平房仓风口布置对专用空调控温效果影响研究

乌云山丹尹君马翠亚张修霖杨开敏

(1.山东建筑大学 热能工程学院，山东 济南250101；2.国家粮食和物资储备局科学研究院，北京100037)

0 引言

我国储粮仓的发展大概经历了简易仓、矮胖仓、平房仓、砖圆仓、高大平房仓、钢板仓、立筒仓、低温仓、气调仓等型式[1]。20世纪90年代，结构简单、建设成本低、粮食装载量多、易于管理的高大平房仓逐渐成为我国最常用的仓库类型之一。JIA等[2]提出了用二维非线性传热模型描述浅圆仓中的瞬时温度分布，模拟了太阳辐射对谷物温度的影响，并且在模拟过程中考虑了谷物表面和粮仓壁周围复杂的混合边界条件，使预测温度与实验温度吻合良好，为优化粮仓设计提供参考。SHARMA[3]用仿真模型在不同通风参数下进行了粮食的模拟工作，分析了通风过程中的热量传递现象。王远成等[4]基于多孔介质的热质传递原理以及粮食的解吸湿特性理论，建立了机械通风过程中粮堆内部的热湿耦合传递方程，分析了温度差对粮堆内温度和湿度的影响规律，并提出了粮堆降温保水通风的操作原则。张晓静等[5]基于局部热质平衡的原理建立了新的数学模型，数值模拟了粮堆内部温、湿度变化的规律。SHARP[6]提出了粮堆通风的有限差分数学模型，描述了通风过程中通风量的大小对粮堆温、湿度的影响，对高温高湿地区粮食储藏工作有一定的指导意义。鲁子枫等[7]利用数值模拟的方法，研究了机械通风形式不同通风量的粮堆降温效果，结果表明在相同的通风时间下，降温速率随着通风量的增大而加快。徐碧[8]采用机械通风的方式进行了实仓实验，发现先后进行压入式通风和吸出式通风可降低粮食温度，能确保粮食达到安全储存的目的。机械通风具有良好的降温效果，但是投资成本太大，在通风过程中也可能会出现能耗高和通风不均匀的现象。李伟[9]利用计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics，CFD)软件对地下粮仓进行环形通风道机械通风模拟实验，提出了地下仓通风道的优化设计，使得粮堆的通风均匀性更高，得到了优化的地下粮仓储粮热湿环境。GARG等[10]使用CFD软件模拟分析了的圆筒仓中粮粒非均匀分布时通风时粮仓内部流场的分布规律。邱化禹[11]基于多孔介质传热传质理论，采用真实的实验验证平台和数值模拟技术，对某粮库采用充氮气调技术研究氮气在粮仓内的分布扩散规律，利用实验平台的结果验证了数值模拟结果的准确性。

多物理场仿真软件COMSOL广泛应用于各个领域的科学研究以及工程计算，模拟科学和工程领域的各种物理过程。潘钮等[12]利用COMSOL软件模拟了储粮的温度，发现受温度的影响会在粮堆内部产生微气流，是引起粮堆内水分变化的主要因素。祁智慧等[13]利用环流控温技术研究了吉林省某高大平房仓内稻谷降温效果，发现采用环流控温加以覆盖棉被，可有效控制粮堆内的温、湿度，保持储粮品质，减少虫害的发生。谷冷机是一种保证在湿热地区长期安全储粮的理想工具，可以在不提高吹入空气湿度的情况下降低谷物温度。申志成等[14]针对进口大豆夏季不宜储存的现状，运用分离式谷冷机低温储粮技术对大豆进行了降温保水通风实验，发现采用谷冷机通风可明显降低整体粮温，粮仓上部空间经谷冷机送风进行冷却，使得粮面与冷风的接触面积更大，采用谷冷机冷却通风的粮堆温度均匀性更好。张晓培[15]以横向通风为基础，研究了谷冷机技术对玉米的通风降温实验规律，发现采用横向谷冷降温技术对玉米进行降温的效果非常有效，同时也具有较高的通风均匀性。胡智佑等[16]针对夏季外界气温较高、无法使用机械通风降温的情况，利用谷冷机降温技术对浅圆仓中的粮食进行了通风实验，结果表明谷冷机降温技术有明显的降温效果，是粮食实现安全度夏的有效手段之一。

针对我国南方地区夏季高温高湿的情况，文章以高大平房仓为研究对象，建立了风口在不同位置的两种仓型的物理模型，并基于多孔介质流动理论，建立了粮堆(稻谷)内通风过程的数学模型，模拟了进出风口布置对控温效果的影响，并对比分析了模拟结果与实验数据，以验证模型的正确性，进而研究了两种通风口布置方式下的通风均匀性和能耗。

1 高大平房仓物理模型

高大平房仓如图1所示。仓房长为40 m，宽为20.7 m，仓顶高为10.52 m，仓内装有水分含量为14%的稻谷，装粮高度为5 m。将粮堆划分为5个粮食区域(自下至上)，粮食区域I~V距离仓底分别为0.30、0.30~1.77、1.77~3.24、3.24~4.70、4.70~5.00 m的空间，而粮食区域V也称为粮堆表层。除了已划分的5个粮食区域，模型堆粮线以上的空间定义为空气区域。

图1 高大平房仓实物图

1.1 高大平房仓通风物理模型

在粮仓上部适当位置布置风口，在夏季高温时引入冷空气对顶部高温区域进行降温，空调通过风机将室外空气吸入专用空调内，经过处理后送入仓内空气区域，冷空气渗入粮堆完成通风冷却过程。风口布置可选同侧布置与异侧交替布置，其对应的高大平房仓物理模型如图2所示。x向为宽度方向，方向为北；y向为长度方向，方向为西；z向为高度方向。送、回风口中心位于z＝6.3 m的高度。同侧北外墙设置3台空调，风口为单侧布置；异侧仓北外墙设置2台空调，南外墙设置1台空调，风口为异侧交替布置，且风口5、6与同侧仓风口4、3在空间上对齐。空调送、回风口通过聚氯乙烯(Polyvinyl Chloride，PVC)管道经通风口伸入仓内，送风口与回风口间距2 m，其直径均为0.25 m。

图2 不同风口布置方案的高大平房仓通风物理模型图

1.2 高大平房仓对比通风网格划分

采用数值模拟前处理软件GAMBIT进行网格划分，网格采用非结构性网格的四面体网格，在通风口和送、回风流经区域处加密，同侧布置与异侧交替布置网格划分数大致相同，约为79万。选取3个代表性的截面，x轴上选取2个截面，分别是x1＝20.70 m、x2＝10.35 m截面，其中前者是风口所在截面，后者是中截面；y轴上选取中间截面(y＝20 m)进行展示。网格划分情况如图3所示。

图3 高大平房仓网格划分图

2 数学模型及定解条件

谷堆是典型的多孔介质，可以把粮仓冷却通风过程视为多孔介质区域与上层空气区域进行热湿耦合传递的过程。

2.1 连续性方程

通风过程中空气在粮堆内流动，根据能量守恒定律建立粮堆内连续性方程，由式(1)表示为

式中ε为孔隙率，%；ρa为空气密度，kg/m3；t为通风时间，s；u为空气的表观速度或达西速度，m/s；∇为哈密顿算子。

2.2 气体流动的动量方程

粮堆内气体流动过程中的强迫对流及其阻力满足动量守恒原理，其方程由式(2)表示为

式中为速度矢量，m/s；p为压力，Pa；μ为空气黏度系数，Pa·s；Si为动力源相，是粮堆阻力相。

2.3 对流换热方程

粮堆内的传热过程满足热力学第一定律，根据能量守恒定律与热平衡原理可建立通风时粮堆内部对流传热方程，由式(3)表示为

式中ca、cw、cg分别为空气、水和粮食的比热，J/(kg·K)；ρd为粮食密度，kg/m3；Wd为粮食的含水量；Hw是粮食中因水分含量变化而产生的热量值，可忽略不计；Keff为粮堆的有效导热系数，W/(m·K)；T为温度，K；Sh为热源项，即粮食吸湿和解吸湿时产生的热量。

2.4 数值模拟方法和模拟参数设置

考虑粮堆降温的不均匀性，结合实际粮仓的具体数据，为5个粮食区域和空气区域赋予不同的初始温度进行数值模拟，共控温28天。为了防止迭代过程不收敛或者数值不稳定，采用欠松弛技术。

稻谷导热系数为0.16W/(m·K)，比热容为14 871 J/(kg·K)，容重为600 m3/kg，孔隙率为0.5。初始条件和边界条件设置:粮食区域Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ的温度分别设置为15、20、23、26、28℃，空气区域温度设为30℃；采用速度入口边界条件，入口风速为14 m/s，入口气温为12℃，入口总风量为7 422 m3/h；出口采用压力出口条件；壁面设置为绝热边界条件。

2.5 数值模拟结果的可靠性分析

选择同侧仓、异侧仓与实验仓控温5天的数据绘制表层平均粮温随时间的变化对比图，如图4所示。同侧仓、异侧仓表层平均粮温与实测表层平均粮温的温差在2℃以内，在可接受范围之内。数值模拟值与实验比较接近，所以模拟结果是可靠的。

图4 通风1~5天表层平均粮温变化对比图

3 数值模拟结果分析

3.1 速度场及流场

同侧布置通风与异侧交替布置的高大平房仓控温28天后速度场及流场分布如图5所示。由图5(a)和(b)可以看出在通风的第28天，同侧布置仓内通风死角较多，通风气流形成多个涡流，各处气流速度差异明显，流场分布很不均匀。同侧仓靠近南墙处涡流形成的原因是北外墙垂直向南送出的气流到达南墙时被阻挡，反弹之后形成数个涡流，使该处扰动增强，粮食降温明显，但是在涡流边缘和两个墙角处产生通风死角，也导致整体粮仓降温不均匀。由图5(c)和(d)可以看出，异侧仓通风死角少，各处气流速度差异小，粮面气流形成的涡流少，粮面流场分布均匀。

图5 通风第28天同侧仓、异侧仓通风流场分布图

3.2 温度场

同侧仓通风第5、10、28天的温度分布云图如图6所示。由图6(a)可看出，通风第5天时，仓内空气区域温度降至12.9℃，降幅达17.1℃。表层粮食平均温度下降至16.9℃，其降幅明显。由图6(b)可知，通风第10天，粮仓表面平均温度为15.1℃，降低了1.8℃，表面粮层最高温度约在x＝17 m截面处，因为该处气流形成涡流，导致旋涡边缘产生通风死角，故降温速率比周围小，其温度为15.9℃，处于风口所在截面表面粮层最低温度为14.9℃。由图6(c)可知，通风第28天，表面粮层平均温度为14.5℃，降幅达0.6℃，风口所在截面最低温度为13.9℃。随着通风时间的增长，空气区域温度先是迅速下降，而后降幅逐渐减小并趋于平稳。在北墙(靠近送风口处)和南墙处的表层粮温有逐渐降低的趋势，粮堆中部区域温度逐渐减小，整个表层粮温越来越均匀。冷却界面渗过粮堆表层逐渐下移进入粮堆底部，完成冷却。通风结束时，大部分表层粮温降至15℃以下，达到了低温储藏的状态。

图6 同侧仓通风温度分布云图/K

异侧仓通风第5、10、28天的温度分布云图如图7所示。由图7(a)可看出，通风第5天，仓内空气区域温度下降至12.9℃，其降幅为17.1℃。由图7(b)可知，通风第10天，表层粮食平均温度下降至16.4℃，降幅明显，表面粮仓平均温度为14.7℃，其降幅为1.7℃，表面粮层最高温度约在靠近南外墙y＝37 m的旋涡处，漩涡导致该处产生通风死角，故降温速率比周围的小，其温度为16.9℃，表面粮层最低温度处于风口所在截面，为15.9℃。由图7(c)可知，通风第28天时，表面粮层平均温度为13.7℃，其降幅1℃，处于风口所在截面的最低温度为12.9℃。在北墙(靠近送风口处)和南墙处的表层粮温有逐渐降低的趋势，粮堆中部区域表层粮温逐渐减小，降幅分别为2、1℃，大于同侧仓在中部区域表层粮温的降幅，整个表层粮温越来越均匀。冷却界面渗过粮堆表层逐渐下移进入粮堆底部，完成冷却。通风结束时，大部分表层粮温降至15℃以下，达到了低温储藏的状态。

图7 异侧仓通风温度分布云图/K

同侧仓、异侧仓表层粮堆温度随时间的变化如图8所示。由图8(a)可知，与第5天相比，同侧仓通风第8天，表层粮温降幅为1.3℃，而高度为4.7、5.0 m截面处粮温降幅分别为1.8、1.3℃。通风第16天比第12天的表层粮温降低了0.3℃，高度为4.7、5.0 m截面处粮温降幅分别为0.4、0.2℃。对比可知，通风开始时，同侧仓表面粮层温度降低速率高，降幅最高可达0.6℃/d(粮高4.7 m处)，最低为0.43℃/d。随着通风时间的增长，同侧仓通风第12天至16天，表面粮层温降逐渐降低平缓，最高为0.1℃/d。由图8(b)可知，异侧仓通风第5天至第8天，表层粮温降幅为1.8℃，高度为4.7、5.0 m截面粮温降幅分别为2.1、1.1℃；通风第12天至第16天，表层粮温降幅为0.4℃，高度为4.7、5.0 m截面的粮温降幅分别为0.3、0.1℃。异侧仓通风第5天至第8天，表层粮温最高温降可达0.7℃/d(粮高4.7 m处)，最低温降为0.37℃/d。随着通风时间的增长，表面粮层温降规律与同侧仓相同，通风第5天起，随着通风时间的增加，同侧仓、异侧仓的温降逐渐变小，各层粮温趋于稳定，逐渐趋于平缓。对比可知，通风第5天至第8天，异侧仓的表层粮温降幅总是略高于同侧仓，低一层粮温的降低程度要高于上层粮温。上一层粮食的温降总高于下一层粮食的温降，原因是上层粮食处于通风沿的上层，通风阻力小。

图8 同、异侧仓表层粮堆温度随天数的变化曲线图

3.3 不同风口布置方式的通风降温均匀性对比

粮堆表面粮层内部在高度z为4.7、4.8、4.9、5.0 m截面处，共设置4层监测点，每层监测点布置如图9所示，每层4个角点距离墙面0.5 m，均匀设置78个监测点，有利于检测粮堆冷却通风的均匀性。

图9 监测点水平面布置示意图

谷堆的冷却通风均匀性是一个介于0到1之间的数值，用γ表示，均匀性越好，数值越大，通风越全面、越均匀，其值可由式(4)表示为

式中Tm为整个粮仓的平均温度，℃；Ti为监测点的粮食温度，℃；n为选择的监测数据的个数。

利用监测的312个监测点数据计算出两种布置方式通风的温度均匀性数值，见表1。在通风的第5、28天，同侧布置的通风均匀性指数小于异侧交替布置的均匀性指数，说明风口异侧交替布置通风效果更好。同侧仓、异侧仓在通风第28天的均匀性指数均比通风第5天的均匀性指数小，且异侧通风第28天的均匀性指数最小，说明通风时间的长短会影响均匀性指数的大小，但是不会影响两种仓型的控温效果。

表1 两种布置通风方式的均匀性数值表

谷物冷却通风的单位能耗是用来评判谷物冷却降温效果的指标，其值越小，效率越高。选取通风1~5天的粮温数据计算同侧布置和异侧交替布置通风的单位能耗。谷物冷却通风过程中的单位能耗由式(5)表示为

式中E为控温通风的单位能耗，kW·h/(℃·t)；∑W为降低能量的总耗电量，kW·h；T1为控温通风前的平均粮温，℃；T2为控温通风后的平均粮温，℃；G为粮食总重量，t。

经计算，风口异侧直线布置通风的单位能耗为0.072 kW·h/(℃·t)，风口同侧布置通风的单位能耗为0.075 kW·h/(℃·t)，高于异侧仓单位能耗，所以风口异侧交替布置通风单位能耗更低，谷堆控温效果显著，粮堆控温通风均匀性更好。

4 结论

以高大平房仓为研究对象，采用数值模拟的方法，研究了粮仓进出风口布置对控温效果的影响，对比分析了两种通风口布置方式下的通风均匀性和能耗，得出的主要结论如下:

(1)风口同侧布置与风口异侧交替布置通风粮堆表层平均温度变化趋势基本一致，且风口同侧布置表层平均粮温、风口异侧交替布置表层平均粮温与实验实测表层平均粮温的差值在2℃以内，数值模拟值与实验比较接近，验证了模型的可靠性。风口同侧布置通风时，粮堆上存在多个涡流，所以温度降低较小，且在空气区域也存在多个高温区域，但在经过28天的通风后，与粮堆平均温度的偏差在允许范围内。风口异侧交替布置时，个别高温点在空气区域以下的粮堆中部，对整个粮堆的温降几乎没有影响，经过28天的通风后，粮堆温度降至合理的安全储粮要求温度。

(2)风口异侧交替布置通风与风口同侧布置通风相比，通风均匀性系数更高，单位能耗也更低，说明风口异侧交替布置通风更加均匀，并且能够更快地达到低温状态。综合考虑同侧布置通风与异侧交替布置通风方式谷物通风的均匀性指数和单位能耗，高大平房仓风口异侧交替布置可减少通风过程中的成本和能耗，所以风口异侧交替布置通风谷堆控温效果显著，更具有优势。