制冷系統的節能設計

河南千年冷凍設備有限公司 崔文升

制冷系統的節能設計

河南千年冷凍設備有限公司 崔文升

冷庫節能是冷藏業管理的核心環節。當前，冷庫的制冷系統，每凍結1t白條肉平均耗電為110kW，其中高的耗電指標為每噸180kW，低的耗電指標為每噸70kW；對于凍結物冷藏間，儲藏1t凍食品，每天耗電平均為0.4kW，其中高的耗電指標為每天每噸1.4kW，低的耗電指標為每天每噸0.3kW。可見，冷庫的能耗存在較大的差別。因此，為了實現節能，對冷庫制冷系統進行技術改造是很有必要的。本文，筆者主要從以下幾個方面進行闡述。

一、單機機組和并聯機組的比較

單機在為負荷比較穩定的冷庫及冷庫群提供冷源方面是有優勢的，單機的電機功率比并聯機組的電機功率小，單機的制冷系統比較簡單，初期投資成本也比較低。但是，在對負荷變化比較大的冷庫特別是冷庫群，并聯機組的節能優勢就比較明顯。并聯機組根據壓力、溫度等相關參數和凍品熱負荷（或者運行冷庫數量的多少）自動控制開停不等數量的壓縮機，當凍品熱負荷較大時，可以由多臺壓縮機工作，使凍品在最短時間內降到所需要的溫度，當凍品負荷較小時，可以由單臺壓縮機供冷。表1是單機和并聯機組在相同制冷量的冷庫系統配置的比較。

表1 單機和并聯機組配置對比

二、并聯機組和雙級配搭的比較

螺桿式壓縮機單級有較大的壓縮比及寬廣的容量范圍，適用于高、中、低溫各種工況，特別是在低溫工況及變工況情況下仍有較高的效率。但是，在低溫工況下的較高效率只是相對活塞式等其他類型的制冷壓縮機而言的，一般說來，低溫工況對單級壓縮的螺桿壓縮機會產生諸如容積效率下降、性能系數降低、欠壓縮、噪聲增大、排氣溫度上升等影響。所以，在蒸發溫度低于－30℃時，采用雙級配搭比較節能，在蒸發溫度高于－30℃時，采用并聯機組比較節能。

同時，由于雙級配搭并聯機組幾乎可以以任意容積比進行配組，可以根據不同應用工況的最佳容積比進行選配，確定最佳方案，使系統效率得到提高。此外，可以采用河南千年設備冷凍有限公司的專利技術：根據吸氣壓力開停高壓級壓縮機，根據中間壓力開停低壓級壓縮機；根據PLC程序控制，在蒸發溫度高于－30℃時，采用并聯機組制冷，在蒸發溫度低于－30℃時采用雙級配搭制冷；在低壓級壓縮機的吸氣管道和高壓級壓縮機的吸氣管道中間加入單向閥和截止閥，使制冷系統在每次開機運行時可以快速通過不節能的高溫區（蒸發溫度高于-30°C）；在低壓級壓縮機的排氣管道和高壓級壓縮機的吸氣管道的中間加入中間混合桶，并通過電磁閥組嚴格控制高壓級壓縮機吸入氣體的過熱度等方式，同樣可以實現系統的節能。

雙級壓縮循環對單級壓縮制冷系統而言，已經極大地提高了系統的COP值，但對螺桿式制冷劑而言，還可以利用經濟器進一步挖掘其潛力。具體做法是低壓級帶經濟器，將中間冷卻器過冷出來的制冷劑進一步過冷，冷凝器（或者儲液器）中出來的制冷劑經過兩級過冷后，其溫度已降低至-30°C～-10°C，較普遍的雙級循環系統，其COP值得到進一步提高。這種改進的雙級壓縮系統相當于一個準三級壓縮系統。

三、變頻控制并聯機組

研究發現，滑閥調節壓縮機在部分負荷時不節能，在滿負荷時是節能的，而變速調節壓縮機在部分負荷時節能，在滿負荷時是不節能的。所以，將滑閥調節螺桿機組和變頻調節螺桿機組并聯起來，組成并聯機組，發揮各自的優點，避免各自的缺點，能更好地實現系統的節能，大概可節能17%以上。在控制方面，當有開機指令時，先開變速調節壓縮機。當變速調節壓縮機工作到滿負荷時，開啟滑閥調節壓縮機，同時降低變速調節壓縮機的轉速；當有停機指令時，先降低變速調節壓縮機的轉速，降到最低轉速時，停止滑閥調節壓縮機，同時調整變速調節壓縮機。

四、 多吸氣壓力制冷系統

并聯機組作為冷源，在為不同溫度的冷庫提供冷量時，由于同一系統的制冷壓縮機只能在同一個蒸發溫度下運行，所以不同蒸發溫度的冷間如果并聯運行，相對蒸發溫度較高的冷間就處于不節能的運行狀態。該冷間熱負荷越高就越不節能，應當盡量避免這種情況的出現。氟利昂制冷系統中一機雙溫冷庫的做法，在高溫庫回氣管上加背壓閥，在低溫庫回氣管上加單向閥，是人為地提高高溫庫的蒸發壓力以滿足實際要求的做法，是不節能的典型做法，不應提倡而宜廢止。最好的做法就是在設計聯機組時，對不同蒸發溫度采用不同的壓縮機，然后再將它們并聯在機組架上面，組成多吸氣壓力制冷系統。

五、 制冷系統余熱回收

余熱回收裝置的工作原理是制冷機組是能量轉換設備，機組將電能轉化為熱能，能量公式為：Qk=Q0+N，其中，Q0是機組的制冷量，也就是從環境中吸收的熱能，Qk為機組冷凝器向環境放出的熱量，N是輸入電動機的電能。

如果制冷機組不采取熱回收裝置，則意味著把熱氣散發到大氣或水中去，不但造成能源浪費，而且對環境造成熱污染。在制冷量為369.6kW，蒸發溫度為-25°C，冷凝溫度為+35°C，液體過冷度為+5K，吸氣過熱為5K，制冷劑質量流量為1 809.5g/s的條件下，當排氣溫度為92.10°C時，過熱氣體的焓值為464.39kJ/kg，當冷凝溫度為+35°C時，飽和液體的焓值為243.14 kJ/kg，將這部分冷凝熱的40%回收用于加熱工藝熱水，每小時共計節能：（464.39 kJ/kg-243.14 kJ/kg）×1 809.5g/s×3 600s×40%×0.278÷1 000＝160.22kWh。

制冷系統余熱回收的熱量主要用于制取工藝熱水或者生活熱水，比如用于沖澡和清洗地面的水等。可根據用戶的要求進行設計選擇。

六、制冷系統熱氣融霜

熱氣融霜是利用制冷系統的壓縮機把排出的高溫高壓的過熱蒸汽直接排入冷風機盤管，制冷劑在盤管內冷卻、冷凝，集結在冷風機盤管上的霜層吸收制冷劑放出的熱量，從而達到融霜的目的。

如圖1所示，采用四管制逆流融霜方式，熱氣從熱氣集管經過截止閥、電磁閥，在等水盤和冷風機中實現融霜后，液體通過單向閥、電磁閥和截止閥回到排液集管，排液集管的液體再排到儲液器里面。由于融霜排液直接排到儲液器，然后參與制冷循環，對于制冷系統來說，沒有浪費額外的能源來實現融霜，所以該系統是節能的。

以某大型冷庫項目為例，該項目冷庫凈面積8 500m2，庫高5.3m，有低溫冷庫10間，高溫冷庫24間，其中僅低溫冷庫電化霜每年消耗的電費高達25萬多度，如果采用熱氣融霜的方案，這個消耗就可以基本避免。熱氣融霜的方案初期投資成本較高，但是在設備運行兩年后，可基本將成本收回。

七、制冷系統控制程序的設計

以往庫房以溫度調節為主，對蒸發溫度往往不作調節，很難達到較好的節能效果。在某一運行狀態下如果蒸發溫度能以庫房熱負荷以及制冷系統制冷量為參數進行調節，則既能達到節能的目的還能使能量調節更為合理。一般而言，制冷系統蒸發器和制冷壓縮機的配備基本都能滿足最高負荷的需要。如果冷間熱負荷減少而制冷量不能及時作出相應調節，則制冷系統的蒸發溫度將會相應降低，使壓縮機的制冷量與熱負荷達到一個新的平衡點。而蒸發溫度的降低反過來卻增加了蒸發器的制冷量，面對已減少的熱負荷必然形成頻繁啟停的后果。蒸發溫度每變化1°C，相應增減電能約3%～5%。如果及時調高蒸發溫度，使系統在另一個理想的平衡點上，則不但避免了浪費、做到了節能，還減少了制冷壓縮機的頻繁啟動，是一舉兩得的節能措施。

八、結論

以上為制冷系統在節能方面的考慮，主要是針對制冷系統設計和控制方面。其實，制冷系統的節能不僅僅是在制冷系統的設計和控制方面，還包括選擇好的施工單位進行施工，對設備使用方進行設備運行節能管理方面的培訓等，這些方面都會影響到系統的節能效率。