我國糧倉建筑節(jié)能影響因素分析

宋艷杰 李恩

摘 要：糧食安全是維護國家安全的重要基石，解決人民的溫飽問題是治理國家的首要任務(wù)。低溫和準(zhǔn)低溫儲存技術(shù)被認為是一種綠色的糧食儲存方式，可以有效地抑制微生物的繁殖和生長，保障糧食的品質(zhì)，同時也能減少糧食熏蒸過程中的化學(xué)藥劑污染。然而，創(chuàng)造低溫和準(zhǔn)低溫的糧倉內(nèi)環(huán)境需要大量的制冷空調(diào)系統(tǒng)能耗。通過大量文獻收集和實地調(diào)研，采用理論分析和歸納總結(jié)的方法，對影響糧倉建筑節(jié)能的因素進行探討。

關(guān)鍵詞：糧倉建筑；節(jié)能；熱工性能

中國是世界第一糧食生產(chǎn)大國和消費大國，糧食安全關(guān)系到國計民生。糧食在儲藏期間易受害蟲、微生物的影響，引起糧食品質(zhì)劣化，造成儲糧損失。每年因此造成的糧食損失量達3 500萬噸，相當(dāng)于加拿大年均糧食產(chǎn)量的一半[1]。因此，降低糧損是保證糧食安全的重要任務(wù)。眾多文獻表明，溫度是控制儲藏期間糧食損失的重要因素[2]，降低糧倉溫度能夠避免糧食品質(zhì)劣變，減少糧食損失。研究證明，20℃以下的低溫環(huán)境中，害蟲和微生物的生長繁殖以及糧食呼吸作用可以被明顯抑制，有效減少糧食品質(zhì)劣化現(xiàn)象[3]。然而，在炎熱的夏季維持20℃的儲糧環(huán)境需要借助空調(diào)設(shè)備，由此引起的能耗問題不可忽視。這一方面增加了儲糧成本，另一方面增加了環(huán)境負荷。因此，糧倉建筑節(jié)能設(shè)計至關(guān)重要，不僅影響控溫儲藏方式的推廣和環(huán)境可持續(xù)發(fā)展，更重要的是影響儲糧安全。糧倉建筑是一個復(fù)雜的系統(tǒng)，影響其能耗的相關(guān)因素有很多，主要包括氣候條件、建筑平面布局和朝向、建筑圍護結(jié)構(gòu)的熱工性能、通風(fēng)控溫設(shè)備、周圍綠化等其他因素。

一、氣候環(huán)境影響分析

（一）太陽輻射影響分析

太陽能量是以輻射的方式不斷傳播到地面上的，所以糧倉建筑的節(jié)能設(shè)計就需要考慮高溫季節(jié)太陽輻射對糧倉的影響。首先要理解某一地區(qū)的光強差別以及光的角度。我們所居住的地球，在不斷自轉(zhuǎn)的同時，也在不斷圍繞著太陽進行公轉(zhuǎn)，太陽對地球上每個地方、每個時間的照射是有規(guī)律的，因此一個地區(qū)的氣候要素就產(chǎn)生了有規(guī)律的變化，并由此產(chǎn)生了四季更替。不同地區(qū)的氣候條件不同，導(dǎo)致不同地區(qū)的建筑節(jié)能設(shè)計方法也不一樣。

（二）溫度影響分析

溫度是最重要的氣候因子之一，也是影響建筑節(jié)能的主要因子，其變化直接關(guān)系到建筑內(nèi)部和外部環(huán)境的適宜性。溫度與能源消耗呈現(xiàn)負相關(guān)，這表明在炎熱地區(qū)，夏季極端氣候會對糧倉建筑能量消耗產(chǎn)生很大的影響。也就是說，在極端氣候條件下，要想維持糧倉良好的儲存環(huán)境，就必須消耗大量的能量來調(diào)整糧倉的溫度。因此，在糧倉建筑設(shè)計中，要特別重視夏季的隔熱工作。

（三）濕度影響分析

濕度是影響室內(nèi)熱環(huán)境的重要因素，目前常用的除濕機或空氣調(diào)節(jié)方法均存在能耗大、效果不顯著等問題。濕度對糧倉造成的影響，主要有三個方面：一是空氣中的相對濕度，對谷物的呼吸作用有很大的影響。在一定范圍內(nèi)，谷物的含水量越多，谷物的呼吸作用就越激烈，在激烈的呼吸作用中，谷物中的養(yǎng)分被消耗殆盡，同時也會產(chǎn)生大量的熱量和水分，導(dǎo)致谷物的質(zhì)量下降。二是濕度的大小，直接影響著糧倉建筑的內(nèi)外表面是否會出現(xiàn)結(jié)露、霉變、發(fā)潮等現(xiàn)象，從而直接影響到建筑的品質(zhì)。三是環(huán)境濕度對墻體內(nèi)保溫材料的熱工特性也有不同程度的影響，當(dāng)墻體內(nèi)的保溫隔熱材料吸水后，墻體內(nèi)的保溫隔熱效果就會大幅降低，從而對墻體內(nèi)的節(jié)能起到不利的作用。因此，為了保證適宜的糧食熱濕環(huán)境和節(jié)約能源，就需要對倉內(nèi)空氣中的相對濕度進行有效的控制。

二、平面布局和朝向影響分析

（一）平面布局影響分析

建筑物的平面布局影響著建筑物的體形系數(shù)。建筑體形系數(shù)越大，通過外表面的傳熱損失也就越大。研究結(jié)果表明，每增加0.01的體形系數(shù)，能耗將增加約2.5%。因此，在倉庫平面布置時，應(yīng)盡可能按照方形、圓形等規(guī)則的形態(tài)進行布置，以減小體形系數(shù)。此外，與體積相等的多個倉庫分開布置相比，采用多廒間組合的布局方式可以大幅度減小體形系數(shù)[4]。

（二）建筑朝向影響分析

合理的建筑物朝向?qū)τ诮档徒ㄖ芎木哂兄匾饔谩Ｊ紫龋诩Z倉規(guī)劃布局中，選擇長邊朝南，避開東、西向陽光照射，可以降低糧倉太陽輻射熱，從而減小通過圍護結(jié)構(gòu)對糧倉內(nèi)部空間的傳熱量。其次，糧倉規(guī)劃布局中充分利用本地主導(dǎo)風(fēng)向，有利于糧倉通過窗戶進行自然通風(fēng)，這將有助于降低糧食的濕度和溫度，達到降溫的目的。這樣可以減少機械通風(fēng)的次數(shù)，從而達到節(jié)能的目的。

三、糧倉圍護結(jié)構(gòu)影響分析

建筑的能耗與圍護結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)呈線性關(guān)系。因此，提高圍護結(jié)構(gòu)的熱工性能可以顯著降低建筑的能耗。本文通過屋面、外墻和門窗三個方面對糧倉建筑圍護結(jié)構(gòu)對能耗的影響因素進行分析。

（一）屋面節(jié)能影響分析

像糧倉這樣的工業(yè)建筑，不同朝向的圍護結(jié)構(gòu)所能接收到的太陽輻射強度是不一樣的，通常情況下，水平朝向的圍護結(jié)構(gòu)承受的陽光強度會更大一些。由于倉房體積較大，屋頂在倉房整體建筑傳熱過程中貢獻較大，所占的比例約為70%～80%。因此，屋面的耗冷量在外圍護結(jié)構(gòu)中占比很高。在糧倉建筑中，常用的屋蓋形式有折線形屋架、彩鋼屋架、拱板屋架和雙層通風(fēng)屋架等。不同的屋頂形式會對糧倉內(nèi)部環(huán)境及能耗產(chǎn)生不同的影響。屋頂隔熱性能與糧倉的能源消耗成負相關(guān)，其隔熱性能的優(yōu)劣，對糧食溫度的波動和通風(fēng)降溫設(shè)備的運行時間有直接的影響。

在糧倉屋頂設(shè)計中，一般采用架空隔熱層、涂刷太陽熱反射涂層和鋪設(shè)保溫隔熱層的方式來提高隔熱性能。太陽熱反射涂層通過減少屋頂對太陽輻射的吸收率來減少夏季空調(diào)負荷。架空隔熱層可以減少屋頂?shù)奶栞椛洌⑶彝ㄟ^空氣對流帶走一部分熱量，從而降低倉頂?shù)臏囟取１馗魺岵牧峡梢栽黾游蓓數(shù)膫鳠嶙瑁M而降低糧倉的能源消耗。不同類型和厚度的屋頂隔熱材料隔熱性能不同，應(yīng)優(yōu)先選擇導(dǎo)熱系數(shù)小、節(jié)能環(huán)保的保溫隔熱材料。常用的屋頂隔熱材料為憎水珍珠巖、發(fā)泡混凝土、聚苯板、擠塑板、發(fā)泡聚氨酯和巖棉夾芯金屬彩色復(fù)合板[5]。

（二）外墻節(jié)能影響分析

糧倉建筑不像民用建筑一樣，為了美觀會使用玻璃幕墻，糧倉外墻為了承受糧食的荷載都為厚重的實體外墻。外墻吸收室外環(huán)境熱量并通過導(dǎo)熱的形式傳到室內(nèi)，并影響室內(nèi)熱環(huán)境。糧倉墻面保溫隔熱性能的不同，其節(jié)能效果也不同。外墻保溫隔熱性能受墻體結(jié)構(gòu)層類型、保溫隔熱形式、材料類型以及材料厚度的影響。

常見的墻體結(jié)構(gòu)層類型有磚砌體墻、SP板墻、壓型鋼板墻、現(xiàn)澆混凝土墻和預(yù)制混凝土墻等。

外墻保溫隔熱形式可以被劃分為外墻外保溫、外墻內(nèi)保溫、外墻夾心保溫和外墻自保溫等。外墻外保溫系統(tǒng)是使用最廣泛，并得到了國家大力提倡的一種保溫隔熱方法。

不同的保溫隔熱材料具有不同的導(dǎo)熱性能和經(jīng)濟性能，在建筑工程圍護結(jié)構(gòu)中，常見的保溫隔熱材料為擠塑聚苯乙烯板、膨脹聚苯乙烯板、聚氨酯泡沫、膨脹珍珠巖水泥板、保溫砂漿等。

保溫層的厚度對外墻傳熱系數(shù)有直接的影響，隨著保溫層厚度的增大，墻體的全年熱負荷呈遞減趨勢，而節(jié)能率則呈遞增趨勢。隨著保溫面板厚度的不斷增大，建筑總熱負荷的增幅逐漸減小，節(jié)能效果與保溫面板厚度之間存在著非線性關(guān)系。同時，在同一厚度的情況下，各種隔熱板的節(jié)能效果也有很大的差異。

（三）門窗節(jié)能影響分析

糧食倉儲建筑的門窗主要是滿足糧食進出倉作業(yè)和自然通風(fēng)需求。在滿足這些基本前提的同時，減少倉庫門窗的設(shè)置可以降低門窗部位能耗散失。對于小型倉房，通常只需要一個進出倉大門和一個疏散門。就窗戶而言，如果在北方地區(qū)，冬季可以打開保溫密閉的窗戶來實現(xiàn)自然通風(fēng)，降低糧食溫度和濕度，因此，應(yīng)該盡可能多地設(shè)置窗戶，通常每個跨度都設(shè)置窗戶；而在南方濕熱地區(qū)，不適合自然通風(fēng)，因此，窗戶在滿足補倉需求的情況下，應(yīng)盡量少設(shè)置。

門窗的氣密性對于防止空氣對流傳熱起著至關(guān)重要的作用。提高門窗的氣密性可以有效地減少能源消耗，降低庫房的運營成本。因此，在進行糧庫門窗設(shè)計和選型時，應(yīng)該注重門窗的氣密性，采用高性能的門窗材料和技術(shù)，并通過加裝密封條等措施改進門窗產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，以提高門窗的節(jié)能性，降低糧倉的運營成本。

四、其他相關(guān)因素影響分析

（一）控溫設(shè)備影響分析

控溫儲糧一般采取空調(diào)系統(tǒng)、谷物冷卻系統(tǒng)并結(jié)合機械通風(fēng)系統(tǒng)等手段，將倉內(nèi)溫度和水分降至安全值。上述幾種降溫方式在使用過程中都需要消耗大量的電能，使保糧成本偏高。因此，控溫系統(tǒng)不夠節(jié)能環(huán)保，是糧倉建筑節(jié)能技術(shù)中亟待創(chuàng)新改進的地方。在對糧堆進行機械通風(fēng)過程中，不同通風(fēng)時段和通風(fēng)方式都會影響機械通風(fēng)降溫的能耗。不同地區(qū)的氣候特點不同，其通風(fēng)控溫方式也不同，比如，北方地區(qū)可以提供足夠的冷源，秋冬季節(jié)利用低溫干燥的氣候優(yōu)勢進行通風(fēng)蓄冷，在夏季結(jié)合內(nèi)環(huán)流控溫系統(tǒng)，從而減少儲糧能耗，提高經(jīng)濟效益。此外，省電、節(jié)能的空調(diào)技術(shù)在糧倉中的應(yīng)用也不斷提升，這些新技術(shù)包括冰蓄冷技術(shù)、地源熱泵技術(shù)、太陽能制冷技術(shù)和蒸發(fā)冷卻技術(shù)等[6]。

（二）建筑綠化影響分析

在糧倉建筑設(shè)計中，除氣候因素、平面布局因素、圍護結(jié)構(gòu)因素等對糧倉建筑環(huán)境的影響之外，還應(yīng)考慮到綠化對糧倉周邊小氣候的調(diào)控作用。隨著糧庫技術(shù)的不斷發(fā)展和機械化水平的提高，在不影響糧倉運營的前提下，可適當(dāng)布置糧庫區(qū)域的綠化。例如，路邊種樹、鋪設(shè)草坪或透水磚等，不僅可以調(diào)節(jié)和改善室外環(huán)境的溫度，調(diào)整碳氧平衡，減少溫室效應(yīng)，降噪，吸附操作過程中產(chǎn)生的粉塵，增強雨水滲透性，減輕雨水排放負擔(dān)，而且在改善倉內(nèi)環(huán)境、減少能源消耗方面起著非常重要的作用。

（三）遮陽技術(shù)影響分析

以往對糧倉本體節(jié)能的認識主要集中在糧倉壁，而忽略了外部構(gòu)件的影響。為了減少太陽輻射對倉體的影響，在糧倉外部增設(shè)遮陽構(gòu)件，也不失為一種嘗試。在不同的季節(jié)，南北兩個方向的立面和東西兩個方向所接收到的陽光強度是不一樣的，所以對其采取的遮陽措施也是不一樣的。夏季，南側(cè)建筑外墻受到的陽光照射面積較大，日照時間較長，易造成外部圍護結(jié)構(gòu)受熱過多，從而造成室內(nèi)過熱；冬季，太陽高度角變小，南向建筑立面所受的太陽輻射量變小。因此，夏季采用水平遮陽、冬季采用垂直遮陽效果更佳。東、西兩面墻體在早晨和傍晚接收到的太陽輻射的強度都比較大，所以很容易在短期內(nèi)造成外部圍護結(jié)構(gòu)的過熱，進而造成內(nèi)部過熱。研究結(jié)果顯示：當(dāng)沒有安裝任何遮陽設(shè)施時，整個西立面的太陽輻射量都非常大；安裝了水平遮陽之后，太陽輻射量會有輕微的下降，安裝了垂直遮陽之后，這種影響會更加顯著[7]。

五、結(jié)語

文章對糧食倉庫的能耗特點和節(jié)能潛力進行了歸納，并對氣候環(huán)境因素、平面布局與朝向因素、建筑外圍護結(jié)構(gòu)因素、控溫設(shè)備、周邊綠化等因素進行了分析，得到了如下結(jié)論。

第一，糧倉建筑的設(shè)計應(yīng)該根據(jù)其所處的氣候環(huán)境特點來進行整體的構(gòu)思與規(guī)劃。

第二，在糧倉平面布局工作時，應(yīng)盡量采用規(guī)則的幾何形狀進行倉房的平面功能布置。為避免東西向日照，糧庫規(guī)劃應(yīng)盡量長邊朝向南北，并充分利用當(dāng)?shù)氐闹鲗?dǎo)風(fēng)向，以有利于開窗通風(fēng)。

第三，在圍護結(jié)構(gòu)熱工設(shè)計上應(yīng)該提高其保溫隔熱性能，熱工性能佳、節(jié)能環(huán)保的建筑材料也是糧倉節(jié)能中的關(guān)鍵因素。

第四，無論是氣候因素、平面功能空間因素，還是外圍護因素，都需要輔以制冷和通風(fēng)系統(tǒng)，以保證糧倉內(nèi)部的儲糧環(huán)境達到最佳狀態(tài)。

第五，糧倉建筑節(jié)能是一個復(fù)雜的系統(tǒng)，需要在設(shè)計之初就明確重點關(guān)注的因素，并全面考慮它們對不同能耗的節(jié)約貢獻，以實現(xiàn)高能效的目標(biāo)，為我國可持續(xù)發(fā)展做貢獻。

參考文獻：

[1]張強.減損是確保糧食安全的重要途徑[J].農(nóng)村工作通訊，2016（21）：50.

[2]俞旭龍，童新元，吳獻民.空調(diào)控溫儲糧技術(shù)應(yīng)用試驗[J].糧油倉儲科技通訊，2013（1）：7-9.

[3]陳勇.湖北地區(qū)國家糧食儲備庫建筑節(jié)能研究[D].武漢：武漢理工大學(xué)，2005.

[4]陳宏斌，張曉東，高一歌.綠色糧庫的節(jié)能措施[J].現(xiàn)代食品，2017（2）：31-33.

[5]郭呈周，南少偉，李建平，等.糧倉保溫隔熱性能影響因素研究綜述[J].現(xiàn)代食品，2018（20）：181-184.

[6]江春陽，狄育慧.節(jié)能空調(diào)模式在糧倉中的應(yīng)用初探[J].糧食儲藏，2012（5）：29-31.

[7]王祖遠.現(xiàn)代樓房倉設(shè)計中的遮陽技術(shù)策略：以北京市糧油應(yīng)急保障中心建筑設(shè)計為例[J].華中建筑，2018（8）：39-43.

作者簡介：

宋艷杰，河南工業(yè)大學(xué)碩士研究生。研究方向：建筑技術(shù)科學(xué)。

李恩，博士，河南工業(yè)大學(xué)建筑學(xué)副教授，碩士研究生導(dǎo)師。研究方向：建筑節(jié)能設(shè)計與被動式建筑研究。