东南地区晚籼稻降温通风期间粮堆含湿量和露点温度的变化研究*

郑 颂，赵恢发，范存瞻 ，李兴军*

（1.福建省储备粮管理有限公司长乐直属库，福州350217；2.国家粮食和物资储备局科学研究院昌平中试基地，北京102209)

谷物粮堆孔隙率35%～55%、热绝缘特性造就其能够保持低温低湿的空气特性[1-3]。干粮堆平衡相对湿度范围30%～65%就可抑制螨类和微生物生长，储粮温度17～22℃范围是粮食防虫安全管理的温度。粮堆降温通风的结果就是形成粮粒被低温低湿空气所包围[1]。国内缺乏对粮堆籽粒间隙空气特性的研究。在国内，粮食机械通风操作一般比较粮堆与大气的温度差、平衡绝对湿度、露点温度[4-5]，而对粮粒间隙空气的参数变化报道有限。粮堆通风操作中需要确定粮粒间隙空气的相对湿度（RH），将粮堆测温电缆测定的各点温度和粮堆扦样测定的含水率代入吸附平衡水分方程就可以确定。

我国东南地区冬季短，一般无雪但有雨，气候相对较为湿润，如何在有限的低温期快速地降低粮温是一道难题[6-8]。福州地区最冷月 1～2月平均气温6～10℃，最低气温－2.5℃，我们以人工控制的小功率轴流风机，充分利用夜间低温进行稻谷和小麦高大平房仓降温保水通风试验，目的是为该地区试验推广基于粮食平衡水分方程的智能化精准通风技术提供数据[9]。2019年12月至2020年2月降温通风试验研究中，采用牛顿和拉弗逊迭代方法求解粮堆籽粒间隙空气的露点温度，并分析晚籼稻粮堆通风期间粮粒间隙空气RH、含湿量和露点温度的变化规律，以期为我国稻谷粮堆精准化智能通风提供评价的方法指标。

1 材料与方法

1.1 仓房条件及通风方法

福建省储备粮管理有限公司长乐直属库位于福州市长乐区松下镇，12月～次年3月的平均气温12.2℃，平均最低气温9.3℃。P24号试验仓房长度和宽度分别是42 m、24 m，地上笼一机三风道，通风途径比1.35，倒“U”字型风道，仓房通风口为3个。P24号稻谷仓2018年1月13日入仓江西晚籼稻，粮堆长度41.74 m，宽度23.18 m，装粮高度6.19 m，吨数3409，杂质1.0%，水分13.2%，脂肪酸值（KOH）17.5 mg/100g。2019年9月19日，稻谷水分12.1%，脂肪酸值（KOH）26.1 mg/100 g。

2019年12月31 日9：00至2020年1月2日采用7.5 kW的离心风机3台上行压入式通风48h。2020年 1月 13日、1月 15日、1月 20日、1月 22日、2月17日、2月21日分别降温通风16 h，均采用0.55 kW的轴流风机4台，安装在窗户上。离心风机型号4-72-6C，流量16 576 m3/h，全压1 116 mmWG（毫米水柱），主轴转数 1 800 r/min，厂家是台州市华盛机械有限公司。轴流风机型号YBF280M1-4，流量 9090 m3/h，转速 1 400 r/min。 轴流风机采用上行吸出式通风。打开通风口后，轴流风机启动后外界的冷空气由通风口进入，由下而上经过粮层，再由轴流风机排出仓外。根据天气情况，轴流风机运转通风时间段为每日17时至次日11时。

1.2 测定指标及方法

1.2.1 粮堆水分:在粮面布置11个扦样点。每点再纵深4个扦样点，共44份样品。水分测定采用 LDS-1G谷物水分测定仪测定。

1.2.2 粮堆温度：粮情检测系统检测粮堆各点的温度，每4 d巡检一次。在每仓粮面上分布60根测温电缆，纵深每隔1 m为一层，4层共计240个点的粮堆温度数据。

1.2.3 粮粒间隙空气的相对湿度、含湿量及露点温度测定

1.2.3.1 粮粒间隙空气相对湿度和含湿量

式中，RH为粮粒间隙空气的相对湿度 （%），M为粮食水分（%），T 为粮食温度（℃），a、b、c 是测定的中晚籼稻MCPE方程的系数[10]。

式中，W 为粮粒间隙空气的含湿量（kg/kg），Patm 等于101 325 Pa，Ps是粮食温度T（℃）时的饱和水汽压。

1.2.3.2 粮粒间隙空气露点温度

如果已知露点温度Tdp对应的含湿量wdp，鉴于饱和蒸汽压强也是温度的函数，方程（5）左边是露点温度Tdp的函数[11]，可表达为，

目标是求解Tdp值，方程（6）满足f(Tdp)=0。

利用牛顿和拉弗逊迭代方法解方程（6），代数式可以写成：

方程（7）的唯一变量是Tdp，其它都是恒值。饱和水汽压仅是Tdp的函数，f(Tdp)对TTdp的依赖来自表达式Ps(Tdp)。通过微分的链式法则，

将方程（9）和（10）代入方程（8） ，按照牛顿和拉弗逊迭代方法，对于代数式方程（8）编程进行运算。当连续湿球温度Tw之间的差值绝对值小于一定误差 10-6，即|Tp+1dp-Tpdp|＜10-6，这个迭代过程就被停止。

1.2.4 降温通风效果评价通风作业单位能耗采用方程（11）计算，

式中：δ为单位冷却通风效率，kW·h/(t·℃);Tf为风机运转时数;P为风机的额定功率,kW;W为粮食的吨数;ΔT为降温通风前后粮堆温度差，°C。

理论降温通风时数算法参考Navarro和Calderson方法[12]，考虑的因素包括粮食吨数、比热、温度差及校正因子，以及单位通风量、粮粒间空气比重变化、焓值差及校正因子。

1.2.5 数据分析

采用随机区组试验设计，数据以平均值±标准差表示。LSD检验中同一列不相同小写字母表示样品之间差异显著（p＜0.05）。

2 结果与分析

2.1 大气温度及相对湿度的变化

从图1及图2可看出，大气温度由1月1日的17℃降低到1月17日的11℃，之后到2月21日平均气温是14℃。整个降温通风期间大气相对湿度平均值是69.4%。大气含湿量与露点温度在整个降温通风期间的变化趋势是相似的，平均含湿量是0.0068 kg/kg，平均露点温度是8℃。

图1 降温通风期间大气温度及湿度的变化

图2 降温通风期间大气含湿量及露点温度的变化

2.2 粮堆最高、最低、平均温度及极差的变化

从图3看出，2019年12月30日稻谷粮堆1、2、3、4 层的最高温分别是 20.9、20.6、24.6、20.1 ℃。 12月31日 9：00到1月2日9：00期间48 h的大功率离心风机压入式降温通风，1月2日 9：00时粮堆1、2、3、4 层的最高温分别是 19.8、17.9、19.4、18.6℃。到 1月 12日，它们分别是 20.3、19.8、19.2、17.3 ℃。1月13日和1月15日两次上行吸出式降温通风后，它们分别由 1月 13日的 20.3、19.7、19.1、17.3℃变化到 1月 19日的 17.3、19.6、19.3、20.3℃。1月 20日和1月22日两次上行吸出式降温通风后，它们分别由 1月 20日的 17.1、19.5、19.3、20.3℃变化到 2月 15日的 16.2、17.4、18.4、19.4℃。 2月 17日和 2月21日两次上行吸出式降温通风后，它们分别由2月 17日的 16.3、17.3、18.4、19.4℃变化到 2月 23日的 16.1、17.6、18.4、19.9 ℃。

图3 降温通风期间粮堆各层最高温度的变化

从图4看出，2019年12月30日稻谷粮堆1、2、3、4 层的最低温分别是 16.3、16.6、16.5、15.6 ℃。 12月31日 9：00到1月2日9：00期间48 h的大功率离心风机压入式降温通风，1月2日 9：00时粮堆1、2、3、4 层的最高温度分别是 14.9、12.9、12.4、14.0℃。 到 1 月 12 日，它们分别是 15.7、15.9、14.5、14.7℃。1月13日和1月15日两次上行吸出式降温通风后，它们分别由 1月 13日的 15.8、15.9、14.5、14.9℃变化到 1月 19日的 14.1、14.9、15.6、14.8℃。 1月20日和1月22日两次上行吸出式降温通风后，它们分别由 1月 20日的 13.9、14.9、15.3、14.4℃变化到 2月 15日的 13.9、14.1、14.1、14.1℃。 2月 17日和2月21日两次上行吸出式降温通风后，它们分别由 2月 17日的 14.1、14.1、14.1、14.3 ℃变化到 2月23 日的 14.3、13.9、13.7、13.8 ℃。

图4 降温通风期间粮堆最低温度的变化

从图5看出，2019年12月30日稻谷粮堆1、2、3、4 层的平均温度分别是 18.7、18.2、18.2、16.5 ℃。12月 31日 9：00到 1月 2日 9：00期间 48 h的大功率离心风机压入式降温通风，1月2日 9：00时粮堆 1、2、3、4 层的平均温度分别是 16.0、15.3、14.4、15.3℃。 到1月12日，它们分别是17.6、17.3、15.8、15.6℃。1月13日和1月15日两次上行吸出式降温通风后，它们分别由1月13日的17.6、17.3、15.8、15.6℃变化到 1月 19日的 15.1、16.3、17.3、17.2℃。1月20日和1月22日两次上行吸出式降温通风后，它们分别由 1月 20日的 14.9、16.2、17.3、17.2 ℃变化到 2月 15日的 14.5、16.0、16.5、17.0 ℃。2月 17日和2月21日两次上行吸出式降温通风后，它们分别由 2月 17日的 14.5、16.0、16.5、17.0℃变化到 2月 23 日的 15.0、16.1、16.3、16.9 ℃。

图5 降温通风期间粮堆各层平均温度的变化

粮堆各层最高温与最低温之差（极差）如图6所示，粮堆一层、二层、三层、四层的平均极差温度分别是3.5℃、4.1℃、4.6℃、5.3℃。

图6 降温通风期间粮堆极差温度变化

从图7看出，从2019年12月31日到2020年1月2日，经过48 h的3台7.5 kW大功率离心风机降温通风，粮堆最高均温和平均温度分别由25℃、18℃降低到20℃和16℃，之后采用4台0.55 kW轴流风机累计降温通风96 h，粮堆最高均温和平均温度呈现持续下降趋势。粮堆最低均温和极差均温分别由16℃、9℃降低到12℃、6℃，之后呈现类似正弦曲线变化。在福州长乐地区，在12月30日到2月23日期间，P24号仓降温通风期间粮堆最高温度、最低温度、平均温度、极差温度的均值分别是20.2℃、13.7℃、16.3℃及6.5℃。

图7 降温通风期间粮堆四种温度变化

2.3 粮堆籽粒间隙空气RH的变化

续表1

从图8看出，上行式降温通风期间，稻谷粮堆各层最高粮温对应的RH降低次序是一层、二层、三层、四层（图8A）；最低粮温对应的RH降低次序是一层、四层、三层、二层（图8B）；平均粮温对应的RH降低次序是一层、二层、三层、四层（图8C）。全仓最高均温对应的RH由63%降低到61%，之后几乎保持恒定；全仓均温对应的RH由60.3%降低到59.5%，之后几乎保持不变；全仓最低均温对应的RH由59.4%降低到58.5%，之后呈现正弦曲线变化（图 8D）。

图8 降温通风期间粮堆籽粒间隙空气RH的变化

2.4 粮堆含湿量的变化

从图9看出，在上行式降温通风期间，稻谷粮堆各层最高粮温对应的含湿量降低次序是一层、三层、二层、四层（图9A）；最低粮温对应的含湿量降低次序是一层、四层、三层、二层（图9B）；平均粮温对应的含湿量降低次序是一层、二层、三层、四层 （图9C）。全仓最高均温对应的含湿量由0.0125 kg/kg降低到0.0090 kg/kg，之后几乎保持恒定，全仓均温对应的含湿量由0.0078 kg/kg降低到0.0070 kg/kg，之后几乎保持不变；全仓最低均温对应的含湿量由0.0065 kg/kg降低到0.0055 kg/kg，呈现波动 （图9D）。

图9 降温通风期间粮堆含湿量的变化

2.5 粮堆露点温度的变化

从图10看出，在上行式降温通风期间，稻谷粮堆各层最高粮温对应的露点温度降低次序是一层、三层、二层、四层（图10A）；最低粮温对应的露点温度降低次序是一层、四层、三层、二层（图10B）；平均粮温对应的露点温度降低次序是一层、二层、三层、四层 （图10C）。全仓最高均温对应的露点温度由17℃降低到12.2℃，之后几乎保持恒定；全仓均温对应的露点温度由10.0℃降低到8.5℃，之后保持缓慢降低趋势；全仓最低均温对应的露点温度由8.0℃降低到5.0℃，之后呈现波动（图10D）。

图10 降温通风期间籽粒间隙空气露点温度的变化

2.6 稻谷粮堆降温通风效果评价

如表1所示，P24号稻谷高大平房仓本次降温通风，分为两个阶段。在12月31日至1月2日第一阶段期间，3台7.5 kW离心风机降低粮堆平均温度2.5 ℃，耗时 48 h，单位能耗是 0.1014 kW·h/(t·℃)，理论通风时数计算时的焓值差校正因子是1.02。在1月13日至2月21日第二阶段期间，4台0.55 kW轴流风机降低粮堆平均温度0.7℃，耗时96 h，单位能耗是0.0708 kW·h/(t·℃)，理论通风时数计算时的焓值差校正因子是0.75。整个稻谷高大平房仓粮堆降温通风总时数144.0 h，计算理论降温通风总时数时，焓值差校正因子取为0.75～1.0。

表1 福建省储粮长乐库晚籼稻高大平房仓降温通风效果评价

3 讨论

在亚热带地区，粮堆降温通风风机运行的条件是，粮堆与大气的温度差≥3℃；粮堆平衡绝对湿度大于大气平衡绝对湿度[8]。由于降温通风过程总是伴随着粮堆降水，引起粮食水分丢失[13]。粮库通常采用分阶段通风，并且尽可能采用小功率离心风机或轴流风机通风。本研究假定粮堆水分不丢失，采用晚籼稻水分吸附MCPE方程计算了粮堆各层粮粒间隙的空气RH，进而分析了含湿量和露点温度。国内缺乏这方面的研究。在上行式稻谷平房仓降温通风期间，稻谷粮堆各层最高粮温对应的RH、含湿量及露点温度降低次序是一层、三层、二层、四层；最低粮温对应的这些变量降低次序是一层、四层、三层、二层；平均粮温对应的这些变量降低次序是一层、二层、三层、四层。

大气含湿量与露点温度在整个降温通风期间的变化趋势是相似的，平均含湿量是0.0068 kg/kg，平均露点温度是8℃。全仓粮堆均温对应的含湿量由0.0078 kg/kg降低到0.0070 kg/kg，之后几乎保持不变；全仓粮堆均温对应的露点温度由10.0℃降低到8.5℃，之后保持缓慢降低趋势。比较粮堆与大气的含湿量和露点温度，说明本研究中两个阶段降温通风条件是合乎规律的。

国内缺乏对粮堆降温通风时数预测，秋冬季粮堆降温通风凭经验进行作业，导致粮堆丢失水分，或者耗电量增多。本研究尝试理论的降温通风时数预测，在算法中考虑了粮食吨数、比热、温度差及校正因子、单位通风量、粮粒间空气比重变化、焓值差及校正因子。分析降温通风时数时，国外对小麦平房仓采用的焓值差校正因子是0.5，而本研究认为稻谷高大平房仓焓值差校正因子取0.75～1.0较为合适。

4 结论

（1）在我国东南地区稻谷高大平房仓降温机械通风中，粮堆水分不丢失情况下，粮堆各层最高温、最低温、平均温度对应的粮粒间隙空气的RH、含湿量、露点温度遵循一定的规律的。通过计算机软件实时分析这些参数，可以提高降温通风的效果，即节约耗电和降低粮堆水分丢失量。

（2）分析稻谷高大平房仓理论降温通风时数时，焓值差校正因子范围取0.75～1.0，此计算参数供同行参考。不同年份、不同产地及不同稻谷种类存在差异，还需要进行深入研究分析。