粮食平房仓自然通风屋盖通风与保温设计浅谈

戴亚俊

无锡中粮工程科技有限公司 (无锡 214035)

粮食储备平房仓应能满足防潮、防水、气密、隔热、通风等基本要求。江苏的大多数地区气候条件为储粮生态第五区，即中温高湿区。谷物低温储藏有利于粮食品质保持和减少化学熏蒸的使用。一项经济和绿色环保的重要储粮措施是在冬季利用低温将储粮降温，在春季气温回升前对仓房密封。平房仓的屋盖由于面积大、太阳平均辐射强度高等原因，其向仓内传热量约占总热量的70%，仓房为确保储粮在低温状态下储藏，平房仓屋盖的隔热保温和气密非常重要。在二十多年来的国家粮食储备库建设中，逐步形成了拱板屋盖粮食平房仓和双层通风屋脊粮食平房仓二种具有自然通风屋盖的设计仓型，可实现零能耗通风和良好的累积通风隔热效果，受到粮食仓储行业的好评。本文将二种可自然通风屋盖工作原理、构造和设计方法做详细介绍。

1 粮食平房仓屋盖的保温与通风设计要求

1.1 自然通风屋盖的作用

粮食是有机生命体，对粮堆的通风有严格的条件和要求，以避免粮堆升温、吸湿等不利于长期储粮现象产生。二种粮食平房仓自然通风屋盖都设计有空腔，室外空气流入空腔带出热浊空气，空气本身不与仓内的储粮接触，可实现无选择的空气流动同时，不会产生有害通风的效果。如果空腔内的空气不流动，空腔的的作用仅相当于增加了约0.15 m2·K/W热阻值，隔热作用非常有限，在夏季空腔内的温度有时会接近50 ℃。

粮食平房仓自然通风屋盖通风是为了及时排除由于太阳辐射的空气温度升高，降低了空腔温度，减少向仓内的传热量，降低粮面谷物温度，对设有低温装置的粮仓，能大幅降低制冷冷负荷。

粮食平房仓设计中都把仓顶的隔热作为保证粮食安全储藏的重要措施。仓顶向仓内的传热量Q为：

Q=K×F(tz-tn)

(1)

式中：K为屋盖底部维护结构的传热系数， W/m2·℃；F为屋盖底部维护结构的传热面积，m2；tz为屋盖内空气温度，℃；tn为仓内上部空气温度，℃。

加强屋盖底部维护结构的保温和降低屋盖空腔内的空气温度，可减少屋盖向仓内的传热量。对平均粮温低于15 ℃的粮食低温仓，在储粮生态第五区一般需设置专用的低温空调设备，减少屋盖向仓内的传热量对降低低温空调设备投资和减少运行费用，确保低温储粮的实现是关键技术措施之一。

1.2 自然通风屋盖的保温要求

按《粮油储藏技术规范》(GB/T 29890—2013)，常温仓屋盖要求适当保温,对低温仓屋盖传热系数要求K≤0.35 W/m2·℃。对自然通风屋盖除顶部结构需要适当保温外，最重要的保温是对屋盖底部维护结构的保温。考虑保温效果、气密性、避免冷桥和屋盖内上人检修需要等因素，一般采用B1级聚氨酯发泡保温材料(导热系数λ=0.024 W/m·℃)；常温仓保温厚度一般为30 mm，低温仓保温厚度为75 mm(计算时考虑了1.1修正系数)。

1.3 自然通风屋盖的通风动力

自然通风屋盖驱使空气流动的动力由二个，即仓外与屋盖内空气的容重差产生的热压Pr和仓外空气流动产生的动压Pf，二者的计算如下。

(1)热压Pr可用公式(2)计算：

Pr=gh(ρw-ρn) (Pa)

(2)

式中:h为屋盖进排风高度差，m；ρw为室外空气密度，kg/m3；ρn为屋盖内空气密度，kg/m3。

仓外与屋盖内空气温差越大、室内外空气的密度差就越大；进、排风高度差越大，热压就越大，通风量就提高，通风降温的效果就越好。同时由于通风量的提高屋盖内空气温度降低，热压减小，是互相矛盾的。在夜晚，由于没有了太阳辐射作用，热压的作用很小。由太阳辐射造成的热压作用是变化和不稳定的，这与部分工厂有热源加热空气的自然通风有很大不同。

(2)风压Pf是指室外大气流动对屋盖产生的负压动力，可用公式(3)计算：

(3)

式中：D为空气动力系数，为实验数据；vw为室外空气平均流速，m/s；ρw为室外空气密度，kg/m3。

在江苏夏季室外平均计算约风速为3 m/s，可产生较大的通风动力。在夜晚仓外气温较低，进入屋盖后降低屋盖维护结构的温度，能蓄存部分冷量，可在白天气温高时屋盖释放冷量，减少屋盖内空气温度的波动幅度。在江苏风压Pf的自然通风作用大于热压，其累计通风隔热效果非常显著，是自然通风主要驱动力。

(3)自然通风屋盖的设计风量

按《粮食平房仓设计规范》(GB 50320—2014)，通风屋盖参照设计换气次数为>4次/h，为达到设计的换气次数，考虑到不利的气象条件，除自然通风外，拱板屋盖通风还设计有机械通风装置。机械通风装置一般采用屋顶通风机，平时关闭，在屋盖内空气温度高于设定值(如>35 ℃)时，风机自动开启，低于设定值(如<32 ℃)风机自动关闭。

2 拱板屋盖粮食平房仓的保温与通风设计

2.1 建筑构造

钢筋混凝土拱板屋盖粮食平房仓是南方炎热地区主要平房仓型之一，其屋盖构造特点是在拱板上弦板和下弦板之间形成了一道空气流动空间。为减小空气流动阻力，在两侧山墙安装大面积通风百叶，并在屋面设置喉口直径D500旋流型屋顶通风器和屋顶风机，能进行自然或者强制通风，从而可以很快排除空气隔热层中的热空气，有效减少屋面高强度太阳辐射对粮面的辐射影响，具有较好的保温隔热效果。同时为了减少拱板空腔内通过下弦板对粮面传热量，在拱板下弦板顶设置B1级发泡聚氨酯保温层，该构造措施不仅提高了保温隔热效果也有效提高整个仓房顶部的气密性。由于施工技术和成本原因，拱板下弦板早期为预制构件拼装，后期现浇方式增多，解决了早期拱板平房仓气密性不强问题。

2.2 旋流型屋顶通风器

旋流型屋顶通风器具有节能、运转噪音低、防风雨、高效优质部件确保通风器长时间运转流畅、基本免维护的特点，且价格低廉，具有很高的性价比。仅需室外风速0.2 m/s的微风，或室内外温差0.5 ℃以上即能不间断旋转，是各行业广泛使用的自然通风器。

以跨度21 m长度30 m粮食拱板仓为例，屋盖空腔体积约850 m3，按换气次数n=6次/h计算排风量为5 100 m3/h。进风与排风高度为h=1.97 m，按进排风温差为5 ℃计算，热压为0.33 Pa。按室外平均风速为3 m/s，空气动力系数D取0.6，产生的风压为3.24 Pa。热压与风压相比仅占10.2%。查国家建筑标准设计图集《屋顶自然通风器选用与安装》(06K105)，型号为QM-500型通风器折算后通风量为1 250 m3/h，对21 m×30 m拱板仓需安装4台可达到设计要求。

安装有旋流型屋顶通风器的拱板平房仓，比不安装的同仓型，在夏季空腔内温度降低5 ℃～8 ℃，通风隔热效果良好。其主要缺点是在仓房长度较长时，由于空气流动距离长，仓房中间部分空腔内空气温度相对较高。

2.3 设计注意要点

(1)由于在热压和风压同时作用下自然通风动力相对较小，需要充分降低空气流动过程中的阻力，对拱板平房仓主要是降低山墙进风百叶的空气阻力，为此需加大百叶窗的面积和选用阻力系数小的百叶窗。同时要注意百叶窗的防雨。

(2)屋顶旋流通风器安装位置：为最大限度的利用室外风能，屋顶旋流通风器应尽量安装在靠近屋脊处。

(3) 旋流型屋顶通风器要选用优质和抗强台风的优质产品，避免强台风时吹落通风器。

(4)旋流型屋顶通风器通风时，屋盖空气处于负压状态，拱板下弦板如采用预制板会带来气密性的不足，造成仓内空气流入屋盖空腔，对设有制冷空调装置的低温仓会加大制冷负荷，也会影响处于熏蒸状态的仓房降低熏蒸药剂浓度，为此拱板下弦板应采用现浇，保温层采用充填性好的聚氨酯材料。

3 双层通风屋脊粮食平房仓的保温与通风设计

3.1 建筑构造

钢筋混凝土双层通风屋脊平房仓是近几年在南方地区出现的新型平房仓，其屋顶有坡度，檐墙及屋脊处均设置通风百叶窗，在屋脊百叶窗附近设置混凝土挡风板，不仅防止迎面风时倒灌风，还可充分利用自然风形成的形成负压，使屋盖空间形成气流，排出热空气，降低空腔内空气温度。同时，该挡板有利于防止斜向飘雨通过百叶窗进入空腔内，很好的解决防雨问题。空腔内下层整体现浇混凝土底板有效的解决了仓房密闭问题，在下层板板面设置B1级聚氨酯保温隔热材料，阻隔了向仓内的传热，可满足常温和低温储粮要求。

由于屋盖板的整体浇筑需要大量的支撑系统，该仓型主要缺点是施工周期长，工程造价偏高。但由于优点突出，该仓型选用量在逐步增多。

3.2 通风设计

钢筋混凝土双层通风屋脊粮食平房仓是通风隔热与建筑的有机结合，其通风优势如下：①通风面积大，整个檐墙及屋脊处均可设置通风百叶，通风量较大；②空气在屋盖内流动距离短，屋盖内空气流动方向与屋盖坡度方向一致，空气温度相对均匀；③屋脊处通风装置是土建构造，其防风和防雨性能较好。

对以跨度21 m、长度30 m钢筋混凝土自然通风屋盖平房仓为例，屋盖空腔体积约为1 150 m3，按换气次数n=6次/h计算排风量为6 900 m3/h。进风与排风高度差为5.05 m，喉口宽度为0.6 m，按进排风温差为5 ℃计算，热压为0.84 Pa。按室外平均风速为3 m/s，空气动力系数D取值0.35，产生的风压为1.89 Pa。热压与风压相比约为44.4%。目前缺少该类屋盖在不同条件下通风量的试验数据，只能通过屋盖内空气温度的测试来评价通风效果，这也是今后需做的工作。

3.3 设计注意要点

(1)钢筋混凝土双层通风屋脊平房仓进风和排风均设有百叶窗，为充分降低空气流动过程中的阻力，需选用阻力系数小百叶窗。

(2) 屋脊除通风装置应充分考虑风荷载，在最大风速48 m/s下不被破坏，避免构件损坏带来的漏水。

(3) 钢筋混凝土双层通风屋脊采用坡屋面，能与江南水乡建筑风格很好融合，有利于屋面排水，近些年来此仓型更利于安装太阳能光伏板，不仅减少了太阳辐射强度，还使屋面产生了经济效益。

4 自然通风屋盖粮食平房仓的设计体会

(1) 经上述分析，粮食平房仓通风屋盖的通风动力主要依靠风压，为更好的利用风压自然条件，仓房布置应与主导风向的夹角为60°～90°。

(2) 在仓型选型时应充分考虑当地室外气象条件，对夏季主导风向下平均风速较低的地区(四川重庆地区等)，旋流型屋顶通风器(拱板平房仓)的通风效果更好；对夏季主导风向下平均风速较高的地区(江浙及沿海地区等)，双层通风屋脊的通风降温效果更好，且气密性较好，对于稻谷的氮气气调储藏及低温储藏，此仓型是首选。

(3)关注市场和社会要求的变化，融合新的仓型技术手段，向节能减排增效更好的努力，为粮食仓储行业绿色可持续发展方提供新的产品和服务。