不同地區不同儲存條件對儲糧“熱皮”厚度的研究

郝立群 劉建保 戴志桐 高彬彬蔣傳福 朱昌保 張文武 曹 陽

(遼寧省糧食科學研究所1，沈陽 110032) (遼寧大連金州國家糧食儲備庫2，大連 116199) (中糧貿易曲家糧庫3，鐵嶺 112516) (浙江省儲備糧管理有限公司4，杭州 310006) (安徽現代糧食物流中心庫5，合肥 231199) (安徽省糧油科學研究所6，合肥 230031) (安徽省糧食集團有限責任公司7，合肥 230009) (國家糧食和物資儲備局科學研究院8，北京 100037)

我國糧食產量大，儲備量高，同時由于儲藏時間長，導致儲存期間的損耗也較高[1]。糧食儲藏中，糧油倉儲管理人員通過觀察跟蹤糧溫，根據經驗對倉房內儲糧狀況、糧溫分布規律做出判斷，并對糧堆進行“熱皮冷心”或“熱心冷皮”等定性化描述[2-4]。張前等[5]報道，表層糧層厚度定義在3 m是根據目前高大平房倉常用的測溫系統溫度傳感器布置位置，糧面和沿墻的傳感器一般位于糧面下0.5 m或距墻面0.5 m，它們與下層和內層傳感器的最近距離為5 m，取中點距離2.5 m為溫度傳感器所代表的糧溫范圍。因此，表層糧層厚度定義為3 m，目前只能用這些傳感器檢測的溫度范圍代表“熱皮”溫度。尹君等[6]研究表明，糧堆溫度對糧堆內的水分遷移、微生物滋長和蟲害活動等都有十分重要的影響，是決定儲糧生態系統安全的關鍵因子之一，準確掌握糧堆溫度場分布、通過溫濕度場的耦合分析預測糧堆溫度場變化趨勢，是預判儲糧安全狀態的重要方法之一。劉肖麗等[7]研究表明，稻谷在實際儲備時，盡量控制儲存溫度在30 ℃以下，入庫水分盡量控制在13%以內。從糧食加工角度來看，不論是稻谷、小麥，還是玉米，其水分在15%時，可獲得品質較好的成品，為解決糧食儲存與糧食加工的矛盾，需要提升糧食儲存條件，倉房保溫勢在必行。

利用溫度傳感器密集陣列與倉房自身設置的測溫系統相結合，通過采集不同季節糧堆溫度，對我國北方、南方部分筒式倉、房式倉進行模擬實驗研究，測定糧堆“熱皮”厚度，為倉房保溫措施的制定提供精準指導意見。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

根據緯度差在南北方各選取4家糧庫，對其房式倉、筒式倉進行測試，倉房情況見表1。

表1 實驗倉房情況

1.2 實驗方法

由于糧食是熱的不良導體，小麥導熱系數僅為0.15 W/(m·K)，盡管受夏季高溫影響，糧堆表層最高溫度近30 ℃，而高熱區域只出現在表面不足1 m處，在糧堆內部仍然保持巨大的“冷芯”。隨著夏季熱量的傳入和積累，糧堆上部出現溫度較高區域，“冷芯”有所減小，在糧堆上層出現一個由積熱產生的厚度約2 m、跨度約18 m、均溫約在13 ℃、最高溫度達到17 ℃的暖區域[6]。

金州庫實驗方法：從3月至10月，糧溫測試系統每天9:00與14:00定時自動采集所測區域溫濕度數據，并實時傳輸至遠程服務器上，通過郵件接收。

其他糧庫實驗方法：僅在外溫最高的8月或9月，采用由手持測溫儀和糧堆測溫桿構成的測溫系統進行現場測試，并截取糧倉本身設置的測溫系統近一段時間內糧堆溫度進行綜合判定。

1.3 實驗儀器

金州庫將儲存小麥的1個筒倉和1個平房倉、儲存玉米的1個平房倉作為實驗倉。糧溫測試系統由電腦、主機、分機、控制器、無線模塊、倉內外溫濕度傳感器、糧堆測溫桿、測溫電纜、通訊電纜等構成。倉內外溫濕度傳感器每倉各1組，每組由1個溫度傳感器、1個濕度傳感器構成。糧堆測溫桿長2.0 m，外殼為不銹鋼管，內部由頂端開始，間距10 cm，布置20個溫度傳感器。糧堆測溫桿內布設的溫度傳感器測溫范圍為-40 ℃～+60 ℃、檢測速度≤128點/s、分辨率≤0.1 ℃、誤差≤±0.5 ℃。每倉布置2組，每組20根，從倉壁南側開始布點，每10 cm布設1根測溫桿，連續布置至2 m處；組間距2 m。在4 m2測試范圍內，布置800(400×2)個溫度測點，見圖1、圖2。

圖1 測溫桿水平布置圖

圖2 測溫桿垂直布置圖

其他實驗倉采用由手持測溫儀和糧堆測溫桿構成的測溫系統，糧堆測溫桿長1.8 m，外殼為軟管，內部由頂端開始，間距10 cm，布置16個溫度傳感器。測量時，測溫桿間距10 cm。糧堆測溫桿內布設的溫度傳感器測溫范圍為-40 ℃～+60 ℃、檢測速度≤128點/s、分辨率≤0.1 ℃、誤差≤±0.5 ℃，并且采用糧倉本身設置的測溫系統，對糧溫進行測試。

2 結果與分析

2.1 測試結果

2.1.1 金州庫實驗倉

3月至4月，大氣最高溫度在10～25 ℃之間，倉溫為5～15 ℃。儲存小麥立筒倉、小麥平房倉、玉米平房倉，表層糧溫為6～13 ℃，測試區域平均糧溫為-1～6.5 ℃之間。以平均糧溫和最高糧溫判定，處于低溫儲糧模式。其后隨著外溫與倉溫的升高，逐步形成“熱皮”，見圖3～圖5。

5月至6月，大氣最高溫度在25～35 ℃之間。以儲存小麥平房倉為例，倉溫在20～25 ℃之間，測試區域平均糧溫分別為7～14.5 ℃，表層最高糧溫為27 ℃，以平均糧溫判定為低溫儲糧模式，以最高糧溫判定為常溫儲糧模式。

7月至9月中旬，大氣最高溫度在30～40 ℃之間，8月初達到一年當中的最高值。以儲存小麥平房倉為例，倉溫在25～30 ℃之間，測試區域平均糧溫分別為16～19 ℃，表層最高糧溫為29 ℃。

圖3 金州庫小麥立筒倉溫度圖

圖4 金州庫小麥平房倉溫度圖

圖5 金州庫玉米平房倉溫度圖

8月2日至27日，表層糧溫維持在高位。以8月27日層列間糧溫數據為例，見圖6、圖7。

10月份這一地區的大氣溫度回落較快。10月上旬，大氣最高溫度在20～25 ℃之間，倉溫為20～22 ℃，10月中旬，大氣最高溫度在15～25 ℃之間，倉溫為16～20 ℃。儲存小麥立筒倉和平房倉、儲存玉米平房倉的表層糧溫為16～20 ℃。儲糧模式由常溫儲糧模式變為準低溫儲糧模式。

圖6 金州庫儲存小麥平房倉層間糧溫圖

圖7 金州庫儲存小麥平房倉列間糧溫圖

2.1.2 其他庫實驗倉

曲家庫采用手持測溫儀和糧堆測溫桿對淺園倉進行測試，距糧層表面1.8 m范圍內，糧溫處于25～30 ℃之間，距倉壁0.5～2.0 m范圍內，糧溫處于25～30 ℃之間，數據見圖8、圖9。采用倉體自身設置的測溫系統對淺園倉進行測試，數據見圖10、圖11。德清庫采用手持測溫儀和糧堆測溫桿對高大平房倉進行測試，其結果類同于曲家庫數據形態。采用倉體自身設置的測溫系統對高大平房倉進行測試，數據見圖12、圖13。

衢州庫采用倉體自身設置的測溫系統對高大平房倉進行測試，數據見圖14、圖15。采用倉體自身設置的測溫系統對淺園倉進行測試，數據見圖16、圖17。

圖8 曲家庫儲存玉米淺園倉層間糧溫圖

圖9 曲家庫儲存玉米淺園倉列間糧溫圖

圖10 曲家庫儲存玉米淺園倉層間糧溫圖

圖11 曲家庫儲存玉米淺園倉列間糧溫圖

圖12 德清庫儲存小麥高大平房倉層間糧溫圖

圖13 德清庫儲存小麥高大平房倉列間糧溫圖

圖14 衢州庫儲存小麥高大平房倉層間糧溫圖

圖15 衢州庫儲存小麥高大平房倉列間糧溫圖

圖16 衢州庫儲存小麥淺園倉層間糧溫圖

圖17 衢州庫儲存小麥淺園倉列間糧溫圖

2.2 “熱皮”厚度判定

2.2.1 金州庫各實驗倉

對于糧堆內的霉菌與儲糧害蟲，22～28 ℃是其易于生存與繁殖的溫度。以20 ℃為標準，判定儲存小麥平房倉“熱皮”厚度，從圖6層間糧溫圖來看，除去倉壁導熱對表面糧層的影響，在1～10點范圍內，20 ℃溫度線上有7～9條溫度線，從圖7列間糧溫圖來看，除去表面糧層導熱對倉壁的影響，在11～20點范圍內，20 ℃溫度線上有7～8條溫度線，說明小麥平房倉垂直方向“熱皮”厚度為70～90 cm，水平方向“熱皮”厚度為70～80 cm。同樣判定，無保溫層立筒倉垂直方向“熱皮”厚度為1.7 m，水平方向“熱皮”厚度為1.2 m。各倉“熱皮”厚度見表2。

表2 “熱皮”厚度/m

以20 ℃為標準，依據圖3、圖4、圖5判定各倉“熱皮”形成時間，見表3。

表3 “熱皮”形成時間

在“熱皮”厚度方面，未作保溫處理的筒倉，其“熱皮”厚度明顯大于倉頂進行保溫處理平房倉；在“熱皮”形成時間方面，進行保溫處理的平房倉比未作保溫處理的筒倉，時間滯后13～17 d。

2.2.2 其他庫各實驗倉

其他各庫房式倉“熱皮”厚度見表4，筒式倉“熱皮”厚度見表5。

表4 房式倉“熱皮”厚度

表5 筒式倉“熱皮”厚度

2.3 結果分析

2.3.1 “熱皮”厚度分析

“熱皮”厚度研究其實質是有效積溫問題研究。當以20 ℃為判定標準時，由于淺園倉基本未作保溫處理，北方淺園倉“熱皮”厚度為7.0 m，南方淺園倉“熱皮”厚度為4.5 m，已經不是“熱皮”厚度概念，表現為“熱層”厚度。北方平房倉“熱皮”厚度少則0.5 m、多則3.2 m，與罩棚倉“熱皮”厚度為4.0 m相近，南方平房倉通過采取相應措施，“熱皮”厚度可控制在1.5 m左右。

2.3.2 判定標準分析

在“熱皮”厚度判定中，以霉菌、儲糧害蟲易于生長、繁殖、活動的某一溫度固定值為判定標準，判定方法比較簡便、易于操作，但不能反映“熱皮”、“冷芯”、“中間過渡層”之間的關系。由此，也可采用溫度波動范圍作為判定標準，“冷芯”因其溫度相對穩定，以每年溫度波動范圍在5 ℃以內；“熱皮”因其溫度波動較大，每年溫度波動范圍在10 ℃或15 ℃以上；兩者之間為“中間過渡層”。在開展糧堆“熱皮”判定時，應根據倉房結構形式、氣密性、保溫性、所處地域、儲糧模式、倉溫控制措施、儲糧品種等，采取固定值與波動范圍相結合設定判定標準。

2.3.3 圍護結構分析

熱量傳遞方式有對流、傳導和熱輻射3種，反映到儲糧倉則是糧堆圍護結構總傳熱系數問題。只有圍護結構的隔熱性能達到要求，才可將“熱皮”厚度限制在要求的范圍內。圍護結構總傳熱系數用K表示，單位為W/(m2·K)。傳熱系數與熱阻R成倒數關系，即：K=1/R。通常糧堆圍護結構傳熱屬于復合傳熱，總熱阻R為內、外表面對流換熱熱阻Ra與導熱熱阻Rλ之和，即：R=Rαw+Rλ+Rαn。

式中：αw為圍護結構外表面換熱系數，一般取23 W/(m2·K)；αn為圍護結構內表面換熱系數，一般取10 W/(m2·K)；Ri為圍護結構中第i層材料導熱熱阻/(m2·K)/W；δi為圍護結構中第i層材料厚度/m；λi為圍護結構中第i層材料導熱系數/W/(m2·K)。

假設一個儲糧倉處于第四、六生態儲糧區，要求其具有良好的隔熱性。依據GB 29890《糧油儲藏技術規范》規定，用于低溫儲糧倉倉墻傳熱系數為0.53～0.58 W/(m2·K)，取其中值0.55 W/(m2·K)，倉頂傳熱系數不大于0.40 W/(m2·K)。分別計算，導熱系數為0.40 W/(m·K)、500 mm厚的磚墻墻體，導熱系數為2.0 W/(m·K)、500 mm厚的混凝土墻體，以及導熱系數為2.0 W/(m·K)、100 mm厚混凝土預制板倉頂，在加設導熱系數為0.05 W/(m·K)高效阻燃保溫材料時所需要的厚度。

磚墻墻體：

混凝土墻體：

混凝土倉頂：

3 結論

由于實驗用的糧堆測溫桿長度及糧倉本身設置的測溫系統間距所限，除金州庫外，僅給出了表面糧層“熱皮”厚度。對于倉壁四周“熱皮”厚度，以及因地熱傳導產生的糧堆底部“熱皮”厚度，有待于進一步研究驗證。因此，在“熱皮”厚度測試上，應針對每個倉房的具體結構形式，開展整倉、全方位、全儲糧時段測試，通過建立數學模型，得出各部位“熱皮”厚度范圍。

在設計或改造糧倉儲糧條件時，應依據儲糧堆圍護結構情況、儲糧品種、所處地域、氣密性、“熱皮”厚度范圍等，計算保溫層厚度，選取導熱系數小于0.05 W/(m·K)的高效阻燃保溫材料，在不增加儲糧成本前提下，可使儲糧堆由原先的常溫儲糧模式改變為準低溫儲糧模式甚至是低溫儲糧模式[8]，可使整體糧溫控制在所設定的范圍內，為制定糧倉保溫措施和確保糧食安全、綠色、保質儲存提供參考。