基于帶能量回收功能的恒溫恒濕空調系統的大型超市節能研究

李帥琦，晉欣橋

（上海交通大學機械與動力工程學院，上海 200240）

基于帶能量回收功能的恒溫恒濕空調系統的大型超市節能研究

李帥琦*，晉欣橋

（上海交通大學機械與動力工程學院，上海 200240）

針對空氣溫濕度對大型超市冷凍冷藏陳列柜能耗影響較大的問題，提出了在冷凍冷藏陳列柜區域設置帶能量回收功能的恒溫恒濕空調系統，以達到降低制冷與空調系統能耗的目的。實證研究表明本文提出的空調系統有明顯的節能效果。

大型超市；空調系統；冷凍冷藏區域；恒溫恒濕；節能

0 引言

從 2009年至今，大型超市的模式在中國得到了飛速的發展。僅就目前國內零售巨頭-華潤萬家而言，截止 2013年，華潤萬家目前在全國共計擁有4,425家門店，每年到店顧客人次達到25億次，VIP顧客數達到1,560萬人。在高速發展的同時，由于大型超市屬于高耗能的大型公共建筑，大型超市占社會總能耗的比重也越來越高。在國家大力推動節能減排工作的今天，降低大型超市的能耗已是每個大型超市所面臨的重點問題。與別的大型公共建筑不同，冷凍冷藏系統作為大型超市中具有特殊性的機電系統，在大型超市總體能耗中占有相當大的比例。圖1為某大型超市2012年的實測耗電量分布。

圖1 某超市2012年實測耗電量分布圖

由圖1可見，在大型超市中，冷凍冷藏系統約占總能耗的三分之一，因此降低冷凍冷藏系統能耗是大型超市節能工作的重點之一。大型超市的冷凍冷藏系統主要由各類型中、低溫陳列柜和冷庫等冷凍冷藏設備組成，其中陳列柜作為食品冷凍冷藏鏈的末端裝置自1922年[1]出現在美國之后，由于它的展示效果好、方便拿取等特點給超市行業帶來了可觀收益。但同時陳列柜是能源消耗非常大的設備，是冷藏鏈中的最薄弱的環節。研究表明，美國每年平均用于超市制冷的電能約為1×l06kW·h～1.5×106kW·h[2]。根據筆者的實際工作經驗來看，在中國超市中，冷凍冷藏陳列區域的占比正在不斷加大中，因此陳列柜占冷凍冷藏系統總能耗的比重也在不斷增加。降低陳列柜的能耗已是超市冷凍冷藏節能乃至超市整體節能的關鍵部分。

本文首先分析冷凍冷藏陳列柜區域的溫、濕度對制冷系統功耗的影響，針對現有的中央空調系統在冷凍冷藏陳列柜區域的不足，提出在該區域建立一個具有能量回收功能的獨立制冷除濕空調系統，從而達到超市空調和制冷兩個系統總體能耗降低的目的，并用實測數據進行了實證研究。

1 溫濕度對超市冷凍冷藏系統的能耗影響分析

周邊環境對冷凍冷藏陳列柜的影響主要體現在陳列柜風幕的回風溫度和回風濕度兩個方面[3]。風幕出口射流與環境空氣進行混合，隨著環境溫濕度的提高，回風溫度和回風濕度也會相應提高。大量實驗已經證實敞開式陳列柜50%以上的能耗是由環境空氣從風幕中滲透的，而立式敞開式陳列柜70%以上的能耗由周圍環境的滲透造成的[4]。HOWELL R H[5]研究了相對濕度對陳列柜性能的影響，發現當環境空氣的相對濕度從55%降到35%時，對大多數不同類型的陳列柜而言，可以節能5%～29%。由此可見周邊環境空氣的溫度和相對濕度對冷凍冷藏陳列柜系統的能耗影響。

根據HOWELL R H的研究，冷凍冷藏區域陳列柜的冷負荷可由式(1)表示

式中：

Q——陳列柜總冷負荷；

QA——陳列柜壁面與環境傳導冷負荷；

QB——陳列柜與外界的輻射冷負荷；

QC——陳列柜與外界滲透冷負荷；

QD——陳列柜照明發熱負荷；

QE——陳列柜防露加熱冷負荷；

QF——陳列柜除霜加熱冷負荷；

QG——陳列柜裝貨引起的冷負荷。

在所有冷負荷中起決定作用的依次是滲透冷負荷、輻射冷負荷、防露除霜冷負荷、照明冷負荷及傳導冷負荷。與環境溫度有關的是滲透冷負荷、輻射冷負荷和傳導冷負荷，與環境濕度有關的是滲透冷負荷和防露除霜冷負荷。

由以上分析可知，周邊環境的溫濕度對冷凍冷藏系統的能耗影響顯著。若能分別控制溫濕度，則可根據相應的工況調節系統運行，從而節約能耗。因此，在大型超市的冷凍冷藏陳列柜區域使用獨立恒溫恒濕空調系統將能有效降低陳列柜系統，尤其是低溫陳列柜系統的冷負荷，繼而降低冷凍冷藏系統的整體能耗。

HOWELL R H用大量實驗數據得出了一系列溫濕度參數與負荷的經驗模型：

式中：

TC——冷柜的平均溫度；

RH——相對濕度；

LP——計算環境濕度下冷柜滲入潛熱負荷與環境濕度55%條件下冷柜滲入潛熱負荷比值；

DP——計算環境濕度下冷柜融霜負荷與環境濕度55%條件下冷柜融霜負荷比值；

TP——計算環境濕度下冷柜總滲入負荷與環境濕度55%條件下冷柜總滲入負荷比值；

D、E、F、G——經驗系數，如表1所示。

表1 Howell模型中的系數值

根據HOWELL模型，可對已知溫度的陳列柜的LP、DP和TP進行估算。為了驗證經驗系數的精度，HOWELL R H將估算值和理論計算值進行了比較[6]，比較結果如表2所示。

由表2中數據對比可以看出，估算值與理論計算值很接近，說明HOWELL模型是可靠的，可以用于對系統能耗的分析。同時由式(1)也可看出相對濕度對制冷負荷的巨大影響，表明降低環境濕度將能大幅降低冷凍冷藏系統的能耗。

表2 HOWELL模型估算值和理論計算值的比較

2 帶能量回收功能的恒溫恒濕空調系統理論研究

冷凍冷藏陳列柜區域由于超市人員流動密度高，加上各種冷凍冷藏開放式貨架散濕，特別是當室外環境濕度高時，盡管空調系統運轉不停，但商場內空氣相對濕度仍然偏大。在對上海的部分超市進行抽樣測試時發現，一般濕度都達到65%～75%以上。在這種高濕度環境下，該區域的人員容易感覺不適，食品易變質，低溫貨柜冷柜玻璃門及貨物經常結霜。如采用中央空調供冷，由于中央空調供冷系統目前大多采用冷水機組，末端空氣處理機組的冷卻盤管的機器露點較高、除濕能力不強，而且在一般情況下，超市空調都具有獨立的自動控制系統，根據單一的干球溫度進行控制，一旦達到相對設定值，就會減少冷凍水的循環量，以防干球溫度過低，除濕效果又進一步減弱。因此，空氣相對濕度將始終維持在較高水平，大大增加了冷凍冷藏系統的運行能耗。

出于節能考慮，本文提出了一個既能同時控制空氣干球溫度與相對濕度，又具有能量回收功能的再熱式空調系統。該空調系統的原理如圖2所示。

空調系統運轉前，在控制器中設定好所需的干球溫度和相對濕度參數。當超市內干球溫度未能達到設定值，系統中電磁閥V1打開，V2關閉，按常規循環進行降溫除濕運轉。當干球溫度接近設定值，但相對濕度偏差較大，則電磁閥V1關閉，V2打開，冷凝器的制冷劑先進入再熱盤管，然后再進入膨脹閥。這樣回風先經過蒸發器冷卻除濕后，再進入再熱盤管加熱后送入商場內，不間斷除濕同時也不至于使干球溫度過低。這里需要指出的是在空調工況下，冷凝器出來的液態制冷劑一般在35 ℃以上，足以加熱經蒸發器冷卻后的空氣，不僅省去電加熱能耗，液態制冷劑又回收了被加熱空氣的冷量，進一步過冷后進入膨脹閥。當干球溫度與相對濕度都達到設定值后，機組卸載運轉。

圖2 帶能量回收功能的恒溫恒濕空調系統原理圖

圖3表示了系統循環的壓-焓圖。當V1開啟，V2關閉，機組按1’-2-3-4循環，當V1關閉，V2開啟，機組按1-2-3-4循環，其中4’-4是冷凝器出來的制冷劑4’過冷至4。經膨脹閥節流到點1，可見制冷劑的單位制冷量增加了Δq，壓縮機功耗不變，提高了循環效率。

圖3 系統循環的壓-焓圖

從系統運行原理可以看出，該空調系統屬于直接蒸發式制冷系統，相對效率較高，且負責區域小，水泵管路阻力損失比較小，同時又具有能量回收功能，因此除濕效率要遠高于使用中央冷水機組進行除濕的效率，且減少了能量的損失。

3 帶能量回收功能的恒溫恒濕空調系統節能效果實證研究

本節將以實際工作的某大型超市的冷凍冷藏系統作為該獨立恒溫恒濕空調系統的節能效果實例研究。

實測超市位于上海，處于地下一層，相對環境濕度為60%，化霜次數為6次，其冷凍冷藏陳列柜區域設備平均日耗電量見表3。

表3 冷凍冷藏陳列柜區域系統日耗電量清單

根據長期收集數據發現，濕度的變化對整體能耗影響較大，且從數據采集中心實際數據顯示，冷柜化霜次數明顯增加，能耗、化霜次數與濕度變化的關系如表4所示。圖4表示了能耗隨濕度變化的趨勢。需注明的是表4中數據是根據每天平均濕度得出的冷凍冷藏系統耗電量數據。

實測數據表明，當濕度從60%提高到70%時，首先整個陳列柜系統溫度將無法達到標準要求；其次，敞開式陳列柜系統由于滲透冷負荷影響較大，其能耗變化最大，能耗將增加20%以上，其它封閉式或半封閉式陳列柜系統由于滲透冷負荷的增加及除露化霜次數的增加，能耗約增加10%～15%。如濕度提高到80%，則整個冷凍冷藏系統總能耗將增加30%左右。由于超市內冷凍冷藏系統基本上為24 h工作，其耗能是相當可觀的。

表4 冷凍冷藏系統運行與能耗受濕度影響情況

圖4 冷凍冷藏系統能耗隨濕度的變化趨勢圖

上海等區域夏季濕度較高，超市冷凍冷藏陳列柜區域濕度普遍在60%～80%之間，如采用該帶能量回收系統的獨立恒溫恒濕空調系統對冷凍冷藏系統進行獨立制冷除濕，能將區域濕度控制在50%～60%乃至更低，將可降低約25%的能耗。假設該獨立空調系統把區域濕度從75%降低到55%，則保守估計可節電20%，結合表3的日平均耗電量值可推得平均每天可以節省耗電量為1,552.0 kW·h×20%=310.4 kW·h。由此可見，在冷凍冷藏陳列柜區域設置獨立制冷除濕設備的必要性及其節能的可觀性。

4 結論

本文在分析大型超市室內環境溫、濕度對冷凍冷藏陳列柜功耗影響的基礎上，提出在該區域設置一個獨立的具有能量回收的恒溫恒濕高效節能空調系統，降低了空調和制冷系統的整體能耗，達到節能的目的，并以一個應用實例驗證了其有效性。

[1]武俊梅,黃翔,顏蘇芊,等．敞開式陳列柜的主要節能措施[J].西北紡織工學院學報,2001,12(4): 74-79.

[2]余克志,丁國良,陳天及.陳列柜研究現狀及分析[J].制冷空調與電力機械,2004,25(1): 8-12.

[3]張文慧,龔毅,呂彥力.環境溫濕度對冷藏陳列柜空氣預冷器性能的影響[J].制冷學報,2008,29(6): 58-60.

[4]CHANDRASEKHARAN R,BULLARD C.Design tool for display case evaporators[J].ASHRAE Transactions,2005,16(1): 1071-1082.

[5]HOWELL R H.Calculation of the humidity effects on energy requirements of refrigerated display case[J].ASHRAE Transactions,1993,99(1): 667-678

[6]管天,陳天及.空氣相對濕度對陳列柜能耗影響的估算方法[J].冷藏技術,2005,12(4): 38-40.

Energy Saving Research for the Supermarkets Based on Constant Temperature and Humidity Air Conditioning System with Energy Recovery

LI Shuai-qi*,JIN Xin-qiao
(School of Mechanical and Power Engineering,Shanghai Jiao Tong University,Shanghai 200240,China)

It is found that the temperature and humidity of the surrounding air have significant impacts on the energy consumption of the freeze and refrigerate cabinets in the supermarkets.The heat-recovery-based constant temperature and humidity air conditioning system is proposed to reduce the energy consumption of the refrigeration and air conditioning system in the supermarkets.A case study is carried out and the results show that the proposed system is feasible for the supermarkets since it can significantly reduce the energy consumption of the system.

Supermarket;Air conditioning system;Freeze and refrigerate cabinet area;Constant temperature and humidity;Energy saving

10.3969/j.issn.2095-4468.2014.06.202

*李帥琦(1980-)，男，在讀在職研究生。研究方向：動力工程。聯系地址：上海市瞿溪路1072弄1號907室，郵編：200023。聯系電話：13817068285。E-mail：mikelee1728@163.com。