营造绿色低温粮库

吴卫东，梅 竹

(国粮武汉科学研究设计院有限公司，湖北 武汉 430079)

近期，随着两大传统粮食出口国俄罗斯和乌克兰之间战局的不断发展，国际粮食价格水涨船高，更加凸显国家粮食储备的重要性。以低温储粮为代表的技术先进、绿色环保的低温粮库逐渐被各地大力推广。低温储粮技术是指粮堆温度常年保持在15℃及以下，局部最高粮温不超过20℃的储粮方式。根据《建筑设计防火规范》GB 50016—2014(2018年版)[1](以下简称《建筑设计防火规范》)，粮库属于丙类(二项)，耐火等级可以定为二级；根据《建筑设计防火规范》3.3.2注5，一二级耐火等级的粮食平房仓，最大允许建筑面积扩大到12 000 m2。每个防火分区最大面积不大于3 000 m2。大规模粮库是由多栋粮食平房仓构成。

为了适应大规模储粮，从经济性、实用性、灵活性等方面综合考虑，高大平房仓成为首选。高大平房仓的低温储粮技术也得到长足发展。《粮油储藏技术规范》GB/T 29890—2013中的3.17章节[2]规定了高大平房仓的定义：跨度21 m以上，且设计堆量高度不小于6 m的平房仓。

1 结构选型

1.1 钢筋混凝土排架结构

高大平房仓是指跨度21 m以上，粮堆设计高度不低于6 m的平房仓。为了获得内部无柱的大空间，以便于粮食存储，从经济角度出发排架结构是首选。如果工期允许尽量选择钢筋混凝土排架结构，相对于钢结构来说，从整体结构的防火、保温、耐久性考虑，钢筋混凝土结构都要优于钢结构。

1.2 外维护结构

外维护结构墙体选择在满足粮堆设计高度和建筑本身结构安全性前提下，尽可能减小墙体厚度，外墙保温性能让保温材料承担，尽量选择非粘土烧结砖(多孔或者实心)，价格便宜技术成熟。

1.3 其他结构

沿屋架下弦做一层钢筋混凝土楼板，和屋面板一起形成空腔，空腔内两侧山墙和局部纵墙上设置通风百叶同时安装轴流风机，屋脊处设置无动力风帽，形成低能耗的自然对流通风隔热夹层，有利于排出夏季屋顶部分热量，降低粮堆表面温度。同时，夹层有效减少了粮仓内部容积，特别有利于降低制冷设备能耗。另外，钢筋混凝土夹层楼板使得下部大粮仓的密封性得到加强，非常有利于形成高标准气调仓，对环流熏蒸、氮气气调，内环流控温都非常有利。

2 保温材料的选择

作为低温粮库，其保温性能特别重要。和仓房保温性能直接相关的是保温材料的选择，对整个仓房的影响以及后期使用都有很大影响。低温粮库保温材料的选择最主要看材料的保温性能和防火性能，也就是保温材料的导热系数和燃烧性能。绿色低温库的绿色体现在节能上，应尽可能用最少的能源消耗，达到粮堆平均粮温常年保持在15℃及以下，局部最高粮温不高于20℃的低温库设计要求，同时也要考虑保温材料本身的经济性。在条件允许时尽量选择价格便宜、保温性能好、技术成熟、憎水、容重低的挤塑聚苯板(XPS)或者模塑聚苯板(SPS)，但是二者的燃烧性能常规只能达到B2级，在选择时要特别注意规范设定的各种附加条件。

2.1 外墙外保温保温材料选择

如果设计采用外保温，常见保温材料保温性能最好的是挤塑聚苯板(0.03 W/(m·K))其次是模塑聚苯板(0.041 W/(m·K))，虽然二者的燃烧性能只能做到B2级，根据《建筑设计防火规范》第6.7.5中第2条第3)项[1]的规定“建筑高度不大于24 m时，保温材料的燃烧性能不低于B2级”的规定，正好符合要求，这两种保温材料技术成熟，且价格便宜。虽然纤维状的岩棉毡的保温性达到0.040 W/(m·K)能接近模塑聚苯板，并且燃烧性能非常出色，为A级，但是它的价格要高出很多，从经济性来考虑不如前两者。同样受到经济条件影响的还有达到B1级燃烧性能的硬泡的聚氨酯(0.024 W/(m·K))。

2.2 屋面保温材料选择

原则同外墙，着重看保温和防火。排架结构屋面板根据《建筑设计防火规范》3.2.1[1]的规定，二级耐火等级的粮库，屋面板耐火极限不低于1 h。这一点在选择预制预应力钢筋混凝土屋面板时一定要注意保护层厚度，保护层厚度小的话是达不到1 h的。再根据《建筑设计防火规范》6.7.10[1]的规定，可以采用B2级保温材料，正好可以采用容重小、导热系数低、技术成熟、价格低廉的憎水材料：挤塑聚苯板或者模塑聚苯板。如果采用钢结构屋面板，常用的夹芯压型钢板保温板，保温材料必须达到A级材料，例如岩棉。需要注意的是根据《建筑设计防火规范》6.7.10[1]的规定，如果外墙和屋面均选择了聚苯板或者挤塑聚苯板，屋面和外墙交接处必须设置宽度不低于500 mm的A级防火隔离带，可以选择岩棉制品。

2.3 内保温材料选择

在条件限制无法采用外保温，或者仅凭外保温无法达到要求时，就必须采用内保温设计。内保温首先要考虑防火，其次才是保温性能。根据《建筑内部装修设计防火规范》GB 5022—2017中的6.0.5章节[3]的规定，内保温墙面必须采用B1级，顶棚必须采用A级。B1级常用材料硬泡聚氨酯，其导热系数可达到0.024 W/(m·K)，非常出色。如果采用胶粉聚苯颗粒保温砂浆，考虑到聚苯颗粒本身属于可燃材料B2级，就必须要求供货商提供B1级的产品检测报告。顶棚保温材料燃烧性能总是被忽略，甚至有些粮库顶棚采用硬泡聚氨酯，这是不对的，必须采用A级材料，例如无机保温砂浆。

3 防潮层的设计

低温粮库常年粮温在15℃以下，应在墙面内测、粮堆范围内做一道墙面垂直柔性防潮层，和地面刚性防潮层成为一个整体。《粮食平房仓设计规范》4.2.4[4]规定强制性条文，墙身水平防潮层严禁采用柔性防潮层。需要注意的是，如果采用通风地槽的，防潮层一定不能断开，要做连续。而地面的混凝土垫层本身具备防潮作用，墙体水平防潮层必须采用刚性，设置位置就在地面混凝土垫层厚度范围内，根据规范要求采用防水砂浆防潮层，如果在此范围设置有地圈梁，则地圈梁可以代替防水砂浆防潮层。综上理论上可以看做是两道防潮层，一道最内侧的柔性防潮层；一道地面混凝土垫层和地圈梁(或者墙体水平防潮层)组成的刚性防潮层。刚柔相济，彻底断绝潮气对墙体的侵蚀。墙身水平刚性防潮层可以选用防水砂浆。根据《建筑内部装修设计防火规范》第3.0.7[3]的规定，内装修各构造层次都必须达到规定的燃烧性能要求，最内测的柔性防潮层首先选用燃烧性能不低于B1级的防水材料，否则需要做整体实验达到相应燃烧性能要求。

4 门窗密封和保温措施

达到低温储粮技术的低温仓房，对气密性要求严格，各地对于低温仓房虽然规定各不相同，但是绝大部分都要求达到气调仓2级要求，即整仓，500 Pa到250 Pa半衰期不小于4 min，这是《粮油储藏 平房仓气密性要求》4.2[5]明确规定的。而影响气密性的重要因素就是门窗。必须采用专用密闭保温门才能达到气密性要求，同时满足才《粮食平房仓设计规范》4.2.6[4]的要求：门窗热阻不应小于相应墙体热阻。而墙体热阻。而根据《粮油储藏技术规范》5.1.7[2]的要求，在不同储粮生态区，墙体传热系数最小要达到0.46 W/(m·K)(5区，7区)。可见低温储粮技术的仓房对于门窗的保温性能要求非常严格，这个要求常规民用建筑保温门窗无法达到。同样，对于门窗的气密性要求也是严苛的，门窗气密性指标高于整仓气密性要求，并且在1 000～500 Pa压力下半衰期不应低于2 min，这样的门窗才能达到《粮食平房仓设计规范》4.2.6[4]的要求，常规民用窗户即使是保温效果较好的中空玻璃窗也很难达到这个标准。可以说低温仓房的气密性能和保温性能是绿色低温储粮技术得以实现的关键所在，必须严格执行。需要注意的是各种穿墙管线的洞口密封必须采用相应的密封措施和保温措施，各构造节点保温密封材料的选用要严格按照《粮油储藏 平房仓气密性要求》附录A[5]执行。

5 制冷方式的选择

低温粮库如何实现“绿色”制冷？“因地制宜”是选择合适的绿色制冷方式的诀窍。

5.1 合理利用当地气候条件

北方地区，尤其是三北，内环流控温储粮技术是首选。粮食本身就是热的不良导体，是很优秀的“保温材料”。以稻谷为例,每年10～11月份,入仓时节,室外气温低,空气干燥,是通风降水最佳时机,对稻谷进行就仓干燥，优质稻入库时间尽量在当年的11月底前结束。优质稻入仓一定要从仓房的山墙端开始，根据入库优质稻的含水率情况,当粮堆覆盖一条风道后即可开始对该部分粮食进行通风降水处理。高品质稻入仓期间和入仓结束后，应抓紧平整粮面，并利用机械通风技术平衡粮食含水率，避免水分分层和结露现象的发生。在秋冬季节应利用有利时机将水分逐步降到储藏要求的安全水分以下。这样在粮食入库时利用自然气候，降低粮温，降低含水率，使之成为名副其实的“冷心”，再加前文提到的仓房保温和密封措施，这样的“冷心”可以维持很长时间，即使到了夏季甚至可以利用内环流控温储粮技术将粮堆中心的冷能量传到粮面，使整个粮堆总体温度下降，达到低温储粮的技术要求，成为名副其实的“绿色”储粮。

5.2 水源热泵技术的应用

水源热泵是一种以循环流动于地埋管中的水或井水、湖水、河水、海水或生活污水及工业废水或共用管路中的水为冷(热)源,制取冷(热)风或冷(热)水的设备[6]。“因地制宜”首先得有合适的水源，地下水或者河水，由自然水源利用热泵、管道等形成冷却水循环系统，制冷剂流经冷凝器、压缩机、节流器和蒸发器经过热交换，让自然界的低温水把粮堆的热量带走。由于自然界的水温本身在夏季是低温水，很容易带走粮堆的热量并不需要在设置冷却塔这些散热设备，相比于传统集中空调，实际利用的是自然界的“绿色”能源，节省了投资和能耗。不过在决策时需要考虑水源本身的投资，例如利用地下水的打井回灌等等的投资，综合考虑是否经济、是否“绿色”。

5.3 风冷空调的应用

在没有合适水源无法形成水源热泵的地区，“因地制宜”利用风冷空调是合适的选择。风冷空调的制冷系统主要由压缩机、风冷冷凝器、膨胀阀、蒸发器及其它附件组成，夏季，风冷冷凝器由排风扇向外排热，低温低压的冷媒由管道泵送至室内风机盘管，向仓房吹冷风，达到降低粮温的目的。适合建设低温粮库的当地，没有合适的地下水源用于水源热泵空调系统时，可以考虑采用风冷空调这种绿色节能的空调形式。风冷空调机组本身比水冷空调贵大约30%，但是由于省去了整个冷却水系统，整体投资较传统中央空调低。风冷空调非常灵活，可以单独控制，更适合一个一个的粮库这种建筑形式。传统空调的优势是适合大规模制冷，制冷效率高，但是对于每一个储粮仓房，面积不大，优势发挥不出来，恰恰正适合风冷空调。还便于远程单独控制，总体节省运营能源，“绿色”环保。

5.4 谷物冷却机的应用

谷物冷却机是一种用于粮食低温储藏，向粮仓提供一定温度、湿度空气的设备[7]。作为低温储粮的关键设备，目前在国内推广应用较为普遍。在实际应用中，应根据仓房类型、风网布置、设备条件、粮食种类、粮堆体积、冷却作业目的等，确定谷物冷却机的使用数量及布置方式。仓房应满足仓体完好，且具有良好的隔热、密封和防潮性能等基本条件。作业环境温度应在15～35℃，环境相对湿度应在50%～95%[8]。这虽是目前常用的方式，使用也灵活，但是能耗较高。建议仅当使用其它“绿色”制冷方式条件不具备时采用，或者作为应急和备份的制冷手段以备不时之需。

通过对粮库建筑形态把握、结构选型、保温材料的经济合理选用、门窗的保温及密封措施、绿色节能空调系统的分析，在尽可能降低能耗的前提下，实现对粮库的低温绿色建设或改造，为保障国家粮食安全、实现高品质储粮提供技术参考。