浅圆仓控温技术的研究进展

李 杰，宋春芳，杨 东，石天玉

(国家粮食和物资储备局科学研究院粮食储运国家工程研究中心1，北京 100037) (江南大学机械工程学院；江苏省食品先进制造装备技术重点实验室2，无锡 214122)

粮食安全事关国运民生。据统计，2020年我国粮食产量达6.7亿t。但我国幅员辽阔，粮食生产和人口分布的区域差异显著，主产区空间上相对集中，全国大部分地区难以达到产销平衡，为确保全国粮食安全和应对重大突发事件，我国建有标准粮食仓房6.8亿t，每年全国粮食物流调运规模为5亿t以上，其中跨省物流约占48%。粮食产后“收储运”环节的节粮减损、提质增效，任务艰巨、意义重大。粮食储运过程中温湿度控制，对维持粮食品质至关重要。控温储粮技术是根据当地气候特点对仓房围护进行隔热改造，秋冬季通风降温，春季保温延缓温度上升，夏季机械控温和谷冷[1]。控温技术能够储有效抑制粮食籽粒的呼吸代谢、抑制粮堆内有害生物的生命活动，减少经济损失，降低化学药剂及虫霉污染[2],已经成为粮食储藏技术的主要发展方向[3]。

浅圆仓自20世纪90年代引入我国，已成为国内新仓建设的主流仓型。与传统平房仓相比，浅圆仓占地面积小，具有更好的受力结构、隔热气密性优异，储粮性能得到了极大的改善和提高[4]，同时具有更高的机械化程度，进出仓效率高。

针对浅圆仓的控温技术已经有了大量的研究。随着谷物冷却机、智能通风等技术的应用和不断完善，不同储粮生态区也针对所在地区的自然气候条件建立了各具特色的低温、准低温及控温储粮技术。本文综述了我国浅圆仓储粮控温技术的研究进展及适合各生态储粮区的控温技术，并分析了浅圆仓控温技术未来的发展方向。

1 浅圆仓保温隔热及气密性要求

1.1 隔热保温技术

浅圆仓控温技术中，隔热保温是基础，只有在良好的隔热保温基础上其他的控温措施才是有意义的。保温材料是影响仓房围护热工性能的主要因素，常用保温材料的特性参数如表1所示。袁育芬等[5]通过热平衡计算以及对仓温影响因素的分析，提出了对不同储粮区域要进行不同的保温隔热措施。《粮油储藏技术规范》[6]对浅圆仓的隔热性能提出了要求。不同区域的隔热要求和保温隔热措施应用情况如表2所示。

王薇[14]对浅圆仓进行实测发现70%左右的热量是由仓顶传入。由此看出，解决好仓顶隔热问题是浅圆仓隔热保温的关键。浅圆仓仓顶大多采用发泡聚氨酯和隔热反光涂料相结合的方法，取得了良好的保温隔热效果[15]。此外，采用外墙保温隔热和仓顶喷淋等技术也能够取得较好的隔热效果。

浅圆仓在夏季受太阳辐射影响容易形成“热皮冷心”的现象，仓壁的隔热效果不佳将直接影响仓内沿壁部分的粮食品质[16]。通过对仓壁结构的设计优化和喷涂隔热保温材料[17]能够缓解浅圆仓的“热皮冷心”现象。各储粮区在选择隔热保温措施时还要因地制宜，施国伟等[18]研究了华南地区钢筋混凝土仓壁有无气砖隔热层的保温效果，发现二者并未有明显差异，而采取混凝土层外设置 50 mm聚氨酯发泡隔热层的方法，不仅成本较低，且隔热效果较好。

表1 常用保温材料的特性参数

表2 不同储粮区域保温隔热措施[7]

1.2 气密性

粮仓气密性是指粮食仓房对气体的密封性能。气密性将直接关系到其他储粮控温技术的实现效果，进而影响储粮品质安全，是粮仓控温技术的重要环节。根据GB/T 25229—2010《粮油储藏平房仓气密性要求》[19]中一级气调仓从500 Pa下降到250 Pa的压力半衰期不应小于5 min的要求，我国浅圆仓与国外的筒仓气密性标准相比仍存在差距。随着对粮仓气密性认识的深入，一些浅圆仓通过对仓房的气密性改造，能够将仓房气密性提升到15～30 min，远超过现有标准[20]。目前对浅圆仓气密性的研究大多集中在对气调技术的影响，缺少在粮仓气密性对通风降温、内环流控温和对粮仓保温性能的影响等方面的研究，加深对粮仓气密性的全面研究与认识，将有助于制定适用于当前粮仓储粮状况的气密性标准。

2 浅圆仓通风控温技术

通风降温是降低粮食储藏过程中损失的一种有效且环保的办法，根据通风方式分为自然通风和机械通风。浅圆仓通风系统通常由风机、连接管、仓下通风口、仓内风道、仓顶通风孔(包括自然通风孔和轴流风机)等部分组成，其结构示意图如图1所示。

图1 地槽通风系统结构示意图[21]

2.1 自然通风

自然通风是指在低温季节，选择气温较低、空气干燥的时机，利用粮堆内外的热压差、风压差进行自然通风，外部冷空气被送入粮堆内部，从而降低粮温和仓温[22]。

2.2 机械通风

机械通风是指使用风机和通风管道系统，将自然冷源即冷空气强制送入粮堆，促进粮食储量温度的均匀和降低[23]，将粮食水分控制在合理范围内，保障粮食储藏安全。

2.2.1 地槽通风

为提高机械化程度，浅圆仓底部通常为平底结构，基本采用地槽风道，常见的风道形式如图2所示。根据目的可以将通风分为降温通风、降水通风和调质通风。针对不同的通风目的，应当采用不同通风方式，在此过程中，通风时机的选择至关重要。吴子丹[25]建立的粮食通风窗口理论对于指导粮仓机械通风具有指导意义。

图2 常见风道形式[24]

各地浅圆仓实仓机械通风实验中，通风过程通常需要一周以上的时间，费时费力。随着计算流体力学的发展，通过采用不同分析方法和假设数学模型，国内外学者对粮仓通风数值模拟进行了大量的研究，如表3所示。数值仿真大多研究单一地槽类型通风过程中粮堆内的温度和水分的变化，在各地粮库的实仓通风实验中，更关注风机的类型和功率对通风效果的影响，而针对风道形式对降温通风的影响研究较少，研究现有不同地槽类型通风时粮堆内部热湿分布的特点继而对地槽风道进行优化升级具有重要意义。

2.2.2 径向通风

国内浅圆仓的通风方式基本为地槽通风，但是由于浅圆仓粮堆高，存在通风阻力大、通风时效率低，通风后水分、温度分层明显的问题。因此，在此基础上浅圆仓的径向通风技术国家粮食局和物资储备局科学研究院对通风阻力进行了研究，其结果如表4所示，其中垂直方向上的通风阻力最高达到水平方向的2.6倍。在通风过程中，气流的热湿交换能力与单位面积通风量的0.49次方成正比，因而在相同热湿交换速度时，径向通风可以选取更小的风速。可以看出，浅圆仓径向通风技术不仅能够解决地槽通风存在的问题，而且能够降低通风过程中能源的消耗，具有良好的发展前景。

表3 粮仓通风数值仿真研究

国内外学者在径向通风技术的研究上已经取得了一定的进展。Chelladurai等[33]通过研究筒仓水平方向上的通风干燥系统，发现气流由中心向外均匀、各方向干燥均匀。Nwaiz等[34]和戚禹康等[35]对浅圆仓径向通风的气流分布及支风道数量进行了研究，发现在通风过程中粮堆内部存在通风死区，虽然支风道数量的增加能够对其进行一定优化，但不能完全消除。张修霖等[36]在浅圆仓径向通风模拟中发现，中心集风管顶部密闭且采用吸出式通风时的通风方式具有更快的降温速度。武传森等[37]在数值仿真的基础上，进行了浅圆仓径向通风实仓改造实验，其径向通风示意图如图3所示，结果表明，该系统提高了浅圆仓通风均匀性，减少了水分损失。

虽然浅圆仓径向通风技术已经取得了一定效果，但是这项技术还处于探索实验状态，需要更多研究来完善。在径向通风对不同粮种的通风效果、浅圆仓内通风管网的设计与优化以及径向通风技术与谷冷、环流、熏蒸等技术的结合等方面仍然需要深入研究。

图3 径向通风示意图[37]

3 浅圆仓机械制冷控温技术

3.1 空调制冷控温技术

空调控温是将空调机制备出来的冷气流送入粮堆空间降低仓温，从而降低粮堆上层温度的方法。空调控温技术操作简单、管理方便，是一项效果明显的控温储粮技术[38]。传统的空调控温采用分体式家用空调或者是工业空调，在使用过程中存在不耐腐蚀、不防尘、不防爆和降水明显等不足[39，40]，粮仓专用空调的出现解决了这些问题。目前空调控温在全国各储粮区均有应用，但均存在耗电量较大的问题，探究适用于各地区的控温方法是空调控温的一个重要方向。在高温高湿区域已有采用空调控温与谷冷技术相结合[41]、在冬季冷源充足地区与内环流技术相结合[42]的技术出现并取得了良好的应用效果。控温技术是一项综合技术，探究空调控温与其他控温方式的结合具有重要意义。

表4 不同粮种的粮堆各向异性阻力实验结果对照

3.2 谷冷冷却技术

谷物冷却机利用机械制冷的方式将空气进行冷却降温和湿度调节，输出恒温恒湿空气到粮堆，从而降低粮温，具有不受环境气候影响且在使用中粮食水分损失少的特点[43]。刘启航等[44]对全国7个储粮区谷冷机的使用情况进行了分析研究，得出结合我国区域气候，谷冷机控温能够实现良好储粮效果的结论。但是，在实际使用过程中出现北方对机械制冷需求不高，谷冷机常闲置不用，而南方气候炎热，谷冷机需要对粮仓多次复冷，能耗过高，导致谷冷机仅在粮情异常时才被使用的现象[45]。实际上，通过合理选择谷冷时机[46]和采用智能冷却通风系统[47]能够有效降低能源消耗。此外，对现有谷冷技术进行优化，采用环流谷冷技术一次作业能够用节省用电3 000 kW·h[48]。

结合我国各储粮区气候特点，对自然冷源相对充足的华北、华中及东北地区，建议保留一定数量的谷冷机以备粮情异常；对气候干旱的西北地区，通过谷冷机实现降温保水，可以避免机械通风时水分的大量流失；对于华南高温高湿储粮区，通过对谷冷机的科学使用确保在控温的同时降低成本。

3.3 新型制冷控温技术

3.3.1 热泵技术

地源热泵利用稳定的地热能(地下水或土壤)，在冬季将地下储存的热量输送到建筑中，在夏季将热量输送到建筑外[49]，其工作示意图如图4所示。由于其对空气、水和土地均没有污染，最大限度地解决了环境污染问题，符合绿色生态、低碳储粮技术的要求，目前在低温储粮技术中也有所采用。通过对不同控温技术能耗的对比分析[50，51](表5)，可以看到地(水)源热泵技术能耗更低。经调查，我国浅层地热能资源丰富[52]，但受限于开发成本过高，实施标准不健全等原因，目前在粮仓中应用并不广泛，未来随着地源热泵技术的发展，地源热泵技术在粮仓中具有良好的应用前景。

图4 地源热泵工作示意图

2.3.2 太阳能制冷控温技术

太阳能是一种绿色环保的可再生能源，我国在太阳能制冷领域研究处于世界领先位置[53]。太阳能制冷具有节能环保的优点，其制冷途径分别是太阳能光电转换“以电制冷”和太阳能光热转换“以热制冷”。光热转换制冷还分为太阳能吸收式制冷和太阳能吸附式制冷。太阳能吸收式制冷技术较为成熟，其原理是基于制冷剂气体的吸附能力随温度的变化而变化的吸附制冷，在降低表层粮温上取得良好的效果[54]，但是存在光电转化效率低、技术难度大和制造成本高等问题[55]，难以推广。我国太阳能资源丰富且分布广泛，特别是在西藏及青海地区，年均辐射高达7 000 MJ/m2，随着技术发展进步，太阳能制冷技术将有着良好的应用前景。

4 内环流控温技术

内环流控温系统示意图如图5所示，通常由环流风机、环流管道、温度传感器、湿度传感器和控制系统组成。内环流控温技术是利用粮堆在冬季储存的冷量，在夏季高温阶段，将仓内粮堆内部的冷量用内环流风机抽出，再通过环流管道送入仓内，从而降低粮堆表面温度，达到(准)低温储粮、绿色储粮的目的。在华北、东北和西北地区，冬季温度低、时间长，粮堆能够在冬季积攒足够冷源，在一些地区甚至仅靠冬季蓄冷，夏季内环流控温即可实现低温储粮。然而，在东南、华南等高温高湿地区，由于冬季时间短且温度高，难以利用自然冷源积攒足够冷量，因而内环流技术在南方的应用较少。高温高湿地区的内环流控温可以考虑与制冷技术相结合，马倩婷等[57]研究了内环流控温技术在长江以南区域的应用，内环流控温后全仓平均温度低于20 ℃，表层粮温小于25 ℃，均温效果良好。

表5 低温储粮技术能耗对比

图5 内环流控温系统示意图[56]

5 总结与展望

浅圆仓控温储粮是一项集合多种控温手段的集成储粮技术，能够有效控制粮温，保证粮食品质，减少化学药剂的使用，是一种绿色保质储粮技术。各储粮区在运用控温技术的过程中发展出了各具特色的控温方法，取得了良好的储粮效果。但是目前还存在一些问题需要解决。

在浅圆仓结构上，为了降低外界温度对仓内的影响，虽然研发了许多不同的保温隔热墙体结构，如在墙体内部预置保温材料、采用空心砖、气砖隔热层以及采用管道降温等，然而这些墙体结构实际的保温隔热性能，如传热系数等，缺少实验数据的支撑和统一的测评标准，不利于标准化推广应用。随着技术的发展，大量已有仓房在气密性上没有同步提升，达不到保质保鲜储藏的要求，因此对现有仓房及新建仓房的整体保温气密性应当足够重视。仓房气密性会随着使用时间的增长而衰减，需要按储粮周期对仓房进行气密性检测维护，及时处理仓房漏气部位能够提升仓房气密性50%以上。在气密性标准的修订上，可以参考国外现有的标准，对浅圆仓气密性提出更高的要求。在保温材料上，对现有保温材料的运用缺乏标准，保温材料的选用大多以企业为主导，施用工艺也大多依靠经验。因此在保温材料选用以及施工工艺上，需要对各储粮区进行标准的制定，使保温隔热工艺更加规范化。此外要加强保温材料的基础性研究，研发出更优异的保温隔热材料。我国的太阳能、风能和地热能资源丰富，但是由于新能源技术在粮库应用处于起步阶段，且以光伏发电为主，需要更进一步研究清洁能源在低温储粮、储粮干燥等储粮技术方面的应用。

机械通风技术基础理论研究需要加强，利用数值仿真技术建立合适的数学模型，合理优化现有地槽通风、空间控温、粮堆环流通风等通风降温储粮技术，并研究最优浅圆仓径向通风技术。