局地氣候條件下高大平房倉玉米內環流均溫儲糧技術應用及控溫效果分析

◎ 豐 博，周 斌，吳文福，連中易，烏云山丹，李志民，景 雷，鄧玉剛，孫鳳陽

（1.中國儲備糧管理集團有限公司吉林分公司，吉林 長春 130033;2.吉林大學 生物與農業工程學院，吉林 長春 130025;3.中央儲備糧龍嘉直屬庫有限公司，吉林 長春 130504）

長春地區位于東北松遼平原腹地，地處第三儲糧生態區，屬典型的溫帶季風氣候，該地區生長的優勢糧作物為單季的玉米、水稻、大豆等，保障糧食產后的儲藏安全處于國家安全戰略安排的首位[1-2]。為了有效保證糧食產后的儲藏安全，結合該地區寒冷冬季和炎熱夏季溫差大的特點，冬季利用外界的天然冷源對糧堆進行機械通風作業，為糧堆積蓄豐富的“冷芯”，隨著外界氣候的漸暖，表層糧堆及靠近糧倉圍護結構的糧食受外界氣溫影響顯著，糧堆內部容易出現“熱皮冷芯”的現象[3]，加劇了度夏期間糧食儲藏的不穩定性。此時的高溫高濕區域易滋生蟲霉[4]，引發糧食局部發熱，同時發生熱濕傳遞導致糧堆內局部水分聚積出現結露甚至板結[5]，嚴重威脅糧食品質安全。圖1為高大平房倉倉儲糧堆傳熱傳質示意圖。

圖1 高大平房倉倉儲糧堆傳熱傳質示意圖

在我國北方地區，針對糧堆內部存在的“熱皮冷芯”現象，通常應用內環流均溫技術，使糧堆內“冷芯”的冷量得到釋放，以達到對局部高溫區域進行降溫的目的。環流均溫對于冬季蓄過冷的糧堆來說是一項綠色安全的儲糧技術，在高溫的夏季通過環流風機將糧堆中下層內部“冷芯”的冷量抽出，送到倉內空間，讓低溫空氣透過糧堆以下行的方式流動，致使氣流在高大平房倉內形成閉合回路，此時，低溫空氣與糧食進行充分熱濕交換，從而實現降低表層糧溫及倉溫的目標，消滅“熱皮”現象帶來的潛在威脅。黃昕等[6]通過對傳統的谷物冷卻控溫與內環流均溫的試驗結果進行對比分析，發現內環流均溫控溫效果明顯，需要的通風能耗也更低。馬倩婷等[7]對內環流均溫儲糧技術進行研究，通過監測糧堆表層平均糧溫、整倉平均糧溫變化情況，發現合理使用內環流控溫技術，配合對糧倉氣密性、隔熱性的嚴格控制，可以實現綠色儲糧。以上文獻雖然對環流均溫儲糧技術進行了試驗研究，但是缺乏在局地氣候條件下，從理論的角度對環流均溫控溫試驗結果及其控溫效果進行詳細的分析和探討。

因此，本文將從局地氣候條件出發，深入分析長春地區高大平房倉玉米內環流均溫控溫特征，探究環流均溫過程中的熱濕傳遞規律，尋找局地氣候變化對糧食儲藏的影響特點，深入剖析環流均溫控溫效果，以期為優化內環流均溫儲糧技術以及后期相關內環流均溫系統科技成果轉化和大面積深入推廣應用，以及加速建構高效、科學、綠色、智能的儲糧安全技術體系提供試驗支撐。

1 高大平房倉概況及儲糧基本情況

1.1 倉房條件

本文的研究對象為中央儲備糧龍嘉直屬庫有限公司20 號、23 號倉庫，其倉房類型均為高大平房倉，建設時間為2001 年12 月，投入使用時間為2002 年12 月。倉房房架材料為大型拆線屋面板，墻體是磚混結構，地面是混凝土地面，每個倉房在檐墻位置設置6 個庫門，試驗倉的倉頂具備發泡材料保溫隔熱層、倉窗通過苯板材料進行隔熱保溫，表1 為20 號、23 號高大平房倉倉房條件。

表1 貨位20 號、23 號高大平房倉倉房條件表

1.2 儲糧基本情況

兩個試驗倉儲藏糧食種類均為玉米，20 號、23 號倉庫實際裝量高度為5.85 m 和5.95 m，20 號倉內玉米初始水分高出23 號倉內玉米初始水分1.2%，糧食基本情況如表2 所示。

表2 貨位20 號、23 號倉房糧食基本情況表

2 高大平房倉內環流均溫試驗

2.1 糧食儲藏內環流均溫原理

圖2為高大平房倉內環流均溫系統原理圖。通風網類型為地下通風籠，啟動環流風機時，糧堆中下層的冷量經過通風籠被抽送至集風箱，在環流風機的作用下，低溫空氣進一步通過保溫管流至倉房上部空間，透過表層糧食滲入糧堆，與高溫區糧食進行充分熱濕交換，以達到降低表層糧溫、整倉糧溫的目的。內環流均溫全過程不與外界接觸，自始至終空氣都在閉合的循環系統中運行。

圖2 高大平房倉內環流均溫系統原理圖

2.2 試驗器材及其布置情況

內環流均溫試驗采用的主要器材有電子檢溫測控系統、溫濕度檢測儀、環流風機、深層扦樣器等。機械通風（通風道）布置為U 型一機三道通風籠，共配有4 臺單臺功率為1.1 kW 的環流風機，通風設備具體參數見表3。

表3 通風設備參數表

2.3 監測點布置

2.3.1 溫度監測點分布

環流均溫前后及試驗過程中需要隨時監測倉內糧情狀態，所以需要均勻鋪設電子檢溫裝置，檢溫線布設通常是橫線間隔4.5 m，縱向間隔1.7 m。本文兩個試驗倉布置有4 層溫度監測點，分別位于糧堆表層、糧堆中上層、糧堆中下層以及糧堆底層，每層水平均溫布置78 個監測點，共計312 個監測點，如圖3 所示。

圖3 溫度監測點水平面布置示意圖

2.3.2 扦樣點分布

環流均溫試驗前后分別對20 號、23 號倉糧堆定點扦樣，檢測并記錄其水分含量，每層通過扦樣管設置17 個扦樣點，每倉共5 層85 個水分扦樣點。

3 通風試驗過程

3.1 通風前糧情概況

根據吉林省儲糧生態特點和儲糧技術應用現狀，中央儲備糧龍嘉直屬庫有限公司20 號、23 號倉庫在2021 年9 月，利用東北地區晝夜溫差大的特點，采用自然通風的手段對糧堆進行了第一次通風降溫，降溫目標是平均糧溫不低于10 ℃；在2021 年10—11 月，利用長春地區夜間溫度較低的特點，采用軸流風機進行了第二次通風降溫，降溫目標是平均糧溫不低于3 ℃；在2021 年12 月至2022 年1 月，充分利用外界的天然冷源，對糧堆進行了第三次機械通風作業，降溫目標是平均糧溫不低于-5 ℃，經過三輪的階段式降溫，糧堆內積蓄了大量的冷量。

隨著外界氣溫的上升，糧堆溫度受局地氣候條件的影響顯著，尤其是糧堆表層糧食與靠近平房倉南墻的糧食溫度上升更迅速，截至2022 年6 月27 日，20 號倉房表層平均糧溫接近17.2 ℃、中下層糧堆“冷芯”平均溫度為-5.2 ℃左右；22 號倉房表層平均糧溫為17.8 ℃、中下層糧堆“冷芯”平均溫度為-3.6 ℃。

3.2 試驗方法及啟停設置

通過運行平房內配備的內環流均溫系統，配合智能糧情檢測系統及時監測和記錄表層糧溫、整倉糧溫，定點扦樣檢測糧食水分含量，以此來監測和判斷糧堆“冷芯”的利用情況，同時，利用倉間和糧堆溫度傳感器來控制環流通風系統的啟停。根據20 號、23 號糧倉內糧堆的基礎溫度來合理設定啟停溫度值，當糧堆上下垂直兩層監測點溫差達到8 ℃，水平相鄰監測點溫差超過5 ℃時（其中，靠近圍護結構墻糧溫與鄰近監測點溫差達到8 ℃時），啟動環流風機進行控溫作業；當糧堆上下垂直兩層監測點溫差低于8 ℃，水平相鄰監測點溫差低于5 ℃時（其中，靠近圍護結構墻糧溫與鄰近監測點溫差低于8 ℃時），停止風機環流通風，表4 為20 號、23 號倉環流均溫系統運行參數。

表4 貨位20 號、23 號倉環流均溫系統運行參數表

4 試驗結果與分析

20 號、23 號倉庫環流均溫系統運行時間是2022 年6 月27 日至2022 年9 月12 日，系統運行期間20 號倉累計控溫時間為614 h，23 號倉累計環流控溫時間為178 h，表5 為環流均溫試驗期間各項控溫參數。從表5 中的數據可以看出，在環流均溫期間外界局地氣候溫度在18.0 ～30.0 ℃，總是高于倉溫及倉內糧食溫度，表明外界氣候條件始終通過圍護結構影響著倉內環境，但是由于圍護結構的傳熱惰性，局地氣候對倉內糧食的影響有一定的延遲和滯后[8]。環流均溫前后兩個試驗倉糧食平均水分含量分別僅下降了0.1%，由此可見，內環流均溫控溫對糧堆水分變化影響不大。

表5 環流均溫試驗期間各項控溫參數表

4.1 20 號倉糧溫變化情況

環流均溫系統開始運行之后根據3.3.2 設置的啟停溫度值，環流風機經歷了若干次自動啟停，表6為20號、23 號高大平房倉環流均溫期間的溫度監測報表。

表6 高大平房倉內環流均溫期間溫度監測報表（單位：℃）

由表6 中記錄的數據可以看出，長春地區局地氣候在6 月27 日出現了超過30 ℃的高溫，到7 月4 日為止，20 號倉溫度上升明顯，倉溫可達22.1 ℃，增幅為0.9 ℃，表層平均糧溫可達18.2 ℃，漲幅為1 ℃，表明外界局地氣候條件對倉內環境的影響有一定延遲。8 月1 日，室外氣溫為30.9 ℃，到8 月8 日為止，7 d 的時間里倉溫上升到了22.2 ℃，增幅明顯，但是表層平均糧溫在7 d 的時間里僅僅上升了0.1 ℃，并且過了一周之后達到19.4 ℃，增幅極其明顯。通過分析發現，是因為外界6 月27 日的高溫傳遞至糧倉，達到風機啟停溫度值時，環流風機啟動，開始從中下層“冷芯”抽出低溫空氣，通過內環流管道，將冷量輸送至上部空間，所以加重了外界溫度通過圍護結構對糧堆產生影響的滯后性，所以直到8 月15 日，表層糧堆溫度才有了“不正常”的上升，同時，環流風機也開始了新一輪的環流均溫過程，以削弱外界環境高溫對糧堆產生的不良影響，達到對倉溫及表層糧堆精準控溫的目的。

從表6 也可以看出，在環流均溫期間，糧堆“冷芯”的溫度一直呈上升的趨勢，并且在9 月26 日達到了10.3 ℃，表明內環流均溫系統利用完的糧堆“冷芯”溫度也在低溫儲糧的標準之內。

4.2 23 號倉糧溫變化情況

從表6 記錄的數據中可以看出，長春地區局地氣候條件對倉溫影響的延遲和滯后規律相似，故此不再贅述。從6 月27 日至7 月4 日一周的時間里，23 號倉表層糧堆平均溫度上升了1.2 ℃，高于20 號倉表層糧堆平均溫度漲幅，深入分析發現造成這一現象的原因有二，其一是外界高溫通過外圍護結構由導熱、對流傳熱、熱輻射等方式，與表層糧堆進行熱濕交換，故導致表層糧堆升溫顯著；其二是由于兩個試驗倉儲藏時的玉米初始含水量的不同（20 號倉為14%、23 號倉為12.8%），導致了含水量較高的20 號倉糧堆熱濕協同作用較強，致使23 號倉表層糧堆升溫更顯著。從8 月1 日至8 月8 日一周的時間里，23 號倉表層糧堆升溫0.5 ℃，高于0.1 ℃（20 號倉表層糧堆升溫），并且在接下來的一周里表層糧溫“不升反降”，造成這一現象的原因除了不同含水量糧食與空氣的熱濕協同作用外，還有環流風機的啟動。環流風機使冷量通過內環流管道輸送至倉內上部空間，與外界傳來的熱量進行了融合，可以認為8 月1 日30.9 ℃的高溫沒能對表層糧食產生實質性的不良影響，所以23 號倉表層糧堆溫度“不升反降”。

23 號倉在環流均溫期間，糧堆“冷芯”的溫度也一直呈上升的趨勢，并且在9 月26 日試驗結束時中下層平均溫度才到5.8 ℃，在準低溫儲糧的標準之內。

4.3 通風效果

4.3.1 環流均溫控溫效果

20 號、23 號倉在內環流均溫期間，糧堆中下層和底層“冷芯”的低溫空氣環流至糧堆上層空氣區域，下行透過表層糧食滲入糧堆，對倉溫、表層糧堆溫度進行精準控溫，對糧食最高溫度的控制效果明顯。經過環流均溫通風后，20 號倉糧堆平均溫度為10.5 ℃，23 號倉糧堆平均溫度為9.8 ℃，符合低溫儲糧的要求，控溫達到了預期效果。與此同時，內環流均溫前后兩個試驗倉玉米含水量幾乎沒有變化，可見利用內環流均溫的方法可以實現對糧堆的保水通風控溫，為糧堆營造低溫儲糧環境。

4.3.2 能耗分析

根據內環流均溫系統運行期間的夏季控溫電費來進行計算能耗，20 號倉累計環流時間為614 h，總能耗為2 701 kW·h、單位能耗為0.43 kW·h·t-1；23 號倉累計環流時間為178 h，總能耗為784 kW·h、單位能耗為0.123 kW·h·t-1。相比而言，同樣內置環流通風系統的高大平房倉糧堆，其通風總能耗為1 320 kW·h、單位能耗為0.189 kW·h·t-1[12]，內環流通風可以體現出較好的經濟效益。

5 結論與討論

夏季隨著外界局地氣候的變化，糧倉內局部糧溫也隨之反復，容易出現“熱皮冷芯”的現象，若依靠人工翻挖、單管通風等儲糧措施，通風能耗及人工成本較高。相比而言，冬季利用外界低溫空氣為糧堆積蓄一定量的“冷芯”，夏季時利用內環流均溫控溫技術可以有效精準地對倉溫及表層糧堆等進行控溫，抑制糧堆最高溫度的漫延，可以在度夏期間保證糧食儲藏的穩定性，并且控溫效果明顯，與夏季其他常規的儲糧安全措施相比，應用內環流均溫的方式儲糧更加高效節能，可以在滿足局地氣候條件的地區進行推廣和應用。

試驗證明，內環流均溫控溫的方法對儲糧具有一定的保水通風效果，有利于糧食在度夏期間的安全儲藏。同時，采用倉內環流的均溫方式，不僅減少了空調制冷機組的使用，而且可以安全環保地實現糧食儲藏，符合我國一直提倡的綠色、低能耗、科學儲糧的可持續發展戰略目標。

在實施環流均溫通風時，可能會由于較大溫差的存在而出現通風死角，應加強對通風死角的糧情監測，同時局部增設輔助通風管網或用單（多）管風機通風，以減小糧堆阻力，也可以通過改進環流通風工藝來改善通風過程中的通風能耗高、通風不均勻等問題[3]。內環流均溫作為“四合一”儲糧新技術重要的一環[9]，與科學化、規范化、智能化的數字監管智能方法結合，可以有效避免糧情監測數據質量不高、利用率不理想等問題[10-11]。在保證儲糧的真實性、安全性的基礎上，應對內環流均溫技術及其多參數糧情監測系統進行針對性的優化和推廣，這將有利于我國早日建成高效、科學、綠色、智能的儲糧安全技術體系。