王水寒，李瑞敏，張洪清，金 毅，姚 渠，尹 君?

（1.國(guó)家糧食和物資儲(chǔ)備局科學(xué)研究院，北京 100037；2.吉林大學(xué)，吉林 長(zhǎng)春 130022）

中國(guó)是糧食生產(chǎn)和消費(fèi)大國(guó)，為保證“中國(guó)人的飯碗牢牢端在自己手中”，除了提高產(chǎn)量，還應(yīng)大力減少產(chǎn)后損失和浪費(fèi)。儲(chǔ)藏是糧食產(chǎn)后的重要環(huán)節(jié)，有研究顯示[1]，目前全國(guó)農(nóng)戶(hù)糧食儲(chǔ)藏?fù)p失率平均為8%，每年損失糧食約2 000萬(wàn)t。在儲(chǔ)藏期間，因糧堆結(jié)露進(jìn)而引發(fā)的發(fā)熱、霉變、腐爛等隱患，均會(huì)嚴(yán)重影響糧食品質(zhì)和糧食倉(cāng)儲(chǔ)安全[2]。因此，探究糧食的吸附至飽和過(guò)程的形成機(jī)制和與結(jié)露現(xiàn)象的關(guān)系，將對(duì)糧食的保質(zhì)減損起到關(guān)鍵作用。

糧堆結(jié)露是指糧堆內(nèi)或外較高溫度空氣中所含的氣態(tài)水凝結(jié)成液態(tài)水后，附著于糧堆表層或內(nèi)部的現(xiàn)象[3]。長(zhǎng)期儲(chǔ)藏過(guò)程中，糧食不斷進(jìn)行吸附與解吸作用，與儲(chǔ)藏環(huán)境保持著動(dòng)態(tài)平衡[4]。2014年，吳子丹[5]等提出了糧堆多場(chǎng)耦合理論及糧情云圖分析的構(gòu)想，并進(jìn)行初步探索。2016年，張藝良[6]采用數(shù)值模擬的方法獲取華北地區(qū)袋裝大米在進(jìn)出倉(cāng)過(guò)程中的溫度場(chǎng)、濕度場(chǎng)、微氣流速度場(chǎng)，模擬結(jié)露位置分布的實(shí)時(shí)變化情況，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同大氣環(huán)境條件下進(jìn)出倉(cāng)過(guò)程中成品糧結(jié)露部位和時(shí)間的預(yù)測(cè)。2018年，陳龍[7]結(jié)合糧堆多元場(chǎng)耦合分析理論，找出了糧堆微生物爆發(fā)點(diǎn)與糧堆產(chǎn)生結(jié)露的位置，得出了糧堆發(fā)熱過(guò)程的生命周期，為將糧情云圖分析技術(shù)應(yīng)用于糧情預(yù)測(cè)分析提供經(jīng)驗(yàn)參考。

本文根據(jù)稻谷糧堆不同季節(jié)不同位點(diǎn)的溫度和相對(duì)濕度繪制糧堆溫度場(chǎng)、濕度場(chǎng)云圖，追溯分析了糧堆各點(diǎn)的變化情況，分析了潛在結(jié)露危險(xiǎn)點(diǎn)的產(chǎn)生過(guò)程以及所處狀態(tài)，據(jù)此總結(jié)變化規(guī)律，推測(cè)其未來(lái)發(fā)生結(jié)露的風(fēng)險(xiǎn)，以減小儲(chǔ)糧損耗和實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)糧安全。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

透明儲(chǔ)藏倉(cāng)及規(guī)格為長(zhǎng)0.48 m，寬0.33 m，高0.22 m，以自然降落方式裝載稻谷并儲(chǔ)藏于自然環(huán)境，溫度隨外界溫度變化，稻谷高度為0.2 m。稻谷糧堆初始狀態(tài)見(jiàn)表1。

表1 糧堆初始狀態(tài)表Table 1 The initial state of paddy pile

1.2 試驗(yàn)方法

采用多參數(shù)糧情數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)檢測(cè)糧堆內(nèi)溫度和相對(duì)濕度的變化，此系統(tǒng)包括多參數(shù)集成傳感器探頭、主機(jī)和分機(jī)。溫濕度傳感器參數(shù)為：溫度測(cè)量范圍–40 ℃～125 ℃，精度±0.3 ℃，濕度測(cè)量范圍0%RH～100%RH，精度±3%RH。

全倉(cāng)布置溫濕度一體傳感器25個(gè)，在糧面以上放置1個(gè)傳感器，其監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)作為倉(cāng)間空氣的溫濕度，其余24個(gè)傳感器監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為以下位點(diǎn)糧食溫濕度。在垂面方向（主視圖）布置如圖1所示，垂直方向，頂層和底層的點(diǎn)均距邊壁是3 cm，其余點(diǎn)間距8 cm；水平方向，左右兩側(cè)點(diǎn)距邊壁8 cm，其余點(diǎn)間距20 cm。在水平面方向（俯視圖）如圖2所示，垂直方向，頂層和底層的點(diǎn)均距邊壁是3 cm，其余點(diǎn)間距是15 cm；水平方向四角點(diǎn)距壁面是8 cm，其余的頂層點(diǎn)之間和底層點(diǎn)之間的間距均是 20 cm，中層兩點(diǎn)間距是18.6 cm且距兩壁18.7 cm。

圖1 垂面（XOZ）傳感器布置Fig.1 The sensors in vertical surface (XOZ) layout

圖2 水平面（XOY）傳感器布置Fig.2 The sensors in horizontal surface (XOY) layout

檢測(cè)稻谷堆不同位點(diǎn)的溫度和相對(duì)濕度數(shù)據(jù)，取X=8 cm處所有數(shù)據(jù)平均值糧堆左側(cè)數(shù)據(jù)、X=48 cm處所有數(shù)據(jù)平均值為糧堆右側(cè)數(shù)據(jù)、Z=3 cm處所有數(shù)據(jù)平均值為糧堆下層數(shù)據(jù)、Z=11 cm處所有數(shù)據(jù)平均值為糧堆中層數(shù)據(jù)、Z=19 cm處所有數(shù)據(jù)平均值為糧堆上層數(shù)據(jù)，使用 origin繪制各位置溫、濕度變化曲線(xiàn)，使用MATLAB處理溫、濕度數(shù)據(jù)，利用四點(diǎn)樣條插值法繪制糧堆的溫度場(chǎng)和濕度場(chǎng)云圖。

1.3 數(shù)值方法

首先以傳感器在平面的位置作為橫縱坐標(biāo)，使用meshgrid函數(shù)生成網(wǎng)格數(shù)據(jù)，使用MATLAB 4 griddata方法——格點(diǎn)樣條函數(shù)的差值算法對(duì)糧溫或糧食相對(duì)平衡濕度進(jìn)行插值，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑處理，最后以糧溫或糧食相對(duì)平衡濕度為高度值繪制填充的二維等高線(xiàn)圖。

相關(guān)公式及相關(guān)參數(shù)[8]：

式中ERHr—糧食平衡相對(duì)濕度（%），M—糧食含水率（%），tr—糧食溫度（℃），A1、A2、B1、B2、D—CAE方程參數(shù)；

式中DPTa—大氣露點(diǎn)溫度（℃），ta—大氣溫度（℃），RHa—大氣相對(duì)濕度（%）；

式中 DPTr—糧堆露點(diǎn)溫度（℃），ERHr—糧食平衡相對(duì)濕度（%），tr—糧堆溫度（℃）。

2 結(jié)果與分析

2.1 糧堆溫度變化規(guī)律

糧堆結(jié)露多發(fā)于季節(jié)交替期間。如春末夏初，外界溫度升高，外界熱空氣與溫度較低的糧堆表層接觸冷凝易形成結(jié)露；秋冬季節(jié)，糧堆溫度較高，糧堆內(nèi)部熱空氣上升遇冷易形成結(jié)露。由圖 3可知，當(dāng)季節(jié)由冬季變化至夏季，模擬倉(cāng)倉(cāng)溫與平均糧溫呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢(shì)。10月中旬至1月上旬倉(cāng)溫與平均糧溫總體呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，在1月上旬倉(cāng)溫達(dá)到最低值9.1 ℃，此時(shí)右側(cè)糧溫和上層糧溫達(dá)到最低分別為 9.4 ℃、9.6 ℃。1月中下旬至 3月下旬逐漸上升至 15 ℃以上，4月份在 17 ℃上下呈波動(dòng)趨勢(shì)，5月初迅速升高至20 ℃以上，在5月中旬至6月末持續(xù)平穩(wěn)上升至 28 ℃左右。由于傳感器布線(xiàn)集中在模擬倉(cāng)左側(cè)且上方有開(kāi)口，因此左側(cè)糧堆與右側(cè)糧堆溫濕度并未呈現(xiàn)完全對(duì)稱(chēng)，有一定的差異，在 11月中旬至3月中旬氣溫較低時(shí)，左側(cè)糧溫平均約比右側(cè)高0.4 ℃，其余時(shí)間平均約高0.1 ℃。由圖中的數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，因糧食是熱的不良導(dǎo)體，糧溫的變化相比倉(cāng)溫較為平緩，且具有滯后性[9]，由此導(dǎo)致在降溫和升溫過(guò)程中糧溫與倉(cāng)溫之間存在著一定的溫差，進(jìn)而為糧堆結(jié)露的形成提供了可能。

圖3 模擬倉(cāng)內(nèi)氣溫與平均糧溫變化曲線(xiàn)Fig.3 Variation curve of simulated warehouse temperature and average grain temperature

從圖 3、圖 4可看出，在外界降溫時(shí)，上層糧溫與左右兩側(cè)受倉(cāng)溫影響較大，等溫線(xiàn)分布稀疏、溫差小，中層、下層糧溫受影響相對(duì)較小，因此在距底部 6 cm左右處仍保持相對(duì)較高的溫度。推測(cè)原因是左右兩側(cè)糧食直接接觸倉(cāng)壁，倉(cāng)壁外冷空氣自由流動(dòng)傳遞熱量，上層糧接觸冷空氣傳遞熱量，中層向外側(cè)糧溫較低處傳遞熱量，下層糧面通過(guò)下層較厚倉(cāng)壁緩慢向地面?zhèn)鬟f熱量，傳遞速度左右兩側(cè)>上層>中層>下層，因此在中層偏下部位形成溫度較高的區(qū)域。

圖4 10月糧堆Y=3 cm垂面（XOZ）溫度場(chǎng)云圖Fig.4 Cloud map of temperature field for Y=3 cm vertical surface (XOZ) in grain pile in October

從圖 3、圖 5可看出，在外界升溫時(shí)，距底部15 cm處溫度較高，在夏季高溫季節(jié)，受外界高溫輻射和傳導(dǎo)，上層糧面吸收到空氣傳遞熱量使溫度升高；下層糧面通過(guò)倉(cāng)壁緩慢向地面?zhèn)鬟f熱量；上層熱量向中層傳遞熱量時(shí)，在中、上層之間部位形成溫度較高的“熱芯”。

圖5 4月糧堆Y=3 cm垂面（XOZ）溫度場(chǎng)云圖Fig.5 Cloud map of temperature field for Y=3 cm vertical surface (XOZ) in grain pile in April

尉堯方等[10-11]研究顯示糧倉(cāng)內(nèi)的溫差可以引起糧堆內(nèi)部的微氣流運(yùn)動(dòng)，據(jù)此推測(cè)“熱芯”的右側(cè)X=41 cm左右處熱氣流從下層向上層流動(dòng)，糧倉(cāng)右側(cè)壁面冷氣流由上層向下層流動(dòng)，上層熱氣流由軸心處沿徑向向壁面處擴(kuò)散，下層冷氣流則是由糧倉(cāng)壁面處沿徑向向軸心處聚集，總體形成由軸中心分開(kāi)的兩個(gè)環(huán)流狀的微氣流（倉(cāng)左側(cè)為逆時(shí)針狀，倉(cāng)右側(cè)為順時(shí)針狀）。

2.2 糧堆濕度變化規(guī)律

由圖6可知，模擬倉(cāng)內(nèi)的空氣相對(duì)濕度在10月中旬至 3月中旬處于下降狀態(tài)，之后穩(wěn)定于79%左右，6月中旬對(duì)環(huán)境濕度進(jìn)行了人工調(diào)控故其有所回升。糧堆上層相對(duì)濕度與倉(cāng)內(nèi)空氣相對(duì)濕度變化一致，呈先下降后上升的趨勢(shì)，糧堆其他部位相對(duì)濕度呈現(xiàn)先平穩(wěn)后緩慢上升的趨勢(shì)。

圖6 模擬倉(cāng)內(nèi)相對(duì)濕度與糧食平均相對(duì)濕度變化曲線(xiàn)Fig.6 The curve of relative humidity in the simulated warehouse and the average relative humidity of grain bulk

結(jié)合圖 7、圖 8可看出，受重力影響糧堆內(nèi)的水分不斷向下層轉(zhuǎn)移，下層的糧堆相對(duì)濕度緩慢由83.5%左右上升至87.9%。在距底部約3 cm處有一高濕區(qū)，相對(duì)濕度達(dá)到93%以上，處于糧堆高溫區(qū)下方偏右的位置。結(jié)合圖5和亓偉等[12-13]研究分析，在微氣流的影響下，水分受糧倉(cāng)右側(cè)壁面順時(shí)針狀冷氣流的驅(qū)動(dòng)，向下層持續(xù)匯集，糧堆的高溫區(qū)域因秋冬季節(jié)環(huán)境氣溫的降低導(dǎo)致糧堆溫差減小，使得微氣流源動(dòng)力變小則糧堆中的水分遷移較慢；而春夏季節(jié)氣溫逐漸升高，糧堆溫差增大，微氣流的速率變大促使糧堆中水分遷移速率加快，則在距底部較近部位形成高濕區(qū)。

圖7 糧堆Y=33cm垂面（XOZ）相對(duì)濕度場(chǎng)云圖Fig.7 Cloud map of relative humidity field forY=33cm vertical surface (XOZ) in grain pile

圖8 糧堆Y=3 cm垂面（XOZ）相對(duì)濕度場(chǎng)云圖Fig.8 Cloud map of relative humidity field for Y=3 cm vertical surface (XOZ) in grain pile

2.3 糧堆狀態(tài)的判斷

由于糧堆內(nèi)的孔隙，空氣與糧食顆粒充分接觸，假設(shè)溫度為T(mén)，水分為M的糧粒與其周?chē)諝馓幱谄胶鉅顟B(tài)即糧食吸收水蒸氣的量與散發(fā)出的水分的量相等，此時(shí)空氣的相對(duì)濕度應(yīng)為糧食平衡相對(duì)濕度 ERHr。根據(jù)公式（1）計(jì)算糧食平衡相對(duì)濕度，將檢測(cè)的空氣相對(duì)濕度 RH與稻谷吸附平衡相對(duì)濕度 ERHr1和解吸平衡相對(duì)濕度ERHr2進(jìn)行比較：

當(dāng)RH>ERHr1時(shí)，糧食處于吸附狀態(tài)；

當(dāng)RH

當(dāng) ERHr2≤RH≤ERHr1時(shí)，糧食處于吸附和解吸狀態(tài)之間，即中間態(tài)。

如圖9a、圖9b點(diǎn)a位（42,19）于糧堆上層較高溫度區(qū)域，點(diǎn)b（42,3）位于糧堆下層較高溫度區(qū)域，如表2所示，兩點(diǎn)溫度相近，a點(diǎn)（42,19）位于上層，相對(duì)濕度低，a點(diǎn)糧食之前一直處于吸附狀態(tài)，6月初變?yōu)橹虚g態(tài)，a點(diǎn)相對(duì)濕度不斷降低，主要是由于糧食吸收空氣中水分的量小于其水分向周?chē)鷶U(kuò)出的量。b點(diǎn)位于下層，相對(duì)濕度高，b點(diǎn)糧食處于吸附狀態(tài)，持續(xù)從空氣中吸收水分，但速度小于糧堆內(nèi)部水分遷移速度，因此b點(diǎn)相對(duì)濕度持續(xù)上升。

圖9 糧堆Y=3 cm垂面（XOZ）溫濕度場(chǎng)云圖Fig.9 Cloud map of temperature field and relative humidity field in vertical surface (XOZ) of grain pile Y=3

表2 a點(diǎn)、b點(diǎn)糧食狀態(tài)Table 2 Grain status at point a and b

將a點(diǎn)、b點(diǎn)數(shù)據(jù)帶入公式（2）、（3）計(jì)算各糧堆露點(diǎn)DPTr與大氣露點(diǎn)DPTa并作圖。

糧溫>氣溫時(shí)，如圖10中A區(qū)域，主要處于秋冬季節(jié)降溫時(shí)，糧堆溫度較高，糧堆內(nèi)部熱空氣上升遇冷易形成結(jié)露。此時(shí)比較糧食內(nèi)部空氣溫濕狀態(tài)下的露點(diǎn)溫度與環(huán)境空氣溫度。如果氣溫>糧堆露點(diǎn) DPT時(shí)，不結(jié)露；如果氣溫< DPT時(shí)，可能出現(xiàn)結(jié)露。

糧溫<氣溫時(shí)，如圖10中B區(qū)域，主要處于春夏季節(jié)，溫度升高，外界熱空氣與溫度較低的糧堆表層接觸冷凝形成結(jié)露。此時(shí)比較環(huán)境空氣溫濕狀態(tài)下的露點(diǎn)溫度與糧溫。如果糧溫>空氣露點(diǎn) DPTa時(shí)，不結(jié)露；如果糧溫< DPTa時(shí)，可能出現(xiàn)結(jié)露。

圖10 a點(diǎn)、b點(diǎn)與大氣溫度、相對(duì)濕度與露點(diǎn)Fig.10 Point a,b and atmospheric temperature,relative humidity and dew point

在降溫和升溫過(guò)程中，a點(diǎn)溫度與露點(diǎn)的差值一直穩(wěn)定在3.0 ℃以上，不易結(jié)露，直至6月中旬人工調(diào)控后差值開(kāi)始小幅度縮??；在降溫過(guò)程中b點(diǎn)溫度與露點(diǎn)的差值持續(xù)緩慢減小，由10月的 2 ℃左右減小至 5月開(kāi)始升溫前的 1.5 ℃左右，之后經(jīng)歷快速升溫和人工調(diào)控濕度后差值快速縮小，6月底時(shí)已達(dá) 1.2 ℃左右，越來(lái)越接近結(jié)露的臨界點(diǎn)。

3 結(jié)論

利用溫濕度一體傳感器，監(jiān)測(cè)稻谷糧堆從冬季到夏季不同位點(diǎn)的溫度和相對(duì)濕度，運(yùn)用MATLAB模擬軟件繪制糧堆溫濕度場(chǎng)云圖，研究了不同季節(jié)、不同位點(diǎn)的稻谷糧堆溫、濕度場(chǎng)變化規(guī)律，基于CAE模型計(jì)算露點(diǎn)，判斷糧堆各位點(diǎn)結(jié)露情況。可得出以下結(jié)論：

（1）本試驗(yàn)在秋末稻谷入倉(cāng)開(kāi)始，稻谷堆中心的糧溫隨著環(huán)境氣溫降低而緩慢降低，待春末夏初環(huán)境氣溫回升時(shí)也逐漸進(jìn)行回溫，因糧食的導(dǎo)熱系數(shù)小，對(duì)外界環(huán)境因素變化的靈敏度較低，故糧堆中心形成了溫度較高的“熱芯”；

（2）糧食儲(chǔ)藏期間，溫度和濕度的變化主要是受熱傳導(dǎo)和對(duì)流作用影響，本試驗(yàn)中夏季的稻谷因溫度梯度差和水氣分壓梯度差共同作用引起了微氣流作用，并形成了環(huán)流，加速了糧食與微氣流之間的傳熱傳質(zhì)，使得在稻谷高溫區(qū)下方出現(xiàn)了水分積聚，形成了一個(gè)高濕區(qū)域；

（3）當(dāng)外界環(huán)境的溫濕度發(fā)生變化時(shí)，糧食狀態(tài)也隨之改變。糧食處于吸附狀態(tài)時(shí)，若降低外界環(huán)境的空氣相對(duì)濕度，則糧堆吸附的水氣量逐漸小于解吸釋放的水氣量，解吸狀態(tài)取代吸附狀態(tài)居于主要；若外界環(huán)境空氣相對(duì)濕度保持較高的狀態(tài)，則糧堆吸附的水氣量大于甚至遠(yuǎn)大于解吸釋放的水氣量，吸附狀態(tài)居于主要，長(zhǎng)期處于吸附狀態(tài)下，在達(dá)到飽和態(tài)后，若溫度低于露點(diǎn)則發(fā)生結(jié)露的風(fēng)險(xiǎn)很大，從而威脅儲(chǔ)糧安全。

備注：本文的彩色圖表可從本刊官網(wǎng)（http://lyspkj.ijournal.cn）、中國(guó)知網(wǎng)、萬(wàn)方、維普、超星等數(shù)據(jù)庫(kù)下載獲取。