016

2 結果與分析

2.1 溫度變化情況

2015年 12月底，小麥全部入倉后，首先對糧堆進行了機械通風均衡糧溫，此后整個糧堆溫度較低且呈均勻分布狀態。經監測顯示8月下旬，氣膜球形倉小麥溫度出現最高值，即 24 ℃，年平均糧溫在 5～10 ℃之間，糧溫一直處在較低溫的狀態下。

由圖 3可知，1～3月，糧堆底層由于受地溫影響，溫度略有升高，但外界環境溫度較低，其余糧堆溫度均保持在低溫且均勻分布狀態。4～8月，界環境溫度快速升高，大部分熱量被氣膜球形倉外層包裹的PVC薄膜所反射，部分熱量因輻射透過倉頂傳至糧倉內使倉溫升高，倉內空氣層溫度升高后通過對流熱交換影響糧堆表層溫度，導致糧堆表層溫度升高。受到空氣層、糧倉壁面和糧倉底部熱傳導的影響，從糧堆表層和靠近壁面處開始，糧溫緩慢上升，且隨著外界環境持續升溫，表層和周邊糧堆的升溫范圍也有所擴大，糧面下4 m和距倉壁2 m范圍內糧堆均會受到外界環境溫度變化所造成的不同程度的影響。華北區域進入8月份后，晝夜氣溫差增大，夜間外界環境溫度逐漸降低，倉內空氣層溫度隨之降低后通過對流熱交換影響糧堆表層溫度，導致糧堆表層溫度緩慢下降，而受到糧倉壁面熱傳導的影響，靠近倉壁面處的糧堆溫度也開始緩慢下降，這也是糧溫最高值基本出現在 8 月份的主要原因。

由圖3～5可知，糧堆表層及糧倉壁面處的糧堆容易受外界環境溫度的影響，糧溫會隨著環境溫度的升高而升高，降低而降低。但由于糧堆籽粒內部熱質傳遞速率遠小于倉體與糧堆的熱質傳遞速率，隨著儲藏時間的推移，由云圖4可知，在2017年11—12月之間，糧堆熱氣流與糧堆外冷氣流形成以高溫熱氣流從糧堆上部上升、低溫冷氣流從糧堆四周沉降的氣體對流，致使倉內糧堆溫度也開始呈現分層現象，在糧面下1 m處溫度場云圖呈現一“條狀”薄層的相對偏高溫的圖形區域，且隨著環境持續降溫，糧堆內偏高溫度區域逐漸減小。但若上升的內部熱氣流遇冷氣流達到飽和，將導致糧堆內部的水分遷移至表面，其會造成低溫部分的糧食發生結露等壞糧現象發生。

圖4 2017年度氣膜球形倉溫度場云圖Fig.4 Cloud map of temperature field of air-film reinforced concrete spherical silo in 2017

為消除儲糧隱患，確保儲糧安全，該糧庫逐于2018年1月對氣膜球形倉的小麥糧堆進行了第二次機械通風均衡糧溫處置，之后整個糧倉內的糧堆又處于低溫且較均勻分布狀態，如圖5所示，進入下一個年度的儲藏，2018年期間整個氣膜球形倉的溫度一直處于穩定狀態，直至2019年 3月出糧完成。

圖5 2018年度氣膜球形倉溫度場云圖Fig.5 Cloud map of temperature field of air-film reinforced concrete spherical silo in 2018

2.2 溫度結果分析

入糧完成，糧堆經過冬季通風均衡糧溫，整倉糧溫保持在較低的溫度狀態下，由于內部糧堆受外界影響相對極小，其糧溫變化緩慢，于是氣膜球形倉內部形成一個巨大的“冷芯”，維持糧堆整體溫度的平衡，也即維持糧情的穩定。

由于氣膜球形倉倉體結構構造的完整性，整倉氣密性較好；內層的聚氨酯結構穩定，具有優良的隔熱保溫性能，所以氣膜球形倉平均糧溫常年處于較低狀態下，儲糧期間糧堆無發熱和明顯蟲害現象，無須進行熏蒸作業，只進行了一次機械通風均衡糧溫，使倉溫和糧溫處于穩定狀態。

3 討論

（1）小麥在氣膜球形倉內年平均糧溫在 5～10 ℃之間，一直處于低溫狀態，但糧堆表層與靠近倉壁側糧溫受外界環境影響仍有糧溫波動，若要氣膜球形倉具備低溫或準低溫儲糧標準，除解決糧堆表層及倉壁問題外，還應在氣膜球形倉的儲藏技術上開展系統研究。

（2）氣膜球形倉現作為一種新的倉型，本文僅進行了小麥在一個儲藏周期內溫度糧情監測和分析，下一步將著重分析其在小麥、稻谷等作物在各儲糧區域內儲藏技術上的應用，以期優化氣膜球形倉的儲糧技術，為新倉型的安全儲糧提供理論依據和技術支撐。

（3）氣膜球形倉具有良好的氣密隔熱保溫性能，在小麥儲藏的過程中有倉溫、平均糧溫低等特點，具有良好的儲糧應用前景，期待儲糧界的同仁們進一步的探索和研究。