局地气候条件下高大平房仓玉米内环流均温储粮技术应用及控温效果分析

◎ 丰 博，周 斌，吴文福，连中易，乌云山丹，李志民，景 雷，邓玉刚，孙凤阳

（1.中国储备粮管理集团有限公司吉林分公司，吉林 长春 130033;2.吉林大学 生物与农业工程学院，吉林 长春 130025;3.中央储备粮龙嘉直属库有限公司，吉林 长春 130504）

长春地区位于东北松辽平原腹地，地处第三储粮生态区，属典型的温带季风气候，该地区生长的优势粮作物为单季的玉米、水稻、大豆等，保障粮食产后的储藏安全处于国家安全战略安排的首位[1-2]。为了有效保证粮食产后的储藏安全，结合该地区寒冷冬季和炎热夏季温差大的特点，冬季利用外界的天然冷源对粮堆进行机械通风作业，为粮堆积蓄丰富的“冷芯”，随着外界气候的渐暖，表层粮堆及靠近粮仓围护结构的粮食受外界气温影响显著，粮堆内部容易出现“热皮冷芯”的现象[3]，加剧了度夏期间粮食储藏的不稳定性。此时的高温高湿区域易滋生虫霉[4]，引发粮食局部发热，同时发生热湿传递导致粮堆内局部水分聚积出现结露甚至板结[5]，严重威胁粮食品质安全。图1为高大平房仓仓储粮堆传热传质示意图。

图1 高大平房仓仓储粮堆传热传质示意图

在我国北方地区，针对粮堆内部存在的“热皮冷芯”现象，通常应用内环流均温技术，使粮堆内“冷芯”的冷量得到释放，以达到对局部高温区域进行降温的目的。环流均温对于冬季蓄过冷的粮堆来说是一项绿色安全的储粮技术，在高温的夏季通过环流风机将粮堆中下层内部“冷芯”的冷量抽出，送到仓内空间，让低温空气透过粮堆以下行的方式流动，致使气流在高大平房仓内形成闭合回路，此时，低温空气与粮食进行充分热湿交换，从而实现降低表层粮温及仓温的目标，消灭“热皮”现象带来的潜在威胁。黄昕等[6]通过对传统的谷物冷却控温与内环流均温的试验结果进行对比分析，发现内环流均温控温效果明显，需要的通风能耗也更低。马倩婷等[7]对内环流均温储粮技术进行研究，通过监测粮堆表层平均粮温、整仓平均粮温变化情况，发现合理使用内环流控温技术，配合对粮仓气密性、隔热性的严格控制，可以实现绿色储粮。以上文献虽然对环流均温储粮技术进行了试验研究，但是缺乏在局地气候条件下，从理论的角度对环流均温控温试验结果及其控温效果进行详细的分析和探讨。

因此，本文将从局地气候条件出发，深入分析长春地区高大平房仓玉米内环流均温控温特征，探究环流均温过程中的热湿传递规律，寻找局地气候变化对粮食储藏的影响特点，深入剖析环流均温控温效果，以期为优化内环流均温储粮技术以及后期相关内环流均温系统科技成果转化和大面积深入推广应用，以及加速建构高效、科学、绿色、智能的储粮安全技术体系提供试验支撑。

1 高大平房仓概况及储粮基本情况

1.1 仓房条件

本文的研究对象为中央储备粮龙嘉直属库有限公司20 号、23 号仓库，其仓房类型均为高大平房仓，建设时间为2001 年12 月，投入使用时间为2002 年12 月。仓房房架材料为大型拆线屋面板，墙体是砖混结构，地面是混凝土地面，每个仓房在檐墙位置设置6 个库门，试验仓的仓顶具备发泡材料保温隔热层、仓窗通过苯板材料进行隔热保温，表1 为20 号、23 号高大平房仓仓房条件。

表1 货位20 号、23 号高大平房仓仓房条件表

1.2 储粮基本情况

两个试验仓储藏粮食种类均为玉米，20 号、23 号仓库实际装量高度为5.85 m 和5.95 m，20 号仓内玉米初始水分高出23 号仓内玉米初始水分1.2%，粮食基本情况如表2 所示。

表2 货位20 号、23 号仓房粮食基本情况表

2 高大平房仓内环流均温试验

2.1 粮食储藏内环流均温原理

图2为高大平房仓内环流均温系统原理图。通风网类型为地下通风笼，启动环流风机时，粮堆中下层的冷量经过通风笼被抽送至集风箱，在环流风机的作用下，低温空气进一步通过保温管流至仓房上部空间，透过表层粮食渗入粮堆，与高温区粮食进行充分热湿交换，以达到降低表层粮温、整仓粮温的目的。内环流均温全过程不与外界接触，自始至终空气都在闭合的循环系统中运行。

图2 高大平房仓内环流均温系统原理图

2.2 试验器材及其布置情况

内环流均温试验采用的主要器材有电子检温测控系统、温湿度检测仪、环流风机、深层扦样器等。机械通风（通风道）布置为U 型一机三道通风笼，共配有4 台单台功率为1.1 kW 的环流风机，通风设备具体参数见表3。

表3 通风设备参数表

2.3 监测点布置

2.3.1 温度监测点分布

环流均温前后及试验过程中需要随时监测仓内粮情状态，所以需要均匀铺设电子检温装置，检温线布设通常是横线间隔4.5 m，纵向间隔1.7 m。本文两个试验仓布置有4 层温度监测点，分别位于粮堆表层、粮堆中上层、粮堆中下层以及粮堆底层，每层水平均温布置78 个监测点，共计312 个监测点，如图3 所示。

图3 温度监测点水平面布置示意图

2.3.2 扦样点分布

环流均温试验前后分别对20 号、23 号仓粮堆定点扦样，检测并记录其水分含量，每层通过扦样管设置17 个扦样点，每仓共5 层85 个水分扦样点。

3 通风试验过程

3.1 通风前粮情概况

根据吉林省储粮生态特点和储粮技术应用现状，中央储备粮龙嘉直属库有限公司20 号、23 号仓库在2021 年9 月，利用东北地区昼夜温差大的特点，采用自然通风的手段对粮堆进行了第一次通风降温，降温目标是平均粮温不低于10 ℃；在2021 年10—11 月，利用长春地区夜间温度较低的特点，采用轴流风机进行了第二次通风降温，降温目标是平均粮温不低于3 ℃；在2021 年12 月至2022 年1 月，充分利用外界的天然冷源，对粮堆进行了第三次机械通风作业，降温目标是平均粮温不低于-5 ℃，经过三轮的阶段式降温，粮堆内积蓄了大量的冷量。

随着外界气温的上升，粮堆温度受局地气候条件的影响显著，尤其是粮堆表层粮食与靠近平房仓南墙的粮食温度上升更迅速，截至2022 年6 月27 日，20 号仓房表层平均粮温接近17.2 ℃、中下层粮堆“冷芯”平均温度为-5.2 ℃左右；22 号仓房表层平均粮温为17.8 ℃、中下层粮堆“冷芯”平均温度为-3.6 ℃。

3.2 试验方法及启停设置

通过运行平房内配备的内环流均温系统，配合智能粮情检测系统及时监测和记录表层粮温、整仓粮温，定点扦样检测粮食水分含量，以此来监测和判断粮堆“冷芯”的利用情况，同时，利用仓间和粮堆温度传感器来控制环流通风系统的启停。根据20 号、23 号粮仓内粮堆的基础温度来合理设定启停温度值，当粮堆上下垂直两层监测点温差达到8 ℃，水平相邻监测点温差超过5 ℃时（其中，靠近围护结构墙粮温与邻近监测点温差达到8 ℃时），启动环流风机进行控温作业；当粮堆上下垂直两层监测点温差低于8 ℃，水平相邻监测点温差低于5 ℃时（其中，靠近围护结构墙粮温与邻近监测点温差低于8 ℃时），停止风机环流通风，表4 为20 号、23 号仓环流均温系统运行参数。

表4 货位20 号、23 号仓环流均温系统运行参数表

4 试验结果与分析

20 号、23 号仓库环流均温系统运行时间是2022 年6 月27 日至2022 年9 月12 日，系统运行期间20 号仓累计控温时间为614 h，23 号仓累计环流控温时间为178 h，表5 为环流均温试验期间各项控温参数。从表5 中的数据可以看出，在环流均温期间外界局地气候温度在18.0 ～30.0 ℃，总是高于仓温及仓内粮食温度，表明外界气候条件始终通过围护结构影响着仓内环境，但是由于围护结构的传热惰性，局地气候对仓内粮食的影响有一定的延迟和滞后[8]。环流均温前后两个试验仓粮食平均水分含量分别仅下降了0.1%，由此可见，内环流均温控温对粮堆水分变化影响不大。

表5 环流均温试验期间各项控温参数表

4.1 20 号仓粮温变化情况

环流均温系统开始运行之后根据3.3.2 设置的启停温度值，环流风机经历了若干次自动启停，表6为20号、23 号高大平房仓环流均温期间的温度监测报表。

表6 高大平房仓内环流均温期间温度监测报表（单位：℃）

由表6 中记录的数据可以看出，长春地区局地气候在6 月27 日出现了超过30 ℃的高温，到7 月4 日为止，20 号仓温度上升明显，仓温可达22.1 ℃，增幅为0.9 ℃，表层平均粮温可达18.2 ℃，涨幅为1 ℃，表明外界局地气候条件对仓内环境的影响有一定延迟。8 月1 日，室外气温为30.9 ℃，到8 月8 日为止，7 d 的时间里仓温上升到了22.2 ℃，增幅明显，但是表层平均粮温在7 d 的时间里仅仅上升了0.1 ℃，并且过了一周之后达到19.4 ℃，增幅极其明显。通过分析发现，是因为外界6 月27 日的高温传递至粮仓，达到风机启停温度值时，环流风机启动，开始从中下层“冷芯”抽出低温空气，通过内环流管道，将冷量输送至上部空间，所以加重了外界温度通过围护结构对粮堆产生影响的滞后性，所以直到8 月15 日，表层粮堆温度才有了“不正常”的上升，同时，环流风机也开始了新一轮的环流均温过程，以削弱外界环境高温对粮堆产生的不良影响，达到对仓温及表层粮堆精准控温的目的。

从表6 也可以看出，在环流均温期间，粮堆“冷芯”的温度一直呈上升的趋势，并且在9 月26 日达到了10.3 ℃，表明内环流均温系统利用完的粮堆“冷芯”温度也在低温储粮的标准之内。

4.2 23 号仓粮温变化情况

从表6 记录的数据中可以看出，长春地区局地气候条件对仓温影响的延迟和滞后规律相似，故此不再赘述。从6 月27 日至7 月4 日一周的时间里，23 号仓表层粮堆平均温度上升了1.2 ℃，高于20 号仓表层粮堆平均温度涨幅，深入分析发现造成这一现象的原因有二，其一是外界高温通过外围护结构由导热、对流传热、热辐射等方式，与表层粮堆进行热湿交换，故导致表层粮堆升温显著；其二是由于两个试验仓储藏时的玉米初始含水量的不同（20 号仓为14%、23 号仓为12.8%），导致了含水量较高的20 号仓粮堆热湿协同作用较强，致使23 号仓表层粮堆升温更显著。从8 月1 日至8 月8 日一周的时间里，23 号仓表层粮堆升温0.5 ℃，高于0.1 ℃（20 号仓表层粮堆升温），并且在接下来的一周里表层粮温“不升反降”，造成这一现象的原因除了不同含水量粮食与空气的热湿协同作用外，还有环流风机的启动。环流风机使冷量通过内环流管道输送至仓内上部空间，与外界传来的热量进行了融合，可以认为8 月1 日30.9 ℃的高温没能对表层粮食产生实质性的不良影响，所以23 号仓表层粮堆温度“不升反降”。

23 号仓在环流均温期间，粮堆“冷芯”的温度也一直呈上升的趋势，并且在9 月26 日试验结束时中下层平均温度才到5.8 ℃，在准低温储粮的标准之内。

4.3 通风效果

4.3.1 环流均温控温效果

20 号、23 号仓在内环流均温期间，粮堆中下层和底层“冷芯”的低温空气环流至粮堆上层空气区域，下行透过表层粮食渗入粮堆，对仓温、表层粮堆温度进行精准控温，对粮食最高温度的控制效果明显。经过环流均温通风后，20 号仓粮堆平均温度为10.5 ℃，23 号仓粮堆平均温度为9.8 ℃，符合低温储粮的要求，控温达到了预期效果。与此同时，内环流均温前后两个试验仓玉米含水量几乎没有变化，可见利用内环流均温的方法可以实现对粮堆的保水通风控温，为粮堆营造低温储粮环境。

4.3.2 能耗分析

根据内环流均温系统运行期间的夏季控温电费来进行计算能耗，20 号仓累计环流时间为614 h，总能耗为2 701 kW·h、单位能耗为0.43 kW·h·t-1；23 号仓累计环流时间为178 h，总能耗为784 kW·h、单位能耗为0.123 kW·h·t-1。相比而言，同样内置环流通风系统的高大平房仓粮堆，其通风总能耗为1 320 kW·h、单位能耗为0.189 kW·h·t-1[12]，内环流通风可以体现出较好的经济效益。

5 结论与讨论

夏季随着外界局地气候的变化，粮仓内局部粮温也随之反复，容易出现“热皮冷芯”的现象，若依靠人工翻挖、单管通风等储粮措施，通风能耗及人工成本较高。相比而言，冬季利用外界低温空气为粮堆积蓄一定量的“冷芯”，夏季时利用内环流均温控温技术可以有效精准地对仓温及表层粮堆等进行控温，抑制粮堆最高温度的漫延，可以在度夏期间保证粮食储藏的稳定性，并且控温效果明显，与夏季其他常规的储粮安全措施相比，应用内环流均温的方式储粮更加高效节能，可以在满足局地气候条件的地区进行推广和应用。

试验证明，内环流均温控温的方法对储粮具有一定的保水通风效果，有利于粮食在度夏期间的安全储藏。同时，采用仓内环流的均温方式，不仅减少了空调制冷机组的使用，而且可以安全环保地实现粮食储藏，符合我国一直提倡的绿色、低能耗、科学储粮的可持续发展战略目标。

在实施环流均温通风时，可能会由于较大温差的存在而出现通风死角，应加强对通风死角的粮情监测，同时局部增设辅助通风管网或用单（多）管风机通风，以减小粮堆阻力，也可以通过改进环流通风工艺来改善通风过程中的通风能耗高、通风不均匀等问题[3]。内环流均温作为“四合一”储粮新技术重要的一环[9]，与科学化、规范化、智能化的数字监管智能方法结合，可以有效避免粮情监测数据质量不高、利用率不理想等问题[10-11]。在保证储粮的真实性、安全性的基础上，应对内环流均温技术及其多参数粮情监测系统进行针对性的优化和推广，这将有利于我国早日建成高效、科学、绿色、智能的储粮安全技术体系。