冷庫節能減排研究進展

杜子崢 謝 晶

DU Zi－zheng 1，2 XIE Jing 1，2

（1.上海海洋大學食品學院，上海 201306；2.上海水產品加工與貯藏工程技術研究中心，上海 201306）

（1.College of Food Science and Technology，Shanghai Ocean University，Shanghai 201306，China；2.Shanghai Engineering Research Center of Aquatic Product Processing ＆ Preservation，Shanghai 201306，China）

改革開放以來，隨著經濟快速發展，中國農產品總產量在逐年增加。根據中國統計局［1］公布的數據，自1978年到2011年，中國水果產量從657萬t增長到22 768萬t，水產品總量由465萬t增長至5 603萬t，畜肉類產量由1996年4 584萬t增長到2011年7 957萬t；截止2010年，中國蔬菜產量占全球總產量的60%，水果和肉類產量占30%，禽蛋和水產品產量占40%。然而中國冷鏈物流建設并沒有跟上農產品產量迅速增長的步伐，大部分生鮮產品仍在常溫下流通，造成農產品產后損失嚴重［2］，為解決這一問題，未來中國應逐步完善冷鏈物流，加快冷藏庫建設。2010年7月中國發改委專門出臺了《農產品冷鏈物流發展規劃》。

冷庫數量增長必將導致冷庫總的能耗需求提高，國務院印發的《節能減排“十二五”規劃》給未來中國節能事業提出了新要求，規劃將冷庫應用中的電機、冷卻塔、余熱余壓利用等系統列入節能改造重點工程。冷庫是一個龐大復雜的系統，冷庫設計、制冷系統運行及管理等方面都擁有節能改進的潛力，在能源日趨緊張的今天，冷庫節能是一個值得關注的研究領域。

1 冷庫設計中的節能技術

1.1 隔熱材料的選擇

20世紀80年代以前中國冷庫隔熱材料以稻殼、軟木、爐渣和膨脹珍珠巖為主，此后巖棉、玻璃棉、聚苯乙烯泡沫塑料和聚氨酯泡沫塑料等開始得到廣泛使用［3］，冷庫圍護結構、保溫層傳熱量占冷庫總熱負荷的20%～35%［4］，選擇合適隔熱材料可有效減少外界熱量進入冷庫。

近年來，中國學者主要圍繞隔熱材料隔熱、隔濕特性，保溫層最佳經濟厚度、新型絕緣隔熱材料展開研究。羅金鳳等［5］利用有限差分法對基于非穩態傳熱傳濕模型進行數值求解，在隔熱材料導熱率為常數以及導熱率是溫濕度的函數兩種情況下，對配備聚苯乙烯泡沫塑料、聚氨酯泡沫塑料、擠塑聚苯乙烯泡沫塑料3種保溫材料的冷庫全年耗電量進行分析。發現隔熱材料吸濕后熱導率增大將強化墻體導熱，冷庫全年總耗電量增加。建議使用擠塑乙烯泡沫塑料作為冷庫隔熱材料，其材料吸水率低，熱導率受溫濕度影響不明顯。

為減少外界熱量滲入冷庫，增加圍護結構保溫層厚度和減少圍護結構內外表面溫差是兩種有效途徑。由于外界環境溫度不可控，升高庫內溫度有可能增加冷庫內貨物損耗，減少圍護結構內外表面溫差實施很難。增加保溫層厚度是可行辦法，但增加保溫層厚度勢必導致冷庫初投資增加，因此在冷庫建設中，確定保溫層最佳經濟厚度十分重要。劉斌等［6］利用有限生命周期經濟觀點，推導出微型冷庫在使用年限不足時保溫層的最佳經濟厚度公式，計算發現延長冷庫使用年限會增加保溫層最佳經濟厚度，由于隨著冷庫生命周期的延長，機組運行費用在總費用中所占比例增大，加厚保溫層有利于減少運行費用。

冷庫在設計時往往只考慮投資回報的最佳經濟厚度，做到冷庫“節能”，但從“減排”角度出發，應考慮隔熱材料從制造、運輸、買賣、使用、廢棄、再生整個過程可導致的空氣污染、水污染、全球變暖潛力、能耗等，兩者相綜合，才能真正實現冷庫“節能減排”。

Richman等［7］引 用 生 命 周 期 觀 點 （life cycle assessment），指出冷庫應用更厚隔熱材料對環境造成的負荷會消減產生的經濟回報。為探究兩者關系，作者應用eQUEST軟件和ATHENA軟件分別對冷庫采用不同厚度隔熱材料的經濟回報、環境影響進行模擬，試驗引入相對強弱指標RSI（relative strength index），RSI值每增加1.41相當于增加50.8 mm隔熱材料厚度，模擬以標準冷庫RSI值5.64為基數，結 果 顯 示 采 用 RSI值 分 別 為 RSI－7.54，RSI－8.45，RSI－9.86，RSI－11.27隔熱材料所導致的環境負荷均小于冷庫1年的運行節能，因此對現代大型冷庫，設計者無需考慮采用更厚隔熱材料可能導致的環境影響。

目前，氣凝膠隔熱材料逐漸成為國內外學者研究重點。其保溫性、阻燃性、隔濕性均優于現應用于冷庫的保溫隔熱材料，氣凝膠有很多種類，最常見的有碳氣凝膠、Al2O3、TiO2和SiO2等。氣凝膠密度小、孔隙率極高、膠體顆粒尺寸僅為3～20 nm、具有多孔網絡結構，對導熱、對流傳熱、輻射傳熱均有有效限制［8］，可作為高性能隔熱材料。石崇等［9］對二氧化硅氣凝膠復合隔熱材料在船舶冷庫應用進行了工藝試驗，試驗證明氣凝膠復合隔熱材料可以有效改善船舶冷庫的保溫性能，節能效果顯著。近年來中國冷庫及冷藏食品相關行業火災頻發［10］，現有新型冷庫保溫材料雖然能夠隔熱，但大都具有易燃特點，而氣凝膠耐熱性能優異，可承受600～1650℃高溫［11］。但由于氣凝膠制備工藝復雜性，技術含量較高，目前其應用還只局限于航空航天等高端產業。氣凝膠隔熱材料研究已成為全球熱點，但有關氣凝膠在冷庫應用的研究報道鮮見，伴隨著未來氣凝膠工藝改進，氣凝膠工業產業化發展，氣凝膠隔熱材料將廣泛應用工業建筑各領域，氣凝膠隔熱材料在冷庫中的應用值得關注。

1.2 空氣幕的優化

為阻止室外空氣滲入冷庫，減少庫內冷負荷，通常在冷庫門處設立空氣幕。空氣幕是由空氣處理設備、通風機、空氣分布器、風管系統組成。設置空氣幕能夠有效地防止外界熱濕氣體滲入冷庫，空氣幕起源于前蘇聯，在新中國初期從蘇聯援建的“156項”項目引入，20世紀80年代，隨著中國工業的迅速發展，空氣幕在中國各行業得到了廣泛的利用。2010ASHERE手冊［12］數據指出冷庫空氣滲透負荷占冷庫總制冷負荷的一半以上。空氣幕研究主要目的是提高空氣幕密封效率，減少冷庫滲透負荷，研究主要圍繞射流速度、噴口寬度、噴射角度，以及熱壓對于空氣幕的影響，通過試驗和計算機模擬相結合的方式進行。對于每一個具體的冷庫，都存在使空氣幕效率最高的最優射流速度和噴射角度［13－17］，南曉紅等［13］指出空氣幕噴口選擇不宜太寬，噴口寬度達到一定值時，空氣幕效率增加不明顯。為提高空氣幕密封效率，空氣幕應該安裝在室外，噴射角度應該朝向室外15～20°［15－17］。Gonalves等［17］指出空氣幕的密封效率（81%）高于其阻熱效率（75.5%）。繆晨等［18］利用CFD軟件對試驗冷庫空氣幕流場進行了非穩態模擬，對冷庫門和空氣幕開啟60 s內冷庫溫度場和氣流場溫度變化進行預測，并對冷庫溫度場模擬結果進行試驗驗證，發現冷庫空氣幕開啟后中心主流速度可達到冷庫門底部，但由于噴口寬度沒有完全覆蓋門寬度等原因，外部熱空氣易從入口兩側和底部滲入庫內，造成冷庫中心處形成多個渦旋，影響冷庫內氣流場和溫度場均勻分布。

1.3 余熱回收技術的應用

2012年7月11日，國務院印發的《“十二五”節能環保產業發展規劃》，將余熱余壓利用設備的制造放入重點發展的節能領域中，為余熱利用提供政策保障，冷庫制冷系統余熱利用將是重點節能領域。冷庫制冷系統將冷凝熱排放到室外，這種做法不僅造成環境的“熱污染”而且還造成能源浪費，因此有必要回收冷庫制冷系統余熱。中國學者［20］提出可利用冷凝熱加熱生活用水，但是由于土地價格等原因，中國冷庫大部分建立在人口非密集區，加熱生活用水無法充分利用，管道鋪設也將額外增加企業的投資成本。國外利用冷庫余熱的做法是采取余熱加熱冷庫地坪，即利用壓縮機排氣熱量加熱乙二醇溶液，乙二醇溶液在冷庫地坪下循環防止土建冷庫地坪凍臌［21］。

2 冷庫運行中的節能技術

2.1 蒸發器融霜

由于冷庫門頻繁開啟和貨物冷凍過程中失水，庫內空氣相對濕度較高，冷庫空氣流至蒸發器時，空氣被冷卻的同時也導致蒸發器結霜。霜層嚴重阻礙了蒸發器與空氣傳熱，降低整個系統制冷效率，增加冷庫能耗，因此冷庫應定時進行除霜。制冷系統在有霜層情況下運行COP將減少20%～30%［22］。熱電融霜、水沖霜、熱氣融霜、熱氣融霜結合水沖霜是目前主要采用的融霜方式，水沖霜最常用于冷風機除霜，但因其水耗大，除霜成本高，此外沖霜水外溢還會使地坪凍臌，已逐漸被熱氣融霜所代替。為實現冷庫融霜節能，國內外學者對多種融霜方式進行討論并對融霜系統提出改進。

臧潤清等［23］針對冷卻物冷藏間蒸發器融霜提出可采用“依次除霜法”。劉恩海［24］對熱氨沖霜方式進行改進，建議安裝除冰裝置輔助熱氨沖霜。陸佩強等［25］設計了一種雙蒸發器液體冷媒融霜系統，利用液體冷媒對蒸發器進行融霜，融霜蒸發器起到冷卻器作用，回收一部分冷量，可實現不停機融霜。劉訓海等［26］對電熱融霜和熱氣融霜進行對比研究，指出電熱融霜效率不高，易導致小型冷庫庫溫顯著波動，建議采用熱氣融霜。Yin等［27］針對熱電融霜方法融霜效率不高，提出可在冷庫中加設電熱融霜氣流循環旁通道，試驗證明融霜效率明顯提高，并可減少冷庫內溫度波動。

延長結霜周期減少融霜次數，也可實現節能。抑制霜層增長和減小蒸發器回風口空氣性相對濕度可延長結霜周期。Yan等［28］利 用 兩 種 不 同 頻 率 的 超 聲 波 （20 k Hz／30 W，15 k Hz／30 W）對冷風機進行抑霜試驗，發現經過48 h，冷風機翅片仍未被霜層堵塞。Wang等［29］利用超聲波震動對翅片式蒸發器進行抑制結霜試驗，指出超聲波能夠有效抑制霜層的生長，但不能完全除霜。Barelli等［30］將壓電板與蒸發器翅片連接，發現利用壓電板產生超聲波震顫能夠有效地抑制霜層結霜，從而延長融霜周期。Sergio等［31］設計了一種利用液體干燥劑延緩蒸發器結霜的裝置，通過液體干燥劑干燥蒸發器回風口的氣流以減少蒸發器表面結霜量。

2.2 冷庫堆放形式的優化

冷庫貨物堆放依托于冷庫貨架系統，其合理規劃和布局，不僅能提高冷庫空間利用率，保持冷庫內氣流流速和溫度分布均勻，而且便于叉車及人員在庫內作業。冷庫目前常采用的貨架系統有：貫通式貨架、穿梭車式貨架、后推式貨架、雙深度貨架、窄巷道式貨架［32］。不同冷庫可根據冷庫庫容、貨物種類、貨物出入頻率，選擇合適的貨架系統，從而降低冷庫能耗和投資成本。劉妍玲等［33］利用fluent軟件對小型果蔬冷庫進行CFD模擬，對中間有通道和中間無通道兩種果蔬擺放形式進行分析，指出果蔬中間有通道擺放方式可以改善庫內氣流溫度和流速分布；冷庫近地面易形成高溫區，不利于貨物保存，因此建議貨物堆放應離地面一定高度。胡耀華等［34］在對獼猴桃冷庫流場CFD模擬研究中發現，3跺堆放的獼猴桃散熱效果優于2跺堆放的獼猴桃，因此建議在貨物堆放時應盡可能分散堆放。劉永娟［35］在貨物不同擺放形式下冷庫內氣流組織模擬研究中印證了胡耀華提出的建議，試驗發現設置墊倉板均分四堆貨物擺放形式氣流和溫度分布優于設置墊倉板均分兩堆、不設墊倉板均分兩堆、不設墊倉板集中放置3種貨物擺放形式，但試驗將貨物作為整體進行模擬計算，不符合貨物可視為多孔介質的特性，因此試驗仍有改進余地。

果蔬在貯藏時存在貯藏損失問題，通過改進果蔬堆垛尺寸和堆垛方式可減少這一損失。Chourasia等［36］對印度土豆貯藏冷庫的堆垛尺寸和堆垛方式進行試驗和模擬研究，圍繞堆垛寬高比、堆垛體積、寬度、高度和堆垛間距對土豆貯藏品質影響展開，指出增加土豆堆垛寬高比和垂直間距可以顯著減少土豆冷卻時間，降低土豆溫度。當堆垛高度從1.6 m提高至6.4 m時，冷卻時間將提高60%，這是由于庫內冷氣由下向上運動并不斷吸收沿程土豆呼吸熱，堆垛過高將弱化冷氣吸熱能力，導致貨物自下至上溫度逐漸增加。Delele等［37］在對冷庫噴淋水霧化加濕系統CFD優化研究中同樣發現這一問題，在貨架底部，貨物間隙空氣與貨物表面存在0.92℃溫差，但在貨架中部和上部這一溫差可以忽略不計，冷庫相對濕度最低處出現在貨架上部。試驗將貨物堆垛在冷庫中部，迫使氣流渦旋區域向墻壁處遷移，冷庫最差冷藏效果往往出現在渦旋區域，對貨物合理擺設可消除渦旋區域出現或者迫使其遠離貨物，提高冷庫冷藏效率［38］，在貯藏貨物時，貨物堆垛高度不能過高，堆垛貨物之間也應保持一定垂直間距以利于傳熱。湯毅等［39］以尺寸為48 m長×46 m寬×6 m高某公司一單庫為模擬對象，對不同擺放方式下冷庫內氣流場分布進行CFD預測，吹風速度為3 m／s情況下，3層擺放形式冷庫平均流速分布與空庫運行相類似，貨物區各層流速均滿足規定，貨物3層擺放在氣流場均勻程度上優于貨物4層擺放，建議冷庫經營商家應合理選擇貨物擺放高度，不要盲目擴大冷庫貯存率。

2.3 削峰填谷技術的應用

中國工業用電高峰時期和低谷時期電價存在很大差異，冷庫利用谷電進行蓄冷消減高峰時期制冷負荷，既節約運行成本，又減緩電網系統供電壓力，達到節約能源的目的。冷庫建設目的是為保持貨物高質量、高營養和延長產品貨架期，若利用削峰填谷技術無法實現上述目標，削峰填谷將毫無意義。East等［40］利用削峰填谷技術對蘋果在4±2，2.75±1.25，1.6±0.4，0.5±0.3℃4種溫度下進行氣調貯藏，制冷系統對蘋果進行3 h預冷降溫后停止工作，試驗發現19 h后蘋果溫升1℃，品質沒有受到顯著影響，氣調庫良好密封性、蘋果較低的呼吸速率和熱惰性是導致蘋果溫升較小的主要原因。

為探究將冷凍貨物作為用電高峰時期冷庫冷源的可行性，Altwies［41］采用FEHT軟件對冷凍貨物作為單一冷源的冷庫14 h溫度波動進行模擬，引入傳導負荷、產品負荷、內部負荷、滲透負荷、設備負荷5種可能導致溫度波動的因素作為干擾項，模擬結果顯示，冷凍貨物溫度從－24.7℃升高至－19.1℃，在庫溫低于－18℃前提下，5.6℃的溫差并不能明顯影響貨物品質。并以美國中西部一家冷庫為模型，進行節能效果經濟分析，發現以凍結貨物為冷源的削峰填谷技術每年可節約8.2萬美元的電費。溫度波動對于不同食品品質影響不同，因此冷庫在利用谷電進行蓄冷時，應考慮貯藏貨物對溫度波動的敏感程度，科學實行削峰填谷，將貨物品質放在首位。

3 冷庫中新技術的應用

3.1 變頻調速技術

隨著科學技術發展，變頻調速因其節能，高效，減噪，可靠等優點，廣泛應用到工業控制的各個領域，變頻調速技術在冷庫節能應用領域潛力巨大，可應用在壓縮機、冷風機、冷庫大門等設備改造中。陸一飛等［42］指出風機設備變頻節能效果可以做到節能20%～50%，劉訓海等［43］對變頻風機在低溫冷庫應用中節能效果進行研究，在不同工況下，變頻風機的使用節能效果顯著，庫內工況溫度越低，使用變頻風機節能效果更顯著。江發生等［44］對變頻控制技術在冷庫門運行控制中應用可行性進行討論，認為變頻控制技術可以實現冷庫快速開啟，避免因冷庫門開關所造成人員夾傷、車輛損傷等安全問題。Yu等［45］對制冷系統4種控制策略（變頻風機排氣壓力控制、定速風機排氣壓力控制、變頻風機冷凝溫度控制、定速風機冷凝溫度控制）在穩定工況下的制冷效率進行研究，指出采用變頻風機冷凝溫度控制可以提高制冷系統的COP值4.0%～127.5%。

壓縮機系統以冷庫最大制冷負荷工況設計，但大多數時間冷庫在部分負荷下運行，壓縮機全開無疑造成能源浪費，應用變頻壓縮機能有效解決這一問題，但因缺少變頻壓縮機對整個制冷系統動力學影響參數，無法充分發揮其節能優勢，為此學者做了大量研究。Tassou等［46］對半封閉式往復壓縮機、開放式往復壓縮機、開放式葉輪壓縮機的性能進行研究，指出額定速率下壓縮機的性能最高，使用壓縮機變頻控制可實現節能12%～24%。Aprea等［47］對變頻渦旋式壓縮機在熱泵循環和冷卻水循環兩種工況下節能效果進行研究，與定速渦旋式壓縮機（工作頻率50 Hz）對比，采用變頻渦旋式壓縮機的熱泵循環節能30%，冷卻水循環節能20%。為建立控制算法實現壓縮機變頻連續調節，Aprea等［48］對往復式壓縮機和渦旋式壓縮機在不同工況下的最優轉速進行研究，給出了不同工況下壓縮機的最優工作頻率及其計算方程。Buzelin等［49］采用封閉環控制和開關控制兩種方法，以尺寸為180 cm×380 cm×270 cm的冷凍室為模型，同工況下對冷凍室24 h室內溫度、制冷劑溫度，開關門室內溫度波動以及耗能進行檢測，發現應用變頻壓縮機的封閉環控制能夠削減冷庫溫差，與開關控制相比節能35.24%。變頻壓縮機可以匹配庫內逐時冷負荷調節其轉速，避免“大馬拉小車”現象出現，目前，變頻壓縮機多用于暖通空調行業，在冷庫中并未獲得廣泛使用，項目初投資過高；節能效果不足以收回額外投資；缺少相關控制策略和運行維護經驗可能是制約冷庫應用變頻壓縮機的瓶頸。伴隨變頻調速技術運行參數的優化、控制策略的完善、投資成本的降低，將逐漸突顯這一技術的經濟優勢，變頻調速技術在冷庫應用中將具有無容置疑的廣闊發展前景。

3.2 液化天然氣（liquefied natural gas，LNG）冷能在冷庫中的應用

中國是天然氣進口大國，其中一半左右進口天然氣是以液化形式運輸至中國，供給用戶之前，LNG在氣化站進行加熱加壓氣化過程將釋放大量冷量，氣化站通常是將冷量排放至空氣或海水中，既污染環境又浪費資源，根據中國石油集團經濟技術研究院發布的《2012國內外油氣行業發展報告》，2012年中國LNG進口量1 440萬t，同比增長22%，預計2013年中國LNG進口量將達1 650萬t，同比增長14.6%。若以每千克LNG氣化釋放冷能830 kJ計算，2012年中國可利用冷能1.19×1013kJ，有必要對LNG冷能進行回收開發利用，LNG冷能可用于發電、低溫空分、冷庫、液化二氧化碳、低溫養殖、低溫破碎、冷凍干燥、汽車冷藏。LNG氣化站往往設立在港區，而港區也是冷庫集中區域，將LNG冷能利用到冷庫應用，不僅可獲得良好的投資收益，而且實現節能減排。

LNG大氣壓力下的蒸發溫度約是－162℃，大多數冷庫庫溫在－30～0℃，一般換熱設備難以實現如此巨大的傳熱溫差，因此必須考慮使用中間冷媒吸收LNG氣化冷量，吳集迎等［50］對冷庫應用LNG冷能系統工藝流程進行了設計，采用濃度60%的乙二醇水溶液作為中間冷媒進行蓄冷，既縮小設備傳熱溫差又解決了LNG氣化站產出冷量和冷庫用冷不匹配問題。Antonio等［51］建議使用二氧化碳作為冷媒回收LNG氣化冷量用于食品工業冷物流，指出二氧化碳能夠有效回收冷量，并且對環境無毒無害，可阻止系統可能的火災傳播。

在低溫工程領域，不同低溫工藝需要的溫度不同，將LNG冷能僅應用在冷庫必然導致冷火用損失，這為利用LNG冷能提供了新的思路。吳集迎等［52］針對單一利用冷能造成高品位冷能冷耗問題，建議采用冷能三級梯度利用，按照制冷工藝要求溫度不同，可先后進行空氣分離、液化二氧化碳、冷庫制冷，實現LNG冷能充分利用。黃美斌等［53］根據不同冷庫庫溫要求不同的特點，設計一種LNG冷能用于多溫區冷庫群技術方案，方案采用R23作為中間冷媒，以并聯形式向超低溫冷庫、中低溫冷凍冷藏庫、中溫冷藏庫提供冷量，HYSYS流程模擬分析顯示，方案節能效果明顯。熊永強等［54］從冷火用分析角度出發，對LNG冷能用于串聯多溫區冷庫群制冷系統的冷火用利用效率進行計算，得到低溫冷庫中冷火用的利用率僅為38.5%，指出由于傳熱溫差過大，導致大量高品位冷火用被降質利用，建議將低溫朗肯循環與利用LNG冷能冷庫流程進行集成，利用深冷部分冷能進行朗肯循環發電，改進后方案冷火用利用率提高到54%。

4 結論與展望

（1）選擇隔熱材料不僅要考慮經濟回報還應考慮可能導致的環境影響，生命周期分析作為有效實現節能減排的評估工具，也可以應用在冷庫設備選購中。

（2）熱氣融霜是目前冷庫最佳融霜方式，冷庫系統蒸發器結霜不可避免，超聲波抑霜和液體干燥劑抑霜可延長結霜周期，減少融霜系統開啟次數，為冷庫融霜節能提供了新思路。

（3）通過使用變頻調速技術和余熱利用技術有助于冷庫系統節能運行。

（4）在LNG冷能資源豐富區域建立LNG冷庫是回收冷能有效方式，但是單一利用冷能存在冷火用利用率不高問題，通過集成其他冷能利用技術可實現冷能多梯度應用。

未來冷庫的節能研究可以圍繞以下幾方面進行深入：

（1）目前研究人員主要聚焦貨物堆垛方式對冷庫內氣流分布的影響，未來可關注冷庫貨物內部降溫過程的溫度分布，對貨物包裝的材料、開孔、堆放方式進行改進。

（2）研究多種食品在冷庫應用削峰填谷技術所造成溫度波動對貨物品質的影響，完善控制策略為冷庫應用削峰填谷技術保駕護航。

（3）未來可更多關注冷風機冷庫和排管冷庫溫度分布、氣流分布、能耗等對比研究。

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