吊顶隔热对高大平房仓粮堆温度影响研究

刘文磊，王 军，张宏伟

河南工业大学 土木工程学院，河南 郑州 450001

我国是世界产粮大国，同时也是储藏粮食较多的国家之一。储粮生态系统中发热的主要原因为粮堆内生物体的呼吸产热以及季节变化引起的粮食表面温度的升高[1]。在整个粮食储藏周期中，由于仓内温度、水分过高造成了大量的粮食损失。高大平房仓由于粮堆高与仓储体积大，仓体材料隔热性能差，随周围环境温度变化明显，夏季粮堆温度远高于安全储粮温度，低温储粮是保证仓内粮堆安全与品质的关键。

静态储粮期间，由太阳辐射与外界温度通过粮仓壁面传递至仓内的热量，是引起粮温升高的主要原因。通过在仓房内利用保温隔热架设吊顶，能有效降低粮堆上部气流向下传导的热量，从而降低粮堆温度。

国内外已有诸多学者通过试验与模拟研究了仓内架设保温隔热吊顶后粮堆温度的变化。艾全龙[2]对架设了保温隔热吊顶的粮仓进行温度监测试验，结果表明采用吊顶后仓温以及表面粮温都有明显下降。安西友等[3]通过对仓内进行吊顶隔热处理，有效降低了夏季仓内粮堆的整体温度。孙振北[4]对仓内吊顶控温进行了试验研究，得出进行隔热改造后仓温、上部及整仓粮温有明显下降。魏金高等[5]用PEF板对仓内粮堆进行覆盖，能够有效控制粮堆温度上升，达到隔热的目的。Ruska 等[6]对储存在圆柱试验箱中的小麦温度加载当地气象数据进行数值模拟，得到了小麦高温区域发生在粮堆顶部表面及中心处。李志民等[7-8]对不同类型粮仓在各种外界环境变化下的现场检测，得出了不同工况下粮堆温度的变化规律。张忠杰等[9]利用CFD对不同尺寸粮仓静态储粮的温度变化进行了模拟，得出了粮仓长宽方向粮堆温度变化具有与外界环境相同的趋势。蒋华伟等[10-11]建立了粮堆单一温度场的数学模型，模拟了粮堆内部发热状态下温度场变化。金立兵等[12]通过实测与模拟相结合，得到了地下储粮仓一年内不同月份温度场随时间的变化情况。钱永刚等[13]通过CFD模拟了采用架空隔热层时粮仓仓顶的温度变化，结果表明架空隔热层以及空气流动的速度对仓顶温度有明显影响。许鹏[14]对平房仓粮面铺设冷气囊隔热层进行数值模拟，将模拟结果与实测数据相比，粮温得到了有效抑制。

作者利用COMSOL软件分别建立了架设隔热吊顶前后静态储粮的高大平房仓三维物理模型，对粮仓及粮堆的传热过程进行了数值模拟。分析了架设隔热材料后粮堆表面平均温度与整仓的平均粮温变化，并与不架设隔热吊顶结果进行对比。

1 模型模拟

1.1 高大平房仓吊顶隔热系统物理模型

模拟所选的平房仓为浙江某高大平房仓，仓房长×宽×高为29.37 m×20.44 m×8.2 m，粮堆高度为6 m，平房仓墙体采用空心砖墙结构，房顶采用预应力混凝土板，仓底为混凝土地面，仓内屋架下安装保温隔热吊顶。考察准静态储粮期间温度的变化，模拟对象为平房仓结构、保温隔热吊顶以及内部的粮堆区域。利用COMSOL软件建立高大平房仓吊顶隔热系统三维物理模型如图1所示，计算域由粮堆与仓内上部空气层2个体区域组成。对粮仓整体物理模型采用非结构网格进行划分，对局部采取细化操作共划分为170多万个网格。

图1 高大平房仓吊顶隔热系统三维物理模型

1.2 COMSOL模拟参数设置

1.2.1 外部储粮条件

在静态储粮过程中外界环境温度是粮堆温度变化的主导因素。实测粮库仓房2017年外界气温变化情况，结果如图2所示。可知外界环境温度一般在0 ℃以上，7～9月为全年较高气温，此时粮堆温度可达到最高。

图2 浙江某高大平房仓2017年各月外界气温变化

对图2曲线进行近似拟合得出外界环境温度变化函数，

T=-0.606 4(t/2 592 000-7.07)2+197.42,

(1)

式中：T为外界环境温度，K；t为时间，s。

以上一年度12月底的平均温度作为仓内粮堆以及仓壁的初始温度，以2017年实测仓房的外界温度作为外界环境温度，模拟计算一年内粮堆温度变化，每个月按30 d进行计算。

1.2.2 壁面边界条件

粮仓壁面受外界环境温度变化影响明显，仓壁温度变化直接影响静态储粮过程中粮堆温度。在长时间储粮过程中对仓壁的太阳辐射与对流换热是外部传热的主要因素，在加载太阳辐射模型时，外界实际环境以及对仓顶与四周壁面的太阳辐射量不尽相同，计算结果不仅复杂而且会造成较大误差。将仓顶四周壁面的太阳辐射转化为仓壁热的吸收温度，与外界环境温度组成综合温度进行计算，仓房底面为绝热壁面。

1.2.3 稻谷粮堆属性

在COMSOL软件处理过程中会将仓内粮堆作为独立的多孔介质来计算，稻谷籽粒间存在空隙，仓内空气会在孔隙流动过程中携带热量的传递。粮堆静态储粮过程中的传热研究主要涉及稻谷堆的导热系数、比热容、密度与孔隙率等参数，它们对数学模型的构建以及模拟计算产生很大影响。平房仓内储存粮种为江西产籼稻，根据实测以及相关资料得到其具体参数。

1.2.4 隔热材料属性

平房仓所用的吊顶材料为聚氨酯保温板，是以聚氨酯硬泡为芯材，单面轧花铝板合成的复合板材，材料导热系数低且具有良好的隔热效果。吊顶安装不会破坏原有仓房屋架结构，仓顶壁面所吸收的热量需要通过隔热吊顶再传导入粮仓内部，在夏季高温期间能有效降低粮堆温度的升高，隔热吊顶能够起到明显作用。

COMSOL数值模拟过程中准确设置参数对粮堆内热传递的计算有很大影响。COMSOL数值模拟静态储粮过程中各边界条件与材料属性的参数设置如表1所示。

表1 COMSOL数值模拟的相关条件和材料参数设置

1.3 粮堆内热传导(控制)方程

仓内粮堆在储藏期间都需遵守质量守恒、动量守恒以及能量守恒方程[15]，在COMSOL数值模拟过程中会自动代入平衡方程进行求解。

质量守恒方程：

(2)

式中:ρa、ρf分别为空气密度、参考温度下的空气密度，kg/m3；t为时间，s；μf为参考温度下的空气速度，m/s；xf为x方向变化量。

动量量守恒方程：

(3)

式中:φμ为空气速度变化量，m/s；K为粮堆的渗透率；∂p为水蒸气分压梯度；δy为定温状态下水分含量变化而引起的分压变化量；g为重力加速度，m/s2；β为空气膨胀系数；T0、T为参考温度、当前温度，K。

能量守恒方程：

(4)

式中:ρg为稻谷粮堆的干密度,kg/m3;ρa为空气密度，kg/m3；Cg为稻谷粮堆的比热容，kJ/(kg·K);Ca为空气的比热容，kJ/(kg·K)；Kg为稻谷粮堆的导热系数，W/(m·K)；hfg为常量，为2 476.55 kJ/kg；Wg为干基水分，%；qh为呼吸释放热量,kJ；Yco2为粮堆呼吸每天CO2释放率。

在静态储粮过程中不存在强制的对流换热与通风过程，粮堆与孔隙之间的气流温差可以忽略，故不考虑由温度变化引起的自然对流传热。粮仓是由仓壁与粮堆间的热传导为主，热量传导的数学模型为：

Q=-kT,

(5)

式中：Q为热通量密度，kJ/(m2·s)；k为粮堆的热传导系数，W/(m·K)；T为粮堆的温度，K。

2 模拟结果与分析

通过COMSOL软件数值模拟了高大平房仓静态储粮一年内粮堆温度变化，对比不架设隔热吊顶与架设隔热吊顶后仓内整体粮堆的平均温度以及上层粮堆平均温度，得出静态储粮过程中热传导规律，验证了架设吊顶材料的隔热性能。

2.1 不架设隔热吊顶仓内粮温分布

图3为高大平房仓不架设隔热吊顶静态储粮一年内粮堆温度变化情况。由图3可知，粮堆温度受外界季节性气温变化影响明显。在静态储粮前3个月时，仓内粮堆处于较低温度，随着外界环境温度逐渐上升，靠近粮仓壁面处的粮堆温度上升较快，并逐渐向粮堆内部进行热传递；静态储粮6个月时，外界环境温度保持持续上升趋势，仓内空气受环境温度变化影响后上升比较明显，距仓壁较远处粮堆温度也有一定幅度上升；静态储粮9个月时，外界环境温度相比一年内最高温度略有下降，但粮堆之间温度的传导是缓慢而持续的过程，粮堆内部温度仍呈现缓慢升高的趋势。由于外界温度对仓壁影响最为明显，仓壁附近处粮堆温度会出现小幅度下降；静态储粮12个月时，外界环境达到最低温度，仓壁面处粮温达到最低，距仓壁1～3 m处会出现相对高温带，主要是由于粮堆的热传导性较差，内部温度不能及时传递出去从而形成相对高温带。由于仓内热传导难以传递到粮堆底部，在整个静态储粮过程中仓内中心及底部粮堆温度一直保持较低状态。

图3 不架设隔热吊顶一年内粮堆温度变化

2.2 架设隔热吊顶后仓内粮温分布

图4为高大平房仓内架设隔热吊顶后静态储粮一年内的粮堆温度变化情况。由图4可知，架设隔热吊顶后仓内粮温分布与不加隔热吊顶时变化趋势及传热过程基本一致。在春季储粮期间，由于外界环境温度较低，仓壁温度通过隔热吊顶传导后仓内整体粮温变化幅度较小，与不架设隔热吊顶整体粮温基本一致；在夏秋季储粮期间，外界环境温度大幅度提高，仓壁温度会明显高于粮堆温度，在架设隔热吊顶后，仓壁向粮堆所进行的传热过程首先要经过隔热层，由于隔热材料具有较低的导热系数，在夏秋季由仓壁传导至粮堆的热量会有明显幅度的降低，粮堆整体平均温度相较不设隔热吊顶明显降低；在冬季储粮期间，外界环境温度达到最低，粮仓壁面向仓内传递过程与不设隔热吊顶相似，仓内粮堆中心及底部温度处于较低状态，两种仓内粮堆平均温度在冬季期间基本相同。

图4 架设隔热吊顶一年内粮堆温度变化

2.3 隔热效果比较分析

2.3.1 架设隔热吊顶前后仓内整体粮堆平均温度的比较

通过对比仓内架设隔热吊顶前后每季度的温度分布，在COMSOL软件中提取出静态储粮过程中整体粮堆平均温度。架设隔热吊顶前后每月粮堆整体平均温度变化曲线如图5所示。

图5 架设吊顶前后仓内粮堆整体平均温度曲线

由图5可知，架设吊顶前后仓内粮堆整体平均温度变化趋势相似，粮堆整体温度也呈现出季节变化的特征，夏季期间粮堆整体温度上升较快，冬季期间整体粮温会有所下降。架设吊顶后粮堆整体平均温度相较不架设时平均下降2～3 ℃，隔热吊顶对整体平均粮温有一定影响，但由于仓内粮堆内部存在大部分低温区域，整体平均温度在增加隔热吊顶后下降并不明显。

2.3.2 架设隔热吊顶前后仓内上层平均粮温的比较

通过对比仓内架设隔热吊顶前后每季度的温度分布，在COMSOL软件中提取出静态储粮过程中仓内上层平均粮温。根据架设隔热吊顶前后上层平均粮温随时间变化的规律绘制出温度变化曲线，结果如图6所示。

图6 架设吊顶前后仓内上层平均粮温曲线

由图6可知，架设吊顶前后仓内上层平均粮温相较整体平均粮温上升幅度大，上层粮堆平均温度均会高于整体平均粮温。架设吊顶后上层平均粮温相较不架设时平均下降3～4 ℃，这是由于上层粮堆离仓顶壁面较近，热传导更直接与持续，吊顶可以起到有效隔热作用，控制上层粮温的上升幅度。

3 结论

静态储粮过程中仓内粮温随外界环境变化较大。当外界温度升高时，壁面处的粮堆温度上升较快，随着粮食与壁面之间的距离增加，粮堆温度变化缓慢。粮堆温度随外界环境温度变化明显，并表现出随季节变化的趋势。架设隔热吊顶前后，粮堆温度分布趋势相同。对比架设吊顶前后仓内粮堆整体平均温度，架设吊顶后粮堆整体平均温度相较不架设时平均下降2～3 ℃，整体平均温度在架设隔热吊顶后有一定程度下降。对比架设吊顶前后仓内上层平均粮温，架设吊顶后上层平均粮温相较不架设时平均下降3～4 ℃，架设隔热吊顶能明显降低上层粮温。