外热源对立筒仓粮堆渗流通风控温系统性能影响的试验研究

王晓东 陈 雁 丁永刚 宋宏洋 代贤达

(河南工业大学 土木工程学院，郑州 450001)

我国是产粮和储粮大国，粮食产后损失较为严重，储粮损耗占粮食产后总损失的40.3%[1]。位于我国南方地区的立筒仓储粮由于冬季蓄冷量不足和夏季环境高温的影响，粮堆的温度场分布易呈现为“热皮冷芯”，储粮质量难以得到保证，需要对粮堆进行通风降温以保证安全度夏。太阳辐射是粮堆得热的主要原因，研究仓外热源对储粮通风降温过程的影响具有重要的现实意义。

为研究粮堆参数变化和其自身特性，国内外进行了大量相关工作。Quemada-villagomez等[2]在自然储藏的条件下对粮堆的温度和湿度分布进行了模拟研究，探讨了环境对储粮热湿分布的影响。为进一步显现储粮环境对粮堆温湿度的影响，多采用人工干预(加热、加压等)的方式进行研究[3-5]。目前关于储存条件与储粮质量相关性的研究可为储粮的风险评估提供一定的参考[6-9]。为对储粮环境进行合理计算，已有研究考虑了粮堆自身特性对计算模型进行优化，主要优化内容包括仓内通风传热、粮堆内部气流阻力以及通风过程中静压分布等[10-15]。而数值模拟的计算精度与模型选择、网格划分方式均具有一定的相关性，目前研究已从模型精度对比和优化网格划分方法逐步深入[16-17]。针对在不同工况下的粮堆热湿传递规律，王远成等[18-22]对自然对流和谷冷通风的工况进行了数值模拟及数学分析，分析了粮堆内参数的变化规律。

关于储粮环境优化，国内相关研究多采用试验和模拟相结合的方法，为改进粮堆通风方式和储粮环境预测提供了一定参考[23-25]。而针对我国南方地区常见的“热皮冷芯”现象，近年来研究也逐步深入。我国粮库的“热皮”厚度及“热皮冷芯”现象出现时间与地理位置、储存条件相关[26-27]。以钢板浅圆仓和平房仓为例，尹君等[28-29]运用粮温拟合算法、Matlab模拟软件和WU模型构建粮堆温度场模型，指出在夏季浅圆仓和平房仓中的粮堆存在“冷芯”现象，并给出了解决粮堆表层易结露的解决方案，但上述研究并未针对粮堆“热皮”进行有效控制。

由于在夏季粮堆通风控温过程中太阳辐射对粮堆温度产生了不可忽略的影响，本研究拟建立具有仓顶外辐射热源和渗流通风控温系统的立筒仓，采用试验方法对不同方案下粮堆的渗流通风控温效果进行研究，旨在为立筒仓渗流通风控温系统的工程应用提供一定的参考数据。

1 材料与方法

1.1 材料及设备

本试验采用的储粮种类为脱壳后的籼米，密度824 g/L，含水率9.93%，孔隙率37.5%。试验过程中，所使用的数据采集设备为Agilent数据采集仪(34 970A)和Rotronic多通道温湿度记录仪(HL-NT3-D)；通风控温设备为硅晶电热膜取暖器(NDYC-25C-WG)、移动空调单冷一体机(JHS A001C)、管道排风机(DPT10-23-1)。其中硅晶电热膜取暖器最大制热功率2 500 W，移动空调单冷一体机最大制冷功率2 610 W，试验过程中立筒仓顶部所受辐射强度平均值为566 W，与试验所在地(郑州)典型气象年法向直射辐射强度的最大平均日间辐射量(668 W)相差15%左右。

1.2 试验台设计

本研究所设计的渗流通风控温系统由空调机、排风机、织物风道和通风地笼组成。在通风控温时，空调机的冷空气由送风口进入试验仓，可在粮堆上方形成稳定的冷空气层，进而隔断仓顶传入的热量和降低粮堆上层温度，同时借助地笼的引流作用使得送入粮堆的冷空气尽可能在贴壁位置的粮堆进行换热，最后利用排风机引出仓外。

模拟试验仓位于河南省郑州市，试验仓直径为0.8 m、高度为1.0 m、仓壁厚5 mm，仓底和仓壁附有橡塑保温材料，厚度为2 cm。环形织物风道直径为0.1 m，在粮堆上方0.2 m处沿仓内壁布置，用以通入冷空气，送风装置为JHS A001C移动空调单冷一体机；通风地笼的直径为0.05 m，在仓内底部贴内壁布置，用以引导上方冷空气贴壁换热，由管道引出试验仓，排风装置为DPT10-23-1管道排风机。为有效表述粮堆内不同位置的温度变化，根据测量点位分布将三角形测点数据的平均值定义为粮堆内芯参数，将圆形测点数据的平均值定义为粮堆外皮参数，方形测点数据为粮堆内外相对湿度数据。渗流通风控温系统示意图及测点布置见图1。

1.仓体；2.织物风道；3.通风地笼 Ⅰ.相对湿度测点；Ⅱ.粮堆外皮测点；Ⅲ.粮堆内芯测点 1.Warehouse body; 2. Fabric air duct; 3. Ventilated ground cage Ⅰ.Relative humidity measuring point; Ⅱ.Measuring point at the skin of grain bulk; Ⅲ.Measuring point at the core of grain bulk图1 渗流通风控温系统示意图及测点布置Fig.1 Schematic diagram of seepage ventilation temperature control system and measurement point layout

模拟试验仓中的装粮高度为0.6 m，试验仓左侧为送风口，其两侧接空调机和织物风道，用以送入冷空气对粮堆进行降温；试验仓右侧为出风口，其两侧接排风机和通风地笼的引出管道，用以排出通风换热后的空气。仓顶上方0.5 m处放置硅晶电热膜取暖器，用以在试验过程中对粮堆进行升温。试验台整体布置见图2。

1.空调机；2.立筒仓；3.排风机；4.加热器；5.数据采集设备 1.Air conditioner; 2.Silo; 3.Exhaust fan; 4.Heater; 5.Data acquisition equipment图2 试验台整体布置图Fig.2 Overall layout of the test bench

1.3 试验方案及数据分析

1.3.1试验方案

在试验过程中室温维持在25 ℃左右，试验开始后首先进行粮堆升温，当粮堆均温到达30 ℃后，通过渗流通风控温系统对粮堆进行降温试验，入口冷空气温度约18 ℃，通风降温时间为24 h。本研究以通风量和有/无仓顶外辐射热源为试验因素，设计4种试验方案，探究在不同试验方案下的渗流通风控温系统的性能。

方案Ⅰ和方案Ⅱ：有仓顶外辐射热源，通风量分别为28.26和35.95 m3/h；方案Ⅲ和方案Ⅳ：无仓顶外辐射热源，通风量分别为28.26和35.95 m3/h。

1.3.2数据分析

温度采集设备为Agilent数据采集仪，精度为±0.1 ℃；湿度采集设备为HL-NT3-D多通道温湿度记录仪，精度为±2%。温度、湿度数据采集间隔均为10 min。使用Microsoft Excel 2010，Origin 2021软件进行数据处理。

2 结果与分析

2.1 通风控温前粮堆参数分析

在通风控温前，粮堆高度方向截面温度云图见图3。降温之前温度场具有热分层现象，且各层温度相对均匀，温度从上至下逐步降低。在升温过程中粮堆上层受辐射影响较大，粮堆受热辐射影响的深度在0.3 m左右，在粮堆内部最大温差约为12 ℃。在此工况下若要对粮堆高温区域进行有效控制，需进行通风降温。

图3 粮堆降温前温度云图Fig.3 The temperature cloud of grain bulk before cooling

2.2 不同方案下粮堆参数变化

不同方案下粮堆平均温度变化见图4。降温24 h后，有仓顶外辐射热源的工况，其平均温度下降幅度相较于无外仓顶外辐射热源工况更小，通风量为28.26 m3/h时有外仓顶外辐射热源(方案Ⅰ)和无仓顶外辐射热源工况(方案Ⅲ)降温结束时的粮堆平均温度分别为26.12 和24.92 ℃，而通风量为35.95 m3/h时仓顶外辐射热源(方案Ⅱ)和无仓顶外辐射热源工况(方案Ⅳ)降温结束时的粮堆平均温度分别为23.15 和22.77 ℃，去除仓顶外辐射热源后的粮堆降温效果更为明显。对比在通风量一致的前提下仓顶外辐射热源对粮堆温度的影响可知：通风量为28.26 m3/h时去除仓顶外辐射热源后粮堆平均温度下降2.72 ℃，通风量为35.95 m3/h时去除仓顶外辐射热源后其平均温度下降2.13 ℃，故在通风量增大后外界热环境对粮堆降温的影响有所减弱。

观察各组降温速度变化可以看出，经过一定时长的高速降温阶段后粮堆降温速度显著下降，因此在本研究中规定：在降温速率高于0.01 ℃/min为高效降温段。在试验中，当有仓顶外辐射热源时(方案Ⅰ、Ⅱ)，高效降温段时长分别为90和160 min，在高效降温段终了时其粮堆平均温度分别为27.54 和26.61 ℃；当无仓顶外辐射热源时(方案Ⅲ、Ⅳ)高效降温段时长均为230 min，在高效降温段终了时粮堆平均温度分别为24.89和24.95 ℃。因此在有仓顶外辐射热源的工况下，通风量增大后高效降温段时长会有所增加，其温度随之降低，而在无仓顶外辐射热源工况下，高效降温段时长和高效降温段终了时的温度并未出现明显差异。

在升温和渗流通风控温过程中，粮堆上方空气层区域湿度和粮堆粒间相对湿度均低于60%，波动幅度不超过10%。

方案Ⅰ和方案Ⅱ：有仓顶外辐射热源，通风量分别为28.26和35.95 m3/h；方案Ⅲ和方案Ⅳ：无仓顶外辐射热源，通风量分别为28.26和35.95 m3/h。下图同。 Schemes Ⅰ and Ⅱ have radiant heat source outside the silo roof, and the ventilation rates are 28.26 and 35.95 m3/h， respectively; Schemes Ⅲ and Ⅳ have no radiant heat source outside the silo roof, and the ventilation rates are 28.26 and 35.95 m3/h, respectively. Same as the Figs below.图4 4种试验方案下粮堆平均温度随时间的变化Fig.4 The average temperature change of grain bulk with time under 4 test schemes

2.3 不同方案下粮堆外皮和内芯温度变化

在4种试验方案下，粮堆外皮和内芯温度随时间的变化见图5。由图5(a)可见，在具备仓顶外辐射热源的工况下，增大通风量后粮堆外皮的温度进一步下降，降温结束时方案Ⅰ、Ⅱ的粮堆外皮温度差值为1.56 ℃；而在无仓顶外辐射热源的工况下，不同通风量下的外皮位置温度变化趋势基本一致，在降温结束时方案Ⅲ、Ⅳ的外皮位置温度差值仅为0.30 ℃。因此粮堆外皮位置的温度在有仓顶外辐射热源的工况下受通风量的影响较大。由图5(b)可以看出，在4种方案下粮堆内芯温度均呈先升后降的变化趋势，变化幅度在1.2 ℃以内，均小于粮堆外皮位置的降温幅度。受粮堆上层高温的影响在降温开始后的一定时间内会出现温度升高的现象，其温度上升幅度均在0.50 ℃以内。在无外仓顶外辐射热源、通风量为35.95 m3/h的方案下通风控温前后粮堆内芯温度变化量最大(Δt=1.11 ℃)，但仍远小于粮堆外皮位置的温度变化量，说明在该渗流通风控温系统下粮堆内芯位置温度受通风的影响程度小于外皮位置。

2.4 粮堆温度云图分析

有仓顶外辐射热源工况下，通风控温结束时粮堆高度方向截面温度云图见图6。通风量为28.26 m3/h工况下通风控温24 h后，粮堆下层温度相对较低，粮堆中、上层中间位置温度较高，且其高温区域的面积延伸至粮堆上层，说明在通风量为28.26 m3/h时粮堆上方的冷空气层并未完全隔断外界传入的热量。在有仓顶外辐射热源时，通风量由28.26 m3/h增至35.95 m3/h后，粮堆上层区域温度得到有效控制，其中上层贴壁区域储粮的温度控制效果最为明显(温度降低2.17 ℃)，外界传入的热量被基本隔断；在通风量增至35.95 m3/h后通风控温结束时，平均温度下降1.2 ℃，外皮位置温度由26.27 ℃降至24.71 ℃，内芯位置温度由26.16 ℃降至25.46 ℃，外皮和内芯的温度降幅为1.56和0.70 ℃。因此在有仓顶外辐射热源的工况下增大通风量可有效降低粮堆温度，该渗流通风控温系统可在对粮堆内芯影响较低的前提下对外皮位置的温度进行控制，此外在粮堆下方风量汇集区域的温度相对粮堆底层其他区域较低。

图6 有仓顶外热源时不同风量下(方案Ⅰ、Ⅱ)渗流通风控温后粮堆温度云图Fig.6 The temperature cloud of grain bulk after temperature control by seepage ventilation under different air volume in case of heat source outside the silo roof (schemes Ⅰ and Ⅱ)

无仓顶外辐射热源的工况下，通风控温结束时粮堆高度方向截面温度云图见图7。没有外界辐射热量传入后，粮堆上层温度均可以得到有效控制。通风量为28.26 m3/h工况下通风控温24 h后，粮堆高温区域集中于粮堆内芯位置，而粮堆外皮位置温度相对较低，内芯和外皮的温差为1.50 ℃，通风对粮堆外皮位置控温效果相对于内芯位置更为明显(图7(a))。通风量由28.26 m3/h增至35.95 m3/h后，通风控温结束时粮堆平均温度下降了0.39 ℃，外皮位置温度由24.43 ℃降至24.35 ℃，内芯位置温度由26.16 ℃降至25.46 ℃，外皮和内芯的温度降幅为0.30 ℃、0.08 ℃(图7(b))。相比于有仓顶外辐射热源工况，无仓顶外辐射热源工况下增大通风量对于粮堆各位置温度的影响较弱。

图7 无仓顶外热源时不同风量下(方案Ⅲ、Ⅳ)渗流通风控温后粮堆温度云图Fig.7 The temperature cloud of grain bulk after temperature control by seepage ventilation under different air volume in case of no heat source outside the silo roof (schemes Ⅲ and Ⅳ)

对比相同通风量下仓顶外辐射热源对粮堆控温效果的影响可知，在通风量为28.26 m3/h时降温后粮堆外皮位置温度降低2.97 ℃，内芯位置温度降低1.73 ℃；通风量为35.95 m3/h时降温后粮堆外皮位置温度降低2.15 ℃，内芯位置温度降低1.10 ℃，因此有仓顶外辐射热源工况下，增大通风量会强化渗流通风控温系统对粮堆外皮位置的控温性能，其原因在于通风量的增大强化了粮堆上层空气的隔热性能、增加了输入粮堆的冷量。

2.5 经济性分析

结合实际应用，有、无仓顶外辐射热源的工况可分别类比为日间和夜晚，结合在不同方案下渗流通风控温系统的控温性能，对该系统的经济性做如下分析：

1)通风量增大后粮堆外皮位置温度降幅低于内芯，但在有仓顶外辐射热源的工况下粮堆外皮位置温度降幅更为明显，说明低通风量的工况难以抵消外界传热，而在通风量增大后外界传热被有效隔断，粮堆控温效果更为明显；

2)在日间有外部热源情况下对粮堆进行降温，无论通风量高低，渗流通风降温效果均弱于无仓顶外辐射热源的情况。以郑州地区典型气象年中具有法向直射辐射强度最大值的一天(9月7日)为参考，分析该立筒仓得热量变化规律，具有渗流通风控温系统的立筒仓应分时段采用不同通风量的工况运行，其中通风量与输入粮堆冷量呈正相关。典型气象年中9月7日分时段通风时具有渗流通风控温系统的粮堆能量变化见图8。可见 10:00—17:00时段内，立筒仓粮堆因太阳辐射的得热量明显高于因渗流通风的输入冷量，若在该时段进行高通风量的降温，会由于输入冷量无法抵消太阳辐射传热量而使粮堆升温，故应减少通风量，降低该时段粮堆升温风险；若为消除通风升温的风险，需要提高输入冷量至太阳辐射量峰值，但会大幅增加制冷、通风设备成本和运行成本；在其他时段内进行通风则不会出现粮堆升温的情况。因此在日间应以较低通风量运行，以通风隔热为主；在夜间应以高通风量运行，以粮堆降温为主。

图8 典型气象条件下分时段通风渗流通风控温系统对粮堆能量变化的影响Fig.8 Influence of seepage ventilation and temperature control system on energy change of grain bulk during ventilation in different periods under typical meteorological conditions

3 结 论

本研究建立了具有仓顶外辐射热源和渗流通风控温系统的立筒仓，以有/无仓顶外辐射热源和通风量为试验因素，研究其对粮堆渗流通风控温系统性能的影响；结合试验仓所在地典型气象条件，对渗流通风控温系统的应用进行经济性分析，得到结论如下：

1)仓顶外辐射热源对粮堆的影响深度约0.3 m，粮堆内部会出现明显的热分层现象；有仓顶外辐射热源工况下使用渗流通风控温系统进行粮堆降温，增大通风量可更为有效地隔断外界传热。

2)在通风降温过程中，粮堆温度变化存在高效降温段，其高效降温段时长在有仓顶外辐射热源的工况下随通风量上升而增加(由90 min延长至160 min)，在仓顶外辐射热源的工况下变化通风量后高效降温段时长并未发生明显变化(230 min)；该渗流通风控温系统在降温过程中粮堆粒间相对湿度均低于60%，表明利用该渗流通风控温系统进行通风控温不易出现粮堆结露现象。

3)存在仓顶外辐射热源时，立筒仓渗流通风控温系统可在影响粮堆内芯温度较小的前提下控制粮堆外皮温度，在通风量增大后，粮堆外皮位置控温效果更为明显；在去除仓顶外辐射热源后，通风量增大使得粮堆外皮位置的控温效果有所减弱，外皮位置温度降幅缩小0.82 ℃。

4)实际应用中，由于日间太阳辐射的动态变化，该渗流通风控温系统在日间应以隔断外界传热为目的保持低通风量运行，在夜晚以降低粮堆温度为目的保持高通风量运行。