戴亞俊
無錫中糧工程科技有限公司 (無錫 214035)
糧食儲備平房倉應(yīng)能滿足防潮、防水、氣密、隔熱、通風(fēng)等基本要求。江蘇的大多數(shù)地區(qū)氣候條件為儲糧生態(tài)第五區(qū),即中溫高濕區(qū)。谷物低溫儲藏有利于糧食品質(zhì)保持和減少化學(xué)熏蒸的使用。一項經(jīng)濟和綠色環(huán)保的重要儲糧措施是在冬季利用低溫將儲糧降溫,在春季氣溫回升前對倉房密封。平房倉的屋蓋由于面積大、太陽平均輻射強度高等原因,其向倉內(nèi)傳熱量約占總熱量的70%,倉房為確保儲糧在低溫狀態(tài)下儲藏,平房倉屋蓋的隔熱保溫和氣密非常重要。在二十多年來的國家糧食儲備庫建設(shè)中,逐步形成了拱板屋蓋糧食平房倉和雙層通風(fēng)屋脊糧食平房倉二種具有自然通風(fēng)屋蓋的設(shè)計倉型,可實現(xiàn)零能耗通風(fēng)和良好的累積通風(fēng)隔熱效果,受到糧食倉儲行業(yè)的好評。本文將二種可自然通風(fēng)屋蓋工作原理、構(gòu)造和設(shè)計方法做詳細(xì)介紹。
糧食是有機生命體,對糧堆的通風(fēng)有嚴(yán)格的條件和要求,以避免糧堆升溫、吸濕等不利于長期儲糧現(xiàn)象產(chǎn)生。二種糧食平房倉自然通風(fēng)屋蓋都設(shè)計有空腔,室外空氣流入空腔帶出熱濁空氣,空氣本身不與倉內(nèi)的儲糧接觸,可實現(xiàn)無選擇的空氣流動同時,不會產(chǎn)生有害通風(fēng)的效果。如果空腔內(nèi)的空氣不流動,空腔的的作用僅相當(dāng)于增加了約0.15 m2·K/W熱阻值,隔熱作用非常有限,在夏季空腔內(nèi)的溫度有時會接近50 ℃。
糧食平房倉自然通風(fēng)屋蓋通風(fēng)是為了及時排除由于太陽輻射的空氣溫度升高,降低了空腔溫度,減少向倉內(nèi)的傳熱量,降低糧面谷物溫度,對設(shè)有低溫裝置的糧倉,能大幅降低制冷冷負(fù)荷。
糧食平房倉設(shè)計中都把倉頂?shù)母魺嶙鳛楸WC糧食安全儲藏的重要措施。倉頂向倉內(nèi)的傳熱量Q為:
Q=K×F(tz-tn)
(1)
式中:K為屋蓋底部維護結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù), W/m2·℃;F為屋蓋底部維護結(jié)構(gòu)的傳熱面積,m2;tz為屋蓋內(nèi)空氣溫度,℃;tn為倉內(nèi)上部空氣溫度,℃。
加強屋蓋底部維護結(jié)構(gòu)的保溫和降低屋蓋空腔內(nèi)的空氣溫度,可減少屋蓋向倉內(nèi)的傳熱量。對平均糧溫低于15 ℃的糧食低溫倉,在儲糧生態(tài)第五區(qū)一般需設(shè)置專用的低溫空調(diào)設(shè)備,減少屋蓋向倉內(nèi)的傳熱量對降低低溫空調(diào)設(shè)備投資和減少運行費用,確保低溫儲糧的實現(xiàn)是關(guān)鍵技術(shù)措施之一。
按《糧油儲藏技術(shù)規(guī)范》(GB/T 29890—2013),常溫倉屋蓋要求適當(dāng)保溫,對低溫倉屋蓋傳熱系數(shù)要求K≤0.35 W/m2·℃。對自然通風(fēng)屋蓋除頂部結(jié)構(gòu)需要適當(dāng)保溫外,最重要的保溫是對屋蓋底部維護結(jié)構(gòu)的保溫。考慮保溫效果、氣密性、避免冷橋和屋蓋內(nèi)上人檢修需要等因素,一般采用B1級聚氨酯發(fā)泡保溫材料(導(dǎo)熱系數(shù)λ=0.024 W/m·℃);常溫倉保溫厚度一般為30 mm,低溫倉保溫厚度為75 mm(計算時考慮了1.1修正系數(shù))。
自然通風(fēng)屋蓋驅(qū)使空氣流動的動力由二個,即倉外與屋蓋內(nèi)空氣的容重差產(chǎn)生的熱壓Pr和倉外空氣流動產(chǎn)生的動壓Pf,二者的計算如下。
(1)熱壓Pr可用公式(2)計算:
Pr=gh(ρw-ρn) (Pa)
(2)
式中:h為屋蓋進排風(fēng)高度差,m;ρw為室外空氣密度,kg/m3;ρn為屋蓋內(nèi)空氣密度,kg/m3。
倉外與屋蓋內(nèi)空氣溫差越大、室內(nèi)外空氣的密度差就越大;進、排風(fēng)高度差越大,熱壓就越大,通風(fēng)量就提高,通風(fēng)降溫的效果就越好。同時由于通風(fēng)量的提高屋蓋內(nèi)空氣溫度降低,熱壓減小,是互相矛盾的。在夜晚,由于沒有了太陽輻射作用,熱壓的作用很小。由太陽輻射造成的熱壓作用是變化和不穩(wěn)定的,這與部分工廠有熱源加熱空氣的自然通風(fēng)有很大不同。
(2)風(fēng)壓Pf是指室外大氣流動對屋蓋產(chǎn)生的負(fù)壓動力,可用公式(3)計算:
(3)
式中:D為空氣動力系數(shù),為實驗數(shù)據(jù);vw為室外空氣平均流速,m/s;ρw為室外空氣密度,kg/m3。
在江蘇夏季室外平均計算約風(fēng)速為3 m/s,可產(chǎn)生較大的通風(fēng)動力。在夜晚倉外氣溫較低,進入屋蓋后降低屋蓋維護結(jié)構(gòu)的溫度,能蓄存部分冷量,可在白天氣溫高時屋蓋釋放冷量,減少屋蓋內(nèi)空氣溫度的波動幅度。在江蘇風(fēng)壓Pf的自然通風(fēng)作用大于熱壓,其累計通風(fēng)隔熱效果非常顯著,是自然通風(fēng)主要驅(qū)動力。
(3)自然通風(fēng)屋蓋的設(shè)計風(fēng)量
按《糧食平房倉設(shè)計規(guī)范》(GB 50320—2014),通風(fēng)屋蓋參照設(shè)計換氣次數(shù)為>4次/h,為達(dá)到設(shè)計的換氣次數(shù),考慮到不利的氣象條件,除自然通風(fēng)外,拱板屋蓋通風(fēng)還設(shè)計有機械通風(fēng)裝置。機械通風(fēng)裝置一般采用屋頂通風(fēng)機,平時關(guān)閉,在屋蓋內(nèi)空氣溫度高于設(shè)定值(如>35 ℃)時,風(fēng)機自動開啟,低于設(shè)定值(如<32 ℃)風(fēng)機自動關(guān)閉。
鋼筋混凝土拱板屋蓋糧食平房倉是南方炎熱地區(qū)主要平房倉型之一,其屋蓋構(gòu)造特點是在拱板上弦板和下弦板之間形成了一道空氣流動空間。為減小空氣流動阻力,在兩側(cè)山墻安裝大面積通風(fēng)百葉,并在屋面設(shè)置喉口直徑D500旋流型屋頂通風(fēng)器和屋頂風(fēng)機,能進行自然或者強制通風(fēng),從而可以很快排除空氣隔熱層中的熱空氣,有效減少屋面高強度太陽輻射對糧面的輻射影響,具有較好的保溫隔熱效果。同時為了減少拱板空腔內(nèi)通過下弦板對糧面?zhèn)鳠崃?,在拱板下弦板頂設(shè)置B1級發(fā)泡聚氨酯保溫層,該構(gòu)造措施不僅提高了保溫隔熱效果也有效提高整個倉房頂部的氣密性。由于施工技術(shù)和成本原因,拱板下弦板早期為預(yù)制構(gòu)件拼裝,后期現(xiàn)澆方式增多,解決了早期拱板平房倉氣密性不強問題。
旋流型屋頂通風(fēng)器具有節(jié)能、運轉(zhuǎn)噪音低、防風(fēng)雨、高效優(yōu)質(zhì)部件確保通風(fēng)器長時間運轉(zhuǎn)流暢、基本免維護的特點,且價格低廉,具有很高的性價比。僅需室外風(fēng)速0.2 m/s的微風(fēng),或室內(nèi)外溫差0.5 ℃以上即能不間斷旋轉(zhuǎn),是各行業(yè)廣泛使用的自然通風(fēng)器。
以跨度21 m長度30 m糧食拱板倉為例,屋蓋空腔體積約850 m3,按換氣次數(shù)n=6次/h計算排風(fēng)量為5 100 m3/h。進風(fēng)與排風(fēng)高度為h=1.97 m,按進排風(fēng)溫差為5 ℃計算,熱壓為0.33 Pa。按室外平均風(fēng)速為3 m/s,空氣動力系數(shù)D取0.6,產(chǎn)生的風(fēng)壓為3.24 Pa。熱壓與風(fēng)壓相比僅占10.2%。查國家建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計圖集《屋頂自然通風(fēng)器選用與安裝》(06K105),型號為QM-500型通風(fēng)器折算后通風(fēng)量為1 250 m3/h,對21 m×30 m拱板倉需安裝4臺可達(dá)到設(shè)計要求。
安裝有旋流型屋頂通風(fēng)器的拱板平房倉,比不安裝的同倉型,在夏季空腔內(nèi)溫度降低5 ℃~8 ℃,通風(fēng)隔熱效果良好。其主要缺點是在倉房長度較長時,由于空氣流動距離長,倉房中間部分空腔內(nèi)空氣溫度相對較高。
(1)由于在熱壓和風(fēng)壓同時作用下自然通風(fēng)動力相對較小,需要充分降低空氣流動過程中的阻力,對拱板平房倉主要是降低山墻進風(fēng)百葉的空氣阻力,為此需加大百葉窗的面積和選用阻力系數(shù)小的百葉窗。同時要注意百葉窗的防雨。
(2)屋頂旋流通風(fēng)器安裝位置:為最大限度的利用室外風(fēng)能,屋頂旋流通風(fēng)器應(yīng)盡量安裝在靠近屋脊處。
(3) 旋流型屋頂通風(fēng)器要選用優(yōu)質(zhì)和抗強臺風(fēng)的優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品,避免強臺風(fēng)時吹落通風(fēng)器。
(4)旋流型屋頂通風(fēng)器通風(fēng)時,屋蓋空氣處于負(fù)壓狀態(tài),拱板下弦板如采用預(yù)制板會帶來氣密性的不足,造成倉內(nèi)空氣流入屋蓋空腔,對設(shè)有制冷空調(diào)裝置的低溫倉會加大制冷負(fù)荷,也會影響處于熏蒸狀態(tài)的倉房降低熏蒸藥劑濃度,為此拱板下弦板應(yīng)采用現(xiàn)澆,保溫層采用充填性好的聚氨酯材料。
鋼筋混凝土雙層通風(fēng)屋脊平房倉是近幾年在南方地區(qū)出現(xiàn)的新型平房倉,其屋頂有坡度,檐墻及屋脊處均設(shè)置通風(fēng)百葉窗,在屋脊百葉窗附近設(shè)置混凝土擋風(fēng)板,不僅防止迎面風(fēng)時倒灌風(fēng),還可充分利用自然風(fēng)形成的形成負(fù)壓,使屋蓋空間形成氣流,排出熱空氣,降低空腔內(nèi)空氣溫度。同時,該擋板有利于防止斜向飄雨通過百葉窗進入空腔內(nèi),很好的解決防雨問題。空腔內(nèi)下層整體現(xiàn)澆混凝土底板有效的解決了倉房密閉問題,在下層板板面設(shè)置B1級聚氨酯保溫隔熱材料,阻隔了向倉內(nèi)的傳熱,可滿足常溫和低溫儲糧要求。
由于屋蓋板的整體澆筑需要大量的支撐系統(tǒng),該倉型主要缺點是施工周期長,工程造價偏高。但由于優(yōu)點突出,該倉型選用量在逐步增多。
鋼筋混凝土雙層通風(fēng)屋脊糧食平房倉是通風(fēng)隔熱與建筑的有機結(jié)合,其通風(fēng)優(yōu)勢如下:①通風(fēng)面積大,整個檐墻及屋脊處均可設(shè)置通風(fēng)百葉,通風(fēng)量較大;②空氣在屋蓋內(nèi)流動距離短,屋蓋內(nèi)空氣流動方向與屋蓋坡度方向一致,空氣溫度相對均勻;③屋脊處通風(fēng)裝置是土建構(gòu)造,其防風(fēng)和防雨性能較好。
對以跨度21 m、長度30 m鋼筋混凝土自然通風(fēng)屋蓋平房倉為例,屋蓋空腔體積約為1 150 m3,按換氣次數(shù)n=6次/h計算排風(fēng)量為6 900 m3/h。進風(fēng)與排風(fēng)高度差為5.05 m,喉口寬度為0.6 m,按進排風(fēng)溫差為5 ℃計算,熱壓為0.84 Pa。按室外平均風(fēng)速為3 m/s,空氣動力系數(shù)D取值0.35,產(chǎn)生的風(fēng)壓為1.89 Pa。熱壓與風(fēng)壓相比約為44.4%。目前缺少該類屋蓋在不同條件下通風(fēng)量的試驗數(shù)據(jù),只能通過屋蓋內(nèi)空氣溫度的測試來評價通風(fēng)效果,這也是今后需做的工作。
(1)鋼筋混凝土雙層通風(fēng)屋脊平房倉進風(fēng)和排風(fēng)均設(shè)有百葉窗,為充分降低空氣流動過程中的阻力,需選用阻力系數(shù)小百葉窗。
(2) 屋脊除通風(fēng)裝置應(yīng)充分考慮風(fēng)荷載,在最大風(fēng)速48 m/s下不被破壞,避免構(gòu)件損壞帶來的漏水。
(3) 鋼筋混凝土雙層通風(fēng)屋脊采用坡屋面,能與江南水鄉(xiāng)建筑風(fēng)格很好融合,有利于屋面排水,近些年來此倉型更利于安裝太陽能光伏板,不僅減少了太陽輻射強度,還使屋面產(chǎn)生了經(jīng)濟效益。
(1) 經(jīng)上述分析,糧食平房倉通風(fēng)屋蓋的通風(fēng)動力主要依靠風(fēng)壓,為更好的利用風(fēng)壓自然條件,倉房布置應(yīng)與主導(dǎo)風(fēng)向的夾角為60°~90°。
(2) 在倉型選型時應(yīng)充分考慮當(dāng)?shù)厥彝鈿庀髼l件,對夏季主導(dǎo)風(fēng)向下平均風(fēng)速較低的地區(qū)(四川重慶地區(qū)等),旋流型屋頂通風(fēng)器(拱板平房倉)的通風(fēng)效果更好;對夏季主導(dǎo)風(fēng)向下平均風(fēng)速較高的地區(qū)(江浙及沿海地區(qū)等),雙層通風(fēng)屋脊的通風(fēng)降溫效果更好,且氣密性較好,對于稻谷的氮氣氣調(diào)儲藏及低溫儲藏,此倉型是首選。
(3)關(guān)注市場和社會要求的變化,融合新的倉型技術(shù)手段,向節(jié)能減排增效更好的努力,為糧食倉儲行業(yè)綠色可持續(xù)發(fā)展方提供新的產(chǎn)品和服務(wù)。