基于柯本气候分类的辐射冷却技术在全球食品贸易区域粮食储存中的适用性

《Energy》：Applicability of radiative cooling for grain storage across global food trade regions based on the k?ppen climate classification

　　王文汉|陈星妮|林宇涵|项静|张晓佩|王金贝|徐斌中国科学技术大学热科学与能源工程系，安徽合肥230027摘要随着全球粮食贸易的持续增长，确保粮食在运输和储存过程中的质量已成为一项重要挑战。辐射冷却技术为粮仓的被动温度控制提供了一种创新且具有前景的解决方案。本研究探讨了辐射冷却材料在17种不同柯本-盖格气候类型及其对应的重要贸易城市中的适用性。研究结果表明，使用辐射冷却膜可使粮仓屋顶的年平均温度降低3.8～8.1℃，昼夜温差缩小9.5～21.9℃，同时使粮食温度下降1.0～2.1℃。在准低温和低温储存标准下，普通粮仓分别在7种和15种气候类型中无法满足要求。而应用辐射冷却技术后，过热度小时数可分别减少55.2%～90.8%和19.5%～79.2%。此外，在11种气候类型中，普通粮仓会出现“热皮层”现象，而应用辐射冷却技术后可使其厚度减少0.483～0.644米，并在6种气候类型中完全消除这一现象。综合评估表明，辐射冷却技术在降温效率方面优于普通白色涂料，不仅能显著延长粮食的安全储存时间，还具有明显的经济效益，且适用于不同类型的粮食储存。这些研究结果表明，辐射冷却技术为在不同气候条件下实现安全、可持续且经济的粮食储存提供了有力支持。引言粮食作为一种重要的战略资源，其安全状况对国家稳定、经济发展以及民众福祉至关重要。在当今全球化背景下，粮食已成为国际贸易中的重要大宗商品，贸易格局的变化直接影响着各国的粮食安全。开放的国际粮食贸易不仅有助于保障粮食供应的稳定性和多样性[1]，还能有效降低价格、提高粮食可及性并提升饮食质量[2]。同时，全球化贸易还有助于分散市场波动带来的风险，促进相关国家和地区的经济增长[3]。据统计，2023年全球农业出口总值达1.905万亿美元，是2010年的1.7倍。其中食品仍占据主导地位，2023年食品在农业出口中的占比为86%，高于2010年的83%，对应的出口总值为1.632万亿美元[4]。以主要粮食作物为例：2023年全球小麦出口量为1.991亿吨，同比增加810万吨；大豆出口量创下1.735亿吨的新纪录；玉米和水稻的出口量虽较2022年的历史最高水平略有下降，但仍处于较高水平。尽管全球粮食产量持续增长，但饥饿问题并未得到根本解决。2023年，约有7.33亿人面临饥饿问题，这一数字比2019年增加了约1.52亿，这意味着全球每11人中就有1人缺乏足够的食物。在非洲，这一比例更高，每5人中就有1人面临食物不足的问题[5]。自2019年以来，长期的COVID-19疫情、厄尔尼诺现象及相关的极端天气事件、乌克兰冲突以及各种经济冲击[6]、[7]、[8]、[9]、[10]、[11]都加剧了全球饥饿问题的严重性。根据世界粮食计划署的数据，2023年有59个国家和地区近2.82亿人面临严重的急性粮食不安全问题[12]。从受饥饿影响的人口比例来看，非洲的比例上升到了20.4%。虽然亚洲的比例保持在8.1%左右，但由于人口基数庞大，该地区仍占全球饥饿人口的半数以上。在全球范围内，只有11%–28%的人能够通过本地生产的农作物满足自己的食物需求[13]，大多数地区依赖国际贸易来保障粮食供应。据估计，全球20%的热量摄入来自进口食品[14]。在人口密集且粮食自给率较低的亚洲和非洲等地区，这种依赖性更为明显[15]、[16]，不断增长的人口和畜牧业的发展进一步推高了粮食需求，扩大了贸易逆差。此外，高昂的进口成本、能源供应的不稳定性以及较高的产后损失也加剧了粮食不安全问题[17]、[18]。因此，粮食贸易被视为缓解非洲和亚洲等地粮食不安全问题的有效手段。在粮食贸易链条中，各大港口城市通常设有大型粮食中转仓库，这些仓库承担着临时储存和重新分配的功能，是连接生产区和消费区的关键节点[19]。这些港口储存设施必须确保储存粮食的质量和数量。因此，提高储存效率和安全性、减少粮食损失已成为全球粮食安全战略的重要组成部分[20]。目前，产后损失约占全球粮食产量的14%[21]。不恰当的储存条件容易导致粮食发热、发霉以及遭受虫害，从而造成巨大损失[22]。现代粮食储存通常采用两种技术方法：准低温储存，即确保粮食的局部最高温度低于25℃；以及低温储存，即最高温度低于20℃[23]。由于建造成本低、自动化程度高、容量大、占地面积小且气密性强等优点，矮圆仓成为新建粮库中的主流储存形式，尤其广泛应用于中转站和港口[25]、[26]。与传统的水平仓库相比，矮圆仓的堆存高度更大，这就使得它们更容易出现“热皮层与冷芯层”现象[27]，即在冬季通风后粮食内部仍然保持凉爽，而在夏季高温下表面却迅速升温，从而导致明显的垂直温度梯度[28]。温度超过25℃的表层通常被称为“热皮层”[29]，它不仅会集中热量，还会成为粮食质量下降的高风险区域。因此，针对矮圆仓的热特性以及粮食储存标准制定相应的温度管理策略，对于提高粮食储存的安全性和稳定性至关重要[30]。目前，粮食温度控制主要依靠自然通风或机械通风、翻粮、除湿机以及粮食冷却器等手段[31]、[32]。一些新建或翻新的粮仓配备了空调系统，但这些系统大多为普通的家用或工业用空调，往往存在温度调节不均匀、能耗高以及维护困难等问题[24]、[33]。这些局限性不仅威胁到粮食的安全，也无法满足长期储存的需求。即便是为粮食储存专门设计的空调系统，也会带来较大的能耗负担[34]。此外，在控制气氛储存[35]和循环熏蒸[36]等密封储存方式中，空调系统通常并不适用，这进一步限制了其应用范围。在非洲和亚洲的部分地区，能源贫困问题[37]也制约了空调系统的普及和可持续使用，而这些地区往往有着较高的制冷需求[38]。因此，亟需开发一种无需外部能源输入、具备被动冷却功能且能适应不同粮食储存场景的新的温度控制策略。辐射冷却技术[39]无需电力即可运行，且可在白天和夜晚发挥作用，为粮食储存提供了一种创新的被动温度控制方案。该技术基于热辐射原理，利用大气窗口区域（8–13 μm）内的高红外发射率[40]以及0.3–2.5 μm范围内的高太阳反射率[41]，与寒冷的外太空进行有效的热交换，从而实现低于环境温度的冷却效果[42]。其在建筑节能领域的应用已得到了广泛研究[43]、[44]、[45]。例如，李等人[46]在中国338个城市进行了模拟研究，证明了辐射冷却涂层提升建筑能源性能的潜力。陈等人[47]在10个具有代表性的城市对辐射冷却屋顶进行了测试，结果显示温度可降低多达24.8℃，每平方米可节省42.9至97.8千瓦时的电能。近年来，辐射冷却技术在粮食储存领域的应用逐渐受到更多关注。蔡等人[48]在重庆和乌鲁木齐等城市的粮仓、水平仓库以及油罐上应用了辐射冷却材料，成功降低了屋顶和中心区域的温度，在亚热带地区甚至观察到了高达37℃的降温效果。林等人[49]在重庆具有Cwa气候条件的水平仓库中进行了实验和计算流体动力学模拟，证实了辐射冷却膜在春夏季节具有持续的冷却效果。徐等人[50]结合实验和数值分析方法，评估了杭州某水平仓库的辐射冷却性能，并将研究范围扩展到中国七个主要的粮食储存生态区，估计每年可节省573吉瓦时的能源，随后还对该效果进行了全球范围的分析。尽管先前的研究已经证明了辐射冷却材料在控制粮食储存温度方面的显著优势，但仍存在一些关键局限。首先，大多数现有研究都是针对传统的水平仓库展开的[48]、[49]、[50]，而对于如今在新建粮食储存设施中广泛使用的矮圆仓，目前还缺乏系统的研究，这在不同类型的仓库之间的适用性方面存在差距。其次，许多研究都是在单一气候类型或特定城市中进行的，这不利于评估其在全球不同气候条件下的适应性。虽然徐等人[50]将研究范围扩展到了中国的七个主要粮食储存生态区和六个国际城市，但这些地点仍未能涵盖所有主要的气候类型，因此限制了研究的代表性和普遍性。第三，大多数热性能评估都仅基于年平均值，没有充分考虑月度变化，这使得难以全面了解辐射冷却技术的季节性表现。第四，许多研究中的温度监测仅关注平均温度或表面温度，未考虑垂直温度梯度以及粮食内部的传热情况，因此无法准确判断冷却效果是否能够深入到粮食的内部。为弥补上述研究缺陷，本研究综合考虑了全球粮食贸易格局以及柯本-盖格气候分类系统。从六大洲16个主要的粮食进出口国家中选取了17个代表不同气候类型的城市。以矮圆仓作为研究模型，本研究系统地评估了在不同气候条件下辐射冷却材料对屋顶温度、粮食表面温度、过热度小时数、屋顶温度波动以及热皮层厚度等关键热参数的影响。研究还在准低温储存和低温储存标准下进行了月度性能分析，以评估储存安全性，随后还对实际应用和效益评估进行了全面讨论。这些研究结果为在全球范围内利用矮圆仓实施适应不同气候条件的辐射冷却技术提供了理论依据和实践指导。实验设置与建模实验在中国广西壮族自治区柳州地区进行（北纬24°20′，东经109°21′）。柳州属于Cfa气候类型，该气候类型的特点是四季分明，夏季炎热多雨，冬季温和干燥，年平均气温为21℃。为了验证辐射冷却膜的冷却效果，研究选择了一座矮圆仓，并在其屋顶表面铺设了辐射冷却膜，如图1(a)所示。本研究中使用的辐射冷却膜为……结果与讨论以下讨论从屋顶温度、粮食温度、粮食过热度小时数、屋顶温度的日变化以及热皮层厚度等方面，结合不同气候类型下的准低温储存和低温储存标准，全面分析了辐射冷却的效果。此外，还对屋顶温度、粮食温度以及过热度小时数进行了月度分析。实际应用与效益评估的讨论前述研究结果表明，辐射冷却膜能够在各种气候条件下有效且稳定地调控矮圆仓内的热环境。为进一步阐明该技术在实际粮食储存应用中的实用价值，本节从多个角度对RC薄膜的全面性能进行了深入探讨，包括储存优势、经济可行性以及与商用白色涂料的对比。

**结论**
为评估辐射冷却材料在粮食贸易过程中的储存适用性，本研究基于17种主要的柯本-盖格气候类型，系统分析了在不同气候条件下应用于矮储仓的RC薄膜的冷却性能。结合准低温储存和低温储存标准，进一步评估了RC技术对提升粮食储存性能的作用，并对其实际应用进行了全面探讨。

**CRediT作者贡献声明**
徐斌：写作——审稿与编辑，写作——初稿撰写，监督，资源提供，项目管理，方法设计，资金获取，概念构思。林宇涵：可视化，验证，数据整理。项静：可视化，验证，研究分析。张晓佩：可视化，验证，研究分析。王金贝：写作——审稿与编辑，写作——初稿撰写，监督，资源提供，项目管理，概念构思。王文汉：写作——审稿与编辑。

**利益冲突声明**
作者声明不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益或个人关系。

**致谢**
本研究得到了中国国家自然科学基金（NSFC，项目编号52130601）以及武汉理工大学超级计算中心的支持。我们还要感谢武汉理工大学工程与材料科学实验中心的金毅博士和石安峰博士在实验分析方面给予的帮助。部分研究工作在武汉理工大学物理科学仪器中心完成。