我国粮仓建筑节能影响因素分析

2023-08-16宋艳杰李恩

美与时代·城市版 2023年6期

关键词：节能

宋艳杰李恩

摘要：粮食安全是维护国家安全的重要基石，解决人民的温饱问题是治理国家的首要任务。低温和准低温储存技术被认为是一种绿色的粮食储存方式，可以有效地抑制微生物的繁殖和生长，保障粮食的品质，同时也能减少粮食熏蒸过程中的化学药剂污染。然而，创造低温和准低温的粮仓内环境需要大量的制冷空调系统能耗。通过大量文献收集和实地调研，采用理论分析和归纳总结的方法，对影响粮仓建筑节能的因素进行探讨。

关键词：粮仓建筑；节能；热工性能

中国是世界第一粮食生产大国和消费大国，粮食安全关系到国计民生。粮食在储藏期间易受害虫、微生物的影响，引起粮食品质劣化，造成储粮损失。每年因此造成的粮食损失量达3 500万吨，相当于加拿大年均粮食产量的一半[1]。因此，降低粮损是保证粮食安全的重要任务。众多文献表明，温度是控制储藏期间粮食损失的重要因素[2]，降低粮仓温度能够避免粮食品质劣变，减少粮食损失。研究证明，20℃以下的低温环境中，害虫和微生物的生长繁殖以及粮食呼吸作用可以被明显抑制，有效减少粮食品质劣化现象[3]。然而，在炎热的夏季维持20℃的储粮环境需要借助空调设备，由此引起的能耗问题不可忽视。这一方面增加了储粮成本，另一方面增加了环境负荷。因此，粮仓建筑节能设计至关重要，不仅影响控温储藏方式的推广和环境可持续发展，更重要的是影响储粮安全。粮仓建筑是一个复杂的系统，影响其能耗的相关因素有很多，主要包括气候条件、建筑平面布局和朝向、建筑围护结构的热工性能、通风控温设备、周围绿化等其他因素。

一、气候环境影响分析

（一）太阳辐射影响分析

太阳能量是以辐射的方式不断传播到地面上的，所以粮仓建筑的节能设计就需要考虑高温季节太阳辐射对粮仓的影响。首先要理解某一地区的光强差别以及光的角度。我们所居住的地球，在不断自转的同时，也在不断围绕着太阳进行公转，太阳对地球上每个地方、每个时间的照射是有规律的，因此一个地区的气候要素就产生了有规律的变化，并由此产生了四季更替。不同地区的气候条件不同，导致不同地区的建筑节能设计方法也不一样。

（二）温度影响分析

温度是最重要的气候因子之一，也是影响建筑节能的主要因子，其变化直接关系到建筑内部和外部环境的适宜性。温度与能源消耗呈现负相关，这表明在炎热地区，夏季极端气候会对粮仓建筑能量消耗产生很大的影响。也就是说，在极端气候条件下，要想维持粮仓良好的储存环境，就必须消耗大量的能量来调整粮仓的温度。因此，在粮仓建筑设计中，要特别重视夏季的隔热工作。

（三）湿度影响分析

湿度是影响室内热环境的重要因素，目前常用的除湿机或空气调节方法均存在能耗大、效果不显著等问题。湿度对粮仓造成的影响，主要有三个方面：一是空气中的相对湿度，对谷物的呼吸作用有很大的影响。在一定范围内，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，谷物中的养分被消耗殆尽，同时也会产生大量的热量和水分，导致谷物的质量下降。二是湿度的大小，直接影响着粮仓建筑的内外表面是否会出现结露、霉变、发潮等现象，从而直接影响到建筑的品质。三是环境湿度对墙体内保温材料的热工特性也有不同程度的影响，当墙体内的保温隔热材料吸水后，墙体内的保温隔热效果就会大幅降低，从而对墙体内的节能起到不利的作用。因此，为了保证适宜的粮食热湿环境和节约能源，就需要对仓内空气中的相对湿度进行有效的控制。

二、平面布局和朝向影响分析

（一）平面布局影响分析

建筑物的平面布局影响着建筑物的体形系数。建筑体形系数越大，通过外表面的传热损失也就越大。研究结果表明，每增加0.01的体形系数，能耗将增加约2.5%。因此，在仓库平面布置时，应尽可能按照方形、圆形等规则的形态进行布置，以减小体形系数。此外，与体积相等的多个仓库分开布置相比，采用多廒间组合的布局方式可以大幅度减小体形系数[4]。

（二）建筑朝向影响分析

合理的建筑物朝向对于降低建筑能耗具有重要作用。首先，在粮仓规划布局中，选择长边朝南，避开东、西向阳光照射，可以降低粮仓太阳辐射熱，从而减小通过围护结构对粮仓内部空间的传热量。其次，粮仓规划布局中充分利用本地主导风向，有利于粮仓通过窗户进行自然通风，这将有助于降低粮食的湿度和温度，达到降温的目的。这样可以减少机械通风的次数，从而达到节能的目的。

三、粮仓围护结构影响分析

建筑的能耗与围护结构的传热系数呈线性关系。因此，提高围护结构的热工性能可以显著降低建筑的能耗。本文通过屋面、外墙和门窗三个方面对粮仓建筑围护结构对能耗的影响因素进行分析。

（一）屋面节能影响分析

像粮仓这样的工业建筑，不同朝向的围护结构所能接收到的太阳辐射强度是不一样的，通常情况下，水平朝向的围护结构承受的阳光强度会更大一些。由于仓房体积较大，屋顶在仓房整体建筑传热过程中贡献较大，所占的比例约为70%～80%。因此，屋面的耗冷量在外围护结构中占比很高。在粮仓建筑中，常用的屋盖形式有折线形屋架、彩钢屋架、拱板屋架和双层通风屋架等。不同的屋顶形式会对粮仓内部环境及能耗产生不同的影响。屋顶隔热性能与粮仓的能源消耗成负相关，其隔热性能的优劣，对粮食温度的波动和通风降温设备的运行时间有直接的影响。

在粮仓屋顶设计中，一般采用架空隔热层、涂刷太阳热反射涂层和铺设保温隔热层的方式来提高隔热性能。太阳热反射涂层通过减少屋顶对太阳辐射的吸收率来减少夏季空调负荷。架空隔热层可以减少屋顶的太阳辐射，并且通过空气对流带走一部分热量，从而降低仓顶的温度。保温隔热材料可以增加屋顶的传热阻，进而降低粮仓的能源消耗。不同类型和厚度的屋顶隔热材料隔热性能不同，应优先选择导热系数小、节能环保的保温隔热材料。常用的屋顶隔热材料为憎水珍珠岩、发泡混凝土、聚苯板、挤塑板、发泡聚氨酯和岩棉夹芯金属彩色复合板[5]。

（二）外墙节能影响分析

粮仓建筑不像民用建筑一样，为了美观会使用玻璃幕墙，粮仓外墙为了承受粮食的荷载都为厚重的实体外墙。外墙吸收室外环境热量并通过导热的形式传到室内，并影响室内热环境。粮仓墙面保温隔热性能的不同，其节能效果也不同。外墙保温隔热性能受墙体结构层类型、保温隔热形式、材料类型以及材料厚度的影响。

常见的墙体结构层类型有砖砌体墙、SP板墙、压型钢板墙、现浇混凝土墙和预制混凝土墙等。

外墙保温隔热形式可以被划分为外墙外保温、外墙内保温、外墙夹心保温和外墙自保温等。外墙外保温系统是使用最广泛，并得到了国家大力提倡的一种保温隔热方法。

不同的保温隔热材料具有不同的导热性能和经济性能，在建筑工程围护结构中，常见的保温隔热材料为挤塑聚苯乙烯板、膨胀聚苯乙烯板、聚氨酯泡沫、膨胀珍珠岩水泥板、保温砂浆等。

保温层的厚度对外墙传热系数有直接的影响，随着保温层厚度的增大，墙体的全年热负荷呈递减趋势，而节能率则呈递增趋势。随着保温面板厚度的不断增大，建筑总热负荷的增幅逐渐减小，节能效果与保温面板厚度之间存在着非线性关系。同时，在同一厚度的情况下，各种隔热板的节能效果也有很大的差异。

（三）门窗节能影响分析

粮食仓储建筑的门窗主要是满足粮食进出仓作业和自然通风需求。在满足这些基本前提的同时，减少仓库门窗的设置可以降低门窗部位能耗散失。对于小型仓房，通常只需要一个进出仓大门和一个疏散门。就窗户而言，如果在北方地区，冬季可以打开保温密闭的窗户来实现自然通风，降低粮食温度和湿度，因此，应该尽可能多地设置窗户，通常每个跨度都设置窗户；而在南方湿热地区，不适合自然通风，因此，窗户在满足补仓需求的情况下，应尽量少设置。

门窗的气密性对于防止空气对流传热起着至关重要的作用。提高门窗的气密性可以有效地减少能源消耗，降低库房的运营成本。因此，在进行粮库门窗设计和选型时，应该注重门窗的气密性，采用高性能的门窗材料和技术，并通过加装密封条等措施改进门窗产品结构，以提高门窗的节能性，降低粮仓的运营成本。

四、其他相关因素影响分析

（一）控温设备影响分析

控温储粮一般采取空调系统、谷物冷却系统并结合机械通风系统等手段，将仓内温度和水分降至安全值。上述几种降温方式在使用过程中都需要消耗大量的电能，使保粮成本偏高。因此，控温系统不够节能环保，是粮仓建筑节能技术中亟待创新改进的地方。在对粮堆进行机械通风过程中，不同通风时段和通风方式都会影响机械通风降温的能耗。不同地区的气候特点不同，其通风控温方式也不同，比如，北方地区可以提供足够的冷源，秋冬季节利用低温干燥的气候优势进行通风蓄冷，在夏季结合内环流控温系统，从而减少储粮能耗，提高经济效益。此外，省电、节能的空调技术在粮仓中的应用也不断提升，这些新技术包括冰蓄冷技术、地源热泵技术、太阳能制冷技术和蒸发冷却技术等[6]。

（二）建筑绿化影响分析

在粮仓建筑设计中，除气候因素、平面布局因素、围护结构因素等对粮仓建筑环境的影响之外，还应考虑到绿化对粮仓周边小气候的调控作用。随着粮库技术的不断发展和机械化水平的提高，在不影响粮仓运营的前提下，可适当布置粮库区域的绿化。例如，路边种树、铺设草坪或透水砖等，不仅可以调节和改善室外环境的温度，调整碳氧平衡，减少温室效应，降噪，吸附操作过程中产生的粉尘，增强雨水渗透性，减轻雨水排放负担，而且在改善仓内环境、减少能源消耗方面起着非常重要的作用。

（三）遮阳技术影响分析

以往对粮仓本体节能的认识主要集中在粮仓壁，而忽略了外部构件的影响。为了减少太阳辐射对仓体的影响，在粮仓外部增设遮阳构件，也不失为一种尝试。在不同的季节，南北两个方向的立面和东西两个方向所接收到的阳光强度是不一样的，所以对其采取的遮阳措施也是不一样的。夏季，南侧建筑外墙受到的阳光照射面积较大，日照时间较长，易造成外部围护结构受热过多，从而造成室内过热；冬季，太阳高度角变小，南向建筑立面所受的太阳辐射量变小。因此，夏季采用水平遮阳、冬季采用垂直遮阳效果更佳。东、西两面墙体在早晨和傍晚接收到的太阳辐射的强度都比较大，所以很容易在短期内造成外部围护结构的过热，进而造成内部过热。研究结果显示：当没有安装任何遮阳设施时，整个西立面的太阳辐射量都非常大；安装了水平遮阳之后，太阳辐射量会有轻微的下降，安装了垂直遮阳之后，这种影响会更加显著[7]。

五、结语

文章对粮食仓库的能耗特点和节能潜力进行了归纳，并对气候环境因素、平面布局与朝向因素、建筑外围护结构因素、控温设备、周边绿化等因素进行了分析，得到了如下结论。

第一，粮仓建筑的设计应该根据其所处的气候环境特点来进行整体的构思与规划。

第二，在粮仓平面布局工作时，应尽量采用规则的几何形状进行仓房的平面功能布置。为避免东西向日照，粮库规划应尽量长边朝向南北，并充分利用当地的主导风向，以有利于开窗通风。

第三，在围护结构热工设计上应该提高其保温隔热性能，热工性能佳、节能环保的建筑材料也是粮仓节能中的关键因素。

第四，无论是气候因素、平面功能空间因素，还是外围护因素，都需要辅以制冷和通风系统，以保证粮仓内部的储粮环境达到最佳状态。

第五，粮仓建筑节能是一个复杂的系统，需要在设计之初就明确重点关注的因素，并全面考虑它们对不同能耗的节约贡献，以实现高能效的目标，为我国可持续发展做贡献。

参考文献：

[1]张强.减损是确保粮食安全的重要途径[J].农村工作通讯，2016（21）：50.

[2]俞旭龙，童新元，吴献民.空调控温储粮技术应用试验[J].粮油仓储科技通讯，2013（1）：7-9.

[3]陈勇.湖北地區国家粮食储备库建筑节能研究[D].武汉：武汉理工大学，2005.

[4]陈宏斌，张晓东，高一歌.绿色粮库的节能措施[J].现代食品，2017（2）：31-33.