鄭 頌，趙恢發(fā)，范存瞻 ，李興軍*

（1.福建省儲備糧管理有限公司長樂直屬庫，福州350217；2.國家糧食和物資儲備局科學(xué)研究院昌平中試基地，北京102209)

谷物糧堆孔隙率35%～55%、熱絕緣特性造就其能夠保持低溫低濕的空氣特性[1-3]。干糧堆平衡相對濕度范圍30%～65%就可抑制螨類和微生物生長，儲糧溫度17～22℃范圍是糧食防蟲安全管理的溫度。糧堆降溫通風(fēng)的結(jié)果就是形成糧粒被低溫低濕空氣所包圍[1]。國內(nèi)缺乏對糧堆籽粒間隙空氣特性的研究。在國內(nèi)，糧食機械通風(fēng)操作一般比較糧堆與大氣的溫度差、平衡絕對濕度、露點溫度[4-5]，而對糧粒間隙空氣的參數(shù)變化報道有限。糧堆通風(fēng)操作中需要確定糧粒間隙空氣的相對濕度（RH），將糧堆測溫電纜測定的各點溫度和糧堆扦樣測定的含水率代入吸附平衡水分方程就可以確定。

我國東南地區(qū)冬季短，一般無雪但有雨，氣候相對較為濕潤，如何在有限的低溫期快速地降低糧溫是一道難題[6-8]。福州地區(qū)最冷月 1～2月平均氣溫6～10℃，最低氣溫－2.5℃，我們以人工控制的小功率軸流風(fēng)機，充分利用夜間低溫進行稻谷和小麥高大平房倉降溫保水通風(fēng)試驗，目的是為該地區(qū)試驗推廣基于糧食平衡水分方程的智能化精準通風(fēng)技術(shù)提供數(shù)據(jù)[9]。2019年12月至2020年2月降溫通風(fēng)試驗研究中，采用牛頓和拉弗遜迭代方法求解糧堆籽粒間隙空氣的露點溫度，并分析晚秈稻糧堆通風(fēng)期間糧粒間隙空氣RH、含濕量和露點溫度的變化規(guī)律，以期為我國稻谷糧堆精準化智能通風(fēng)提供評價的方法指標。

1 材料與方法

1.1 倉房條件及通風(fēng)方法

福建省儲備糧管理有限公司長樂直屬庫位于福州市長樂區(qū)松下鎮(zhèn)，12月～次年3月的平均氣溫12.2℃，平均最低氣溫9.3℃。P24號試驗倉房長度和寬度分別是42 m、24 m，地上籠一機三風(fēng)道，通風(fēng)途徑比1.35，倒“U”字型風(fēng)道，倉房通風(fēng)口為3個。P24號稻谷倉2018年1月13日入倉江西晚秈稻，糧堆長度41.74 m，寬度23.18 m，裝糧高度6.19 m，噸數(shù)3409，雜質(zhì)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的離心風(fēng)機3臺上行壓入式通風(fēng)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日分別降溫通風(fēng)16 h，均采用0.55 kW的軸流風(fēng)機4臺，安裝在窗戶上。離心風(fēng)機型號4-72-6C，流量16 576 m3/h，全壓1 116 mmWG（毫米水柱），主軸轉(zhuǎn)數(shù) 1 800 r/min，廠家是臺州市華盛機械有限公司。軸流風(fēng)機型號YBF280M1-4，流量 9090 m3/h，轉(zhuǎn)速 1 400 r/min。 軸流風(fēng)機采用上行吸出式通風(fēng)。打開通風(fēng)口后，軸流風(fēng)機啟動后外界的冷空氣由通風(fēng)口進入，由下而上經(jīng)過糧層，再由軸流風(fēng)機排出倉外。根據(jù)天氣情況，軸流風(fēng)機運轉(zhuǎn)通風(fēng)時間段為每日17時至次日11時。

1.2 測定指標及方法

1.2.1 糧堆水分:在糧面布置11個扦樣點。每點再縱深4個扦樣點，共44份樣品。水分測定采用 LDS-1G谷物水分測定儀測定。

1.2.2 糧堆溫度：糧情檢測系統(tǒng)檢測糧堆各點的溫度，每4 d巡檢一次。在每倉糧面上分布60根測溫電纜，縱深每隔1 m為一層，4層共計240個點的糧堆溫度數(shù)據(jù)。

1.2.3 糧粒間隙空氣的相對濕度、含濕量及露點溫度測定

1.2.3.1 糧粒間隙空氣相對濕度和含濕量

式中，RH為糧粒間隙空氣的相對濕度 （%），M為糧食水分（%），T 為糧食溫度（℃），a、b、c 是測定的中晚秈稻MCPE方程的系數(shù)[10]。

式中，W 為糧粒間隙空氣的含濕量（kg/kg），Patm 等于101 325 Pa，Ps是糧食溫度T（℃）時的飽和水汽壓。

1.2.3.2 糧粒間隙空氣露點溫度

如果已知露點溫度Tdp對應(yīng)的含濕量wdp，鑒于飽和蒸汽壓強也是溫度的函數(shù)，方程（5）左邊是露點溫度Tdp的函數(shù)[11]，可表達為，

目標是求解Tdp值，方程（6）滿足f(Tdp)=0。

利用牛頓和拉弗遜迭代方法解方程（6），代數(shù)式可以寫成：

方程（7）的唯一變量是Tdp，其它都是恒值。飽和水汽壓僅是Tdp的函數(shù)，f(Tdp)對TTdp的依賴來自表達式Ps(Tdp)。通過微分的鏈式法則，

將方程（9）和（10）代入方程（8） ，按照牛頓和拉弗遜迭代方法，對于代數(shù)式方程（8）編程進行運算。當連續(xù)濕球溫度Tw之間的差值絕對值小于一定誤差 10-6，即|Tp+1dp-Tpdp|＜10-6，這個迭代過程就被停止。

1.2.4 降溫通風(fēng)效果評價通風(fēng)作業(yè)單位能耗采用方程（11）計算，

式中：δ為單位冷卻通風(fēng)效率，kW·h/(t·℃);Tf為風(fēng)機運轉(zhuǎn)時數(shù);P為風(fēng)機的額定功率,kW;W為糧食的噸數(shù);ΔT為降溫通風(fēng)前后糧堆溫度差，°C。

理論降溫通風(fēng)時數(shù)算法參考Navarro和Calderson方法[12]，考慮的因素包括糧食噸數(shù)、比熱、溫度差及校正因子，以及單位通風(fēng)量、糧粒間空氣比重變化、焓值差及校正因子。

1.2.5 數(shù)據(jù)分析

采用隨機區(qū)組試驗設(shè)計，數(shù)據(jù)以平均值±標準差表示。LSD檢驗中同一列不相同小寫字母表示樣品之間差異顯著（p＜0.05）。

2 結(jié)果與分析

2.1 大氣溫度及相對濕度的變化

從圖1及圖2可看出，大氣溫度由1月1日的17℃降低到1月17日的11℃，之后到2月21日平均氣溫是14℃。整個降溫通風(fēng)期間大氣相對濕度平均值是69.4%。大氣含濕量與露點溫度在整個降溫通風(fēng)期間的變化趨勢是相似的，平均含濕量是0.0068 kg/kg，平均露點溫度是8℃。

圖1 降溫通風(fēng)期間大氣溫度及濕度的變化

圖2 降溫通風(fēng)期間大氣含濕量及露點溫度的變化

2.2 糧堆最高、最低、平均溫度及極差的變化

從圖3看出，2019年12月30日稻谷糧堆1、2、3、4 層的最高溫分別是 20.9、20.6、24.6、20.1 ℃。 12月31日 9：00到1月2日9：00期間48 h的大功率離心風(fēng)機壓入式降溫通風(fēng)，1月2日 9：00時糧堆1、2、3、4 層的最高溫分別是 19.8、17.9、19.4、18.6℃。到 1月 12日，它們分別是 20.3、19.8、19.2、17.3 ℃。1月13日和1月15日兩次上行吸出式降溫通風(fēng)后，它們分別由 1月 13日的 20.3、19.7、19.1、17.3℃變化到 1月 19日的 17.3、19.6、19.3、20.3℃。1月 20日和1月22日兩次上行吸出式降溫通風(fēng)后，它們分別由 1月 20日的 17.1、19.5、19.3、20.3℃變化到 2月 15日的 16.2、17.4、18.4、19.4℃。 2月 17日和 2月21日兩次上行吸出式降溫通風(fēng)后，它們分別由2月 17日的 16.3、17.3、18.4、19.4℃變化到 2月 23日的 16.1、17.6、18.4、19.9 ℃。

圖3 降溫通風(fēng)期間糧堆各層最高溫度的變化

從圖4看出，2019年12月30日稻谷糧堆1、2、3、4 層的最低溫分別是 16.3、16.6、16.5、15.6 ℃。 12月31日 9：00到1月2日9：00期間48 h的大功率離心風(fēng)機壓入式降溫通風(fēng)，1月2日 9：00時糧堆1、2、3、4 層的最高溫度分別是 14.9、12.9、12.4、14.0℃。 到 1 月 12 日，它們分別是 15.7、15.9、14.5、14.7℃。1月13日和1月15日兩次上行吸出式降溫通風(fēng)后，它們分別由 1月 13日的 15.8、15.9、14.5、14.9℃變化到 1月 19日的 14.1、14.9、15.6、14.8℃。 1月20日和1月22日兩次上行吸出式降溫通風(fēng)后，它們分別由 1月 20日的 13.9、14.9、15.3、14.4℃變化到 2月 15日的 13.9、14.1、14.1、14.1℃。 2月 17日和2月21日兩次上行吸出式降溫通風(fēng)后，它們分別由 2月 17日的 14.1、14.1、14.1、14.3 ℃變化到 2月23 日的 14.3、13.9、13.7、13.8 ℃。

圖4 降溫通風(fēng)期間糧堆最低溫度的變化

從圖5看出，2019年12月30日稻谷糧堆1、2、3、4 層的平均溫度分別是 18.7、18.2、18.2、16.5 ℃。12月 31日 9：00到 1月 2日 9：00期間 48 h的大功率離心風(fēng)機壓入式降溫通風(fēng)，1月2日 9：00時糧堆 1、2、3、4 層的平均溫度分別是 16.0、15.3、14.4、15.3℃。 到1月12日，它們分別是17.6、17.3、15.8、15.6℃。1月13日和1月15日兩次上行吸出式降溫通風(fēng)后，它們分別由1月13日的17.6、17.3、15.8、15.6℃變化到 1月 19日的 15.1、16.3、17.3、17.2℃。1月20日和1月22日兩次上行吸出式降溫通風(fēng)后，它們分別由 1月 20日的 14.9、16.2、17.3、17.2 ℃變化到 2月 15日的 14.5、16.0、16.5、17.0 ℃。2月 17日和2月21日兩次上行吸出式降溫通風(fēng)后，它們分別由 2月 17日的 14.5、16.0、16.5、17.0℃變化到 2月 23 日的 15.0、16.1、16.3、16.9 ℃。

圖5 降溫通風(fēng)期間糧堆各層平均溫度的變化

糧堆各層最高溫與最低溫之差（極差）如圖6所示，糧堆一層、二層、三層、四層的平均極差溫度分別是3.5℃、4.1℃、4.6℃、5.3℃。

圖6 降溫通風(fēng)期間糧堆極差溫度變化

從圖7看出，從2019年12月31日到2020年1月2日，經(jīng)過48 h的3臺7.5 kW大功率離心風(fēng)機降溫通風(fēng)，糧堆最高均溫和平均溫度分別由25℃、18℃降低到20℃和16℃，之后采用4臺0.55 kW軸流風(fēng)機累計降溫通風(fēng)96 h，糧堆最高均溫和平均溫度呈現(xiàn)持續(xù)下降趨勢。糧堆最低均溫和極差均溫分別由16℃、9℃降低到12℃、6℃，之后呈現(xiàn)類似正弦曲線變化。在福州長樂地區(qū)，在12月30日到2月23日期間，P24號倉降溫通風(fēng)期間糧堆最高溫度、最低溫度、平均溫度、極差溫度的均值分別是20.2℃、13.7℃、16.3℃及6.5℃。

圖7 降溫通風(fēng)期間糧堆四種溫度變化

2.3 糧堆籽粒間隙空氣RH的變化

續(xù)表1

從圖8看出，上行式降溫通風(fēng)期間，稻谷糧堆各層最高糧溫對應(yīng)的RH降低次序是一層、二層、三層、四層（圖8A）；最低糧溫對應(yīng)的RH降低次序是一層、四層、三層、二層（圖8B）；平均糧溫對應(yīng)的RH降低次序是一層、二層、三層、四層（圖8C）。全倉最高均溫對應(yīng)的RH由63%降低到61%，之后幾乎保持恒定；全倉均溫對應(yīng)的RH由60.3%降低到59.5%，之后幾乎保持不變；全倉最低均溫對應(yīng)的RH由59.4%降低到58.5%，之后呈現(xiàn)正弦曲線變化（圖 8D）。

圖8 降溫通風(fēng)期間糧堆籽粒間隙空氣RH的變化

2.4 糧堆含濕量的變化

從圖9看出，在上行式降溫通風(fēng)期間，稻谷糧堆各層最高糧溫對應(yīng)的含濕量降低次序是一層、三層、二層、四層（圖9A）；最低糧溫對應(yīng)的含濕量降低次序是一層、四層、三層、二層（圖9B）；平均糧溫對應(yīng)的含濕量降低次序是一層、二層、三層、四層 （圖9C）。全倉最高均溫對應(yīng)的含濕量由0.0125 kg/kg降低到0.0090 kg/kg，之后幾乎保持恒定，全倉均溫對應(yīng)的含濕量由0.0078 kg/kg降低到0.0070 kg/kg，之后幾乎保持不變；全倉最低均溫對應(yīng)的含濕量由0.0065 kg/kg降低到0.0055 kg/kg，呈現(xiàn)波動 （圖9D）。

圖9 降溫通風(fēng)期間糧堆含濕量的變化

2.5 糧堆露點溫度的變化

從圖10看出，在上行式降溫通風(fēng)期間，稻谷糧堆各層最高糧溫對應(yīng)的露點溫度降低次序是一層、三層、二層、四層（圖10A）；最低糧溫對應(yīng)的露點溫度降低次序是一層、四層、三層、二層（圖10B）；平均糧溫對應(yīng)的露點溫度降低次序是一層、二層、三層、四層 （圖10C）。全倉最高均溫對應(yīng)的露點溫度由17℃降低到12.2℃，之后幾乎保持恒定；全倉均溫對應(yīng)的露點溫度由10.0℃降低到8.5℃，之后保持緩慢降低趨勢；全倉最低均溫對應(yīng)的露點溫度由8.0℃降低到5.0℃，之后呈現(xiàn)波動（圖10D）。

圖10 降溫通風(fēng)期間籽粒間隙空氣露點溫度的變化

2.6 稻谷糧堆降溫通風(fēng)效果評價

如表1所示，P24號稻谷高大平房倉本次降溫通風(fēng)，分為兩個階段。在12月31日至1月2日第一階段期間，3臺7.5 kW離心風(fēng)機降低糧堆平均溫度2.5 ℃，耗時 48 h，單位能耗是 0.1014 kW·h/(t·℃)，理論通風(fēng)時數(shù)計算時的焓值差校正因子是1.02。在1月13日至2月21日第二階段期間，4臺0.55 kW軸流風(fēng)機降低糧堆平均溫度0.7℃，耗時96 h，單位能耗是0.0708 kW·h/(t·℃)，理論通風(fēng)時數(shù)計算時的焓值差校正因子是0.75。整個稻谷高大平房倉糧堆降溫通風(fēng)總時數(shù)144.0 h，計算理論降溫通風(fēng)總時數(shù)時，焓值差校正因子取為0.75～1.0。

表1 福建省儲糧長樂庫晚秈稻高大平房倉降溫通風(fēng)效果評價

3 討論

在亞熱帶地區(qū)，糧堆降溫通風(fēng)風(fēng)機運行的條件是，糧堆與大氣的溫度差≥3℃；糧堆平衡絕對濕度大于大氣平衡絕對濕度[8]。由于降溫通風(fēng)過程總是伴隨著糧堆降水，引起糧食水分丟失[13]。糧庫通常采用分階段通風(fēng)，并且盡可能采用小功率離心風(fēng)機或軸流風(fēng)機通風(fēng)。本研究假定糧堆水分不丟失，采用晚秈稻水分吸附MCPE方程計算了糧堆各層糧粒間隙的空氣RH，進而分析了含濕量和露點溫度。國內(nèi)缺乏這方面的研究。在上行式稻谷平房倉降溫通風(fēng)期間，稻谷糧堆各層最高糧溫對應(yīng)的RH、含濕量及露點溫度降低次序是一層、三層、二層、四層；最低糧溫對應(yīng)的這些變量降低次序是一層、四層、三層、二層；平均糧溫對應(yīng)的這些變量降低次序是一層、二層、三層、四層。

大氣含濕量與露點溫度在整個降溫通風(fēng)期間的變化趨勢是相似的，平均含濕量是0.0068 kg/kg，平均露點溫度是8℃。全倉糧堆均溫對應(yīng)的含濕量由0.0078 kg/kg降低到0.0070 kg/kg，之后幾乎保持不變；全倉糧堆均溫對應(yīng)的露點溫度由10.0℃降低到8.5℃，之后保持緩慢降低趨勢。比較糧堆與大氣的含濕量和露點溫度，說明本研究中兩個階段降溫通風(fēng)條件是合乎規(guī)律的。

國內(nèi)缺乏對糧堆降溫通風(fēng)時數(shù)預(yù)測，秋冬季糧堆降溫通風(fēng)憑經(jīng)驗進行作業(yè)，導(dǎo)致糧堆丟失水分，或者耗電量增多。本研究嘗試理論的降溫通風(fēng)時數(shù)預(yù)測，在算法中考慮了糧食噸數(shù)、比熱、溫度差及校正因子、單位通風(fēng)量、糧粒間空氣比重變化、焓值差及校正因子。分析降溫通風(fēng)時數(shù)時，國外對小麥平房倉采用的焓值差校正因子是0.5，而本研究認為稻谷高大平房倉焓值差校正因子取0.75～1.0較為合適。

4 結(jié)論

（1）在我國東南地區(qū)稻谷高大平房倉降溫機械通風(fēng)中，糧堆水分不丟失情況下，糧堆各層最高溫、最低溫、平均溫度對應(yīng)的糧粒間隙空氣的RH、含濕量、露點溫度遵循一定的規(guī)律的。通過計算機軟件實時分析這些參數(shù)，可以提高降溫通風(fēng)的效果，即節(jié)約耗電和降低糧堆水分丟失量。

（2）分析稻谷高大平房倉理論降溫通風(fēng)時數(shù)時，焓值差校正因子范圍取0.75～1.0，此計算參數(shù)供同行參考。不同年份、不同產(chǎn)地及不同稻谷種類存在差異，還需要進行深入研究分析。