不同地区不同储存条件对储粮“热皮”厚度的研究

郝立群 刘建保 戴志桐 高彬彬蒋传福 朱昌保 张文武 曹 阳

(辽宁省粮食科学研究所1，沈阳 110032) (辽宁大连金州国家粮食储备库2，大连 116199) (中粮贸易曲家粮库3，铁岭 112516) (浙江省储备粮管理有限公司4，杭州 310006) (安徽现代粮食物流中心库5，合肥 231199) (安徽省粮油科学研究所6，合肥 230031) (安徽省粮食集团有限责任公司7，合肥 230009) (国家粮食和物资储备局科学研究院8，北京 100037)

我国粮食产量大，储备量高，同时由于储藏时间长，导致储存期间的损耗也较高[1]。粮食储藏中，粮油仓储管理人员通过观察跟踪粮温，根据经验对仓房内储粮状况、粮温分布规律做出判断，并对粮堆进行“热皮冷心”或“热心冷皮”等定性化描述[2-4]。张前等[5]报道，表层粮层厚度定义在3 m是根据目前高大平房仓常用的测温系统温度传感器布置位置，粮面和沿墙的传感器一般位于粮面下0.5 m或距墙面0.5 m，它们与下层和内层传感器的最近距离为5 m，取中点距离2.5 m为温度传感器所代表的粮温范围。因此，表层粮层厚度定义为3 m，目前只能用这些传感器检测的温度范围代表“热皮”温度。尹君等[6]研究表明，粮堆温度对粮堆内的水分迁移、微生物滋长和虫害活动等都有十分重要的影响，是决定储粮生态系统安全的关键因子之一，准确掌握粮堆温度场分布、通过温湿度场的耦合分析预测粮堆温度场变化趋势，是预判储粮安全状态的重要方法之一。刘肖丽等[7]研究表明，稻谷在实际储备时，尽量控制储存温度在30 ℃以下，入库水分尽量控制在13%以内。从粮食加工角度来看，不论是稻谷、小麦，还是玉米，其水分在15%时，可获得品质较好的成品，为解决粮食储存与粮食加工的矛盾，需要提升粮食储存条件，仓房保温势在必行。

利用温度传感器密集阵列与仓房自身设置的测温系统相结合，通过采集不同季节粮堆温度，对我国北方、南方部分筒式仓、房式仓进行模拟实验研究，测定粮堆“热皮”厚度，为仓房保温措施的制定提供精准指导意见。

1 材料与方法

1.1 实验材料

根据纬度差在南北方各选取4家粮库，对其房式仓、筒式仓进行测试，仓房情况见表1。

表1 实验仓房情况

1.2 实验方法

由于粮食是热的不良导体，小麦导热系数仅为0.15 W/(m·K)，尽管受夏季高温影响，粮堆表层最高温度近30 ℃，而高热区域只出现在表面不足1 m处，在粮堆内部仍然保持巨大的“冷芯”。随着夏季热量的传入和积累，粮堆上部出现温度较高区域，“冷芯”有所减小，在粮堆上层出现一个由积热产生的厚度约2 m、跨度约18 m、均温约在13 ℃、最高温度达到17 ℃的暖区域[6]。

金州库实验方法：从3月至10月，粮温测试系统每天9:00与14:00定时自动采集所测区域温湿度数据，并实时传输至远程服务器上，通过邮件接收。

其他粮库实验方法：仅在外温最高的8月或9月，采用由手持测温仪和粮堆测温杆构成的测温系统进行现场测试，并截取粮仓本身设置的测温系统近一段时间内粮堆温度进行综合判定。

1.3 实验仪器

金州库将储存小麦的1个筒仓和1个平房仓、储存玉米的1个平房仓作为实验仓。粮温测试系统由电脑、主机、分机、控制器、无线模块、仓内外温湿度传感器、粮堆测温杆、测温电缆、通讯电缆等构成。仓内外温湿度传感器每仓各1组，每组由1个温度传感器、1个湿度传感器构成。粮堆测温杆长2.0 m，外壳为不锈钢管，内部由顶端开始，间距10 cm，布置20个温度传感器。粮堆测温杆内布设的温度传感器测温范围为-40 ℃～+60 ℃、检测速度≤128点/s、分辨率≤0.1 ℃、误差≤±0.5 ℃。每仓布置2组，每组20根，从仓壁南侧开始布点，每10 cm布设1根测温杆，连续布置至2 m处；组间距2 m。在4 m2测试范围内，布置800(400×2)个温度测点，见图1、图2。

图1 测温杆水平布置图

图2 测温杆垂直布置图

其他实验仓采用由手持测温仪和粮堆测温杆构成的测温系统，粮堆测温杆长1.8 m，外壳为软管，内部由顶端开始，间距10 cm，布置16个温度传感器。测量时，测温杆间距10 cm。粮堆测温杆内布设的温度传感器测温范围为-40 ℃～+60 ℃、检测速度≤128点/s、分辨率≤0.1 ℃、误差≤±0.5 ℃，并且采用粮仓本身设置的测温系统，对粮温进行测试。

2 结果与分析

2.1 测试结果

2.1.1 金州库实验仓

3月至4月，大气最高温度在10～25 ℃之间，仓温为5～15 ℃。储存小麦立筒仓、小麦平房仓、玉米平房仓，表层粮温为6～13 ℃，测试区域平均粮温为-1～6.5 ℃之间。以平均粮温和最高粮温判定，处于低温储粮模式。其后随着外温与仓温的升高，逐步形成“热皮”，见图3～图5。

5月至6月，大气最高温度在25～35 ℃之间。以储存小麦平房仓为例，仓温在20～25 ℃之间，测试区域平均粮温分别为7～14.5 ℃，表层最高粮温为27 ℃，以平均粮温判定为低温储粮模式，以最高粮温判定为常温储粮模式。

7月至9月中旬，大气最高温度在30～40 ℃之间，8月初达到一年当中的最高值。以储存小麦平房仓为例，仓温在25～30 ℃之间，测试区域平均粮温分别为16～19 ℃，表层最高粮温为29 ℃。

图3 金州库小麦立筒仓温度图

图4 金州库小麦平房仓温度图

图5 金州库玉米平房仓温度图

8月2日至27日，表层粮温维持在高位。以8月27日层列间粮温数据为例，见图6、图7。

10月份这一地区的大气温度回落较快。10月上旬，大气最高温度在20～25 ℃之间，仓温为20～22 ℃，10月中旬，大气最高温度在15～25 ℃之间，仓温为16～20 ℃。储存小麦立筒仓和平房仓、储存玉米平房仓的表层粮温为16～20 ℃。储粮模式由常温储粮模式变为准低温储粮模式。

图6 金州库储存小麦平房仓层间粮温图

图7 金州库储存小麦平房仓列间粮温图

2.1.2 其他库实验仓

曲家库采用手持测温仪和粮堆测温杆对浅园仓进行测试，距粮层表面1.8 m范围内，粮温处于25～30 ℃之间，距仓壁0.5～2.0 m范围内，粮温处于25～30 ℃之间，数据见图8、图9。采用仓体自身设置的测温系统对浅园仓进行测试，数据见图10、图11。德清库采用手持测温仪和粮堆测温杆对高大平房仓进行测试，其结果类同于曲家库数据形态。采用仓体自身设置的测温系统对高大平房仓进行测试，数据见图12、图13。

衢州库采用仓体自身设置的测温系统对高大平房仓进行测试，数据见图14、图15。采用仓体自身设置的测温系统对浅园仓进行测试，数据见图16、图17。

图8 曲家库储存玉米浅园仓层间粮温图

图9 曲家库储存玉米浅园仓列间粮温图

图10 曲家库储存玉米浅园仓层间粮温图

图11 曲家库储存玉米浅园仓列间粮温图

图12 德清库储存小麦高大平房仓层间粮温图

图13 德清库储存小麦高大平房仓列间粮温图

图14 衢州库储存小麦高大平房仓层间粮温图

图15 衢州库储存小麦高大平房仓列间粮温图

图16 衢州库储存小麦浅园仓层间粮温图

图17 衢州库储存小麦浅园仓列间粮温图

2.2 “热皮”厚度判定

2.2.1 金州库各实验仓

对于粮堆内的霉菌与储粮害虫，22～28 ℃是其易于生存与繁殖的温度。以20 ℃为标准，判定储存小麦平房仓“热皮”厚度，从图6层间粮温图来看，除去仓壁导热对表面粮层的影响，在1～10点范围内，20 ℃温度线上有7～9条温度线，从图7列间粮温图来看，除去表面粮层导热对仓壁的影响，在11～20点范围内，20 ℃温度线上有7～8条温度线，说明小麦平房仓垂直方向“热皮”厚度为70～90 cm，水平方向“热皮”厚度为70～80 cm。同样判定，无保温层立筒仓垂直方向“热皮”厚度为1.7 m，水平方向“热皮”厚度为1.2 m。各仓“热皮”厚度见表2。

表2 “热皮”厚度/m

以20 ℃为标准，依据图3、图4、图5判定各仓“热皮”形成时间，见表3。

表3 “热皮”形成时间

在“热皮”厚度方面，未作保温处理的筒仓，其“热皮”厚度明显大于仓顶进行保温处理平房仓；在“热皮”形成时间方面，进行保温处理的平房仓比未作保温处理的筒仓，时间滞后13～17 d。

2.2.2 其他库各实验仓

其他各库房式仓“热皮”厚度见表4，筒式仓“热皮”厚度见表5。

表4 房式仓“热皮”厚度

表5 筒式仓“热皮”厚度

2.3 结果分析

2.3.1 “热皮”厚度分析

“热皮”厚度研究其实质是有效积温问题研究。当以20 ℃为判定标准时，由于浅园仓基本未作保温处理，北方浅园仓“热皮”厚度为7.0 m，南方浅园仓“热皮”厚度为4.5 m，已经不是“热皮”厚度概念，表现为“热层”厚度。北方平房仓“热皮”厚度少则0.5 m、多则3.2 m，与罩棚仓“热皮”厚度为4.0 m相近，南方平房仓通过采取相应措施，“热皮”厚度可控制在1.5 m左右。

2.3.2 判定标准分析

在“热皮”厚度判定中，以霉菌、储粮害虫易于生长、繁殖、活动的某一温度固定值为判定标准，判定方法比较简便、易于操作，但不能反映“热皮”、“冷芯”、“中间过渡层”之间的关系。由此，也可采用温度波动范围作为判定标准，“冷芯”因其温度相对稳定，以每年温度波动范围在5 ℃以内；“热皮”因其温度波动较大，每年温度波动范围在10 ℃或15 ℃以上；两者之间为“中间过渡层”。在开展粮堆“热皮”判定时，应根据仓房结构形式、气密性、保温性、所处地域、储粮模式、仓温控制措施、储粮品种等，采取固定值与波动范围相结合设定判定标准。

2.3.3 围护结构分析

热量传递方式有对流、传导和热辐射3种，反映到储粮仓则是粮堆围护结构总传热系数问题。只有围护结构的隔热性能达到要求，才可将“热皮”厚度限制在要求的范围内。围护结构总传热系数用K表示，单位为W/(m2·K)。传热系数与热阻R成倒数关系，即：K=1/R。通常粮堆围护结构传热属于复合传热，总热阻R为内、外表面对流换热热阻Ra与导热热阻Rλ之和，即：R=Rαw+Rλ+Rαn。

式中：αw为围护结构外表面换热系数，一般取23 W/(m2·K)；αn为围护结构内表面换热系数，一般取10 W/(m2·K)；Ri为围护结构中第i层材料导热热阻/(m2·K)/W；δi为围护结构中第i层材料厚度/m；λi为围护结构中第i层材料导热系数/W/(m2·K)。

假设一个储粮仓处于第四、六生态储粮区，要求其具有良好的隔热性。依据GB 29890《粮油储藏技术规范》规定，用于低温储粮仓仓墙传热系数为0.53～0.58 W/(m2·K)，取其中值0.55 W/(m2·K)，仓顶传热系数不大于0.40 W/(m2·K)。分别计算，导热系数为0.40 W/(m·K)、500 mm厚的砖墙墙体，导热系数为2.0 W/(m·K)、500 mm厚的混凝土墙体，以及导热系数为2.0 W/(m·K)、100 mm厚混凝土预制板仓顶，在加设导热系数为0.05 W/(m·K)高效阻燃保温材料时所需要的厚度。

砖墙墙体：

混凝土墙体：

混凝土仓顶：

3 结论

由于实验用的粮堆测温杆长度及粮仓本身设置的测温系统间距所限，除金州库外，仅给出了表面粮层“热皮”厚度。对于仓壁四周“热皮”厚度，以及因地热传导产生的粮堆底部“热皮”厚度，有待于进一步研究验证。因此，在“热皮”厚度测试上，应针对每个仓房的具体结构形式，开展整仓、全方位、全储粮时段测试，通过建立数学模型，得出各部位“热皮”厚度范围。

在设计或改造粮仓储粮条件时，应依据储粮堆围护结构情况、储粮品种、所处地域、气密性、“热皮”厚度范围等，计算保温层厚度，选取导热系数小于0.05 W/(m·K)的高效阻燃保温材料，在不增加储粮成本前提下，可使储粮堆由原先的常温储粮模式改变为准低温储粮模式甚至是低温储粮模式[8]，可使整体粮温控制在所设定的范围内，为制定粮仓保温措施和确保粮食安全、绿色、保质储存提供参考。