適用于疫苗低溫保存冷庫的空氣壓縮制冷系統性能研究

王 勤 張靖鵬 羅介霖 李勇華 王 輝

(1 浙江大學制冷與低溫研究所 浙江省制冷與低溫技術重點實驗室 杭州 310027；2 中國船艦研究設計中心 武漢 430064)

空氣作為空氣壓縮制冷系統的制冷劑，無毒無味，不燃燒不爆炸，來源充足且環境性能優良。因此，空氣壓縮制冷系統運行安全可靠，同時系統結構緊湊，制冷量及用冷溫度易于調節，因而被廣泛關注[1]。

蘇兵等[7-8]對制冷溫度范圍為-120～-70 ℃的開式空氣制冷系統進行了實驗性能測試，研究了系統性能與部件性能(如回熱器效率、膨脹機效率)、系統參數(如制冷溫度等)的關系，發現對特定設計工況存在最優壓比使系統性能獲得最佳值。S. K.Tyagi等[9]對帶回熱器的再熱式逆布雷頓循環進行了建模研究，采用有限熱力學的方法研究了最大輸出功和最大效率工況下各部件的運行狀況。趙碩等[10-12]搭建了低溫空氣速凍系統，實驗研究了回熱器對循環性能的影響，在膨脹機出口溫度為-50 ℃時可以獲得4 kW的制冷量。他們還研究了不同回熱流程對膨脹機進口空氣含濕量的影響。何升等[13]研制了空氣循環制冷實驗臺，最低制冷溫度可達-86 ℃，可在20 min內降溫至-30 ℃，同時可以獲得6 kW的制冷量。

雖然目前空氣制冷的研究已獲知一些設計參數(如制冷溫度)及部件效率(膨脹機、回熱器)等對性能的影響，但一些實際的因素如空壓機總壓、送風壓差，特別是環境溫度對性能的影響尚較少見于文獻，而在冷庫的實際應用中，這些因素的影響至關重要。

現代醫療保存技術需要較低的溫度(-40 ℃以下)，單級壓縮蒸氣制冷循環受壓比和制冷劑物理特性的限制，兩級壓縮又受到蒸發壓力過低和制冷劑凝固點的限制，而多級壓縮和復疊式制冷循環系統過于復雜，維護、維修困難[14]。空氣制冷循環系統雖然在普通制冷空調領域COP明顯低于蒸氣壓縮制冷系統，但在-80～-50 ℃范圍內兩者相差較小，系統卻簡單得多[15]，同時無需除霜過程。將空氣制冷系統應用于低溫冷庫中，與傳統的蒸氣壓縮制冷裝置相比，具有節能環保與可靠的雙重優勢[16]。

例如，不同種類和功能的疫苗需要在不同溫度下貯藏，所需的貯藏溫度范圍較廣：如一般的甲肝、乙肝疫苗貯藏溫度為2～8 ℃，輝瑞& BioNTech新冠病毒疫苗需要-70 ℃[17]的長期貯藏溫度。除了貯藏溫度外，疫苗冷庫的溫度波動會對疫苗的品質產生較大影響，一般要求溫度波動度<±2 ℃[17]，溫度波動越小，疫苗儲存效果越好。對疫苗儲存溫度波動有較大影響的因素有環境溫度變化[18]和系統除霜過程[19]等。

目前的疫苗冷庫系統主要采用蒸氣壓縮式制冷系統[20]，對于2～8 ℃和-20 ℃疫苗冷庫采用單級蒸氣壓縮系統。對于-70 ℃疫苗冷庫，一般采用復疊式制冷系統。此外，也有用于-70 ℃的液氮冷庫。疫苗的運輸一般采用保溫箱(蓄冷或主動制冷)、冷藏車(機械制冷、液氮系統、蓄冷系統)和冷藏集裝箱(機械制冷)。

隨著新冠疫情的肆虐，亟需高效、穩定可靠的疫苗冷庫用于大批量低溫保存和運輸，而空氣制冷系統采用安全環保且來源充沛的空氣作為制冷劑，具有制冷劑可就地取材、泄漏后易補充的優勢，同時規避了蒸發器除霜問題。因此，空氣制冷系統的可靠性和穩定性都很高，在-70 ℃溫區具有較為優越的綜合性能，特別適用于疫苗運輸的冷藏車和冷藏集裝箱等冷鏈物流的疫苗冷庫中。然而，在-70 ℃疫苗冷庫的研究中，目前還未見采用空氣制冷系統方面的研究文獻，對其應用潛力缺少全面的評估。

本文以-70 ℃庫溫(用于低溫疫苗冷庫)的工況為例，研究了環境溫度對空氣制冷循環的影響，并與蒸氣壓縮制冷系統進行了對比。此外，還給出了實際應用中較為重要的參數(空壓機壓比、回熱器夾點溫差、送風壓差)對空氣制冷循環的影響規律，為空氣制冷系統的設計和應用提供參考。

1 系統方案設計與模型

1.1 系統方案設計

疫苗冷庫主要由空氣制冷系統、庫房系統和測控系統組成，冷庫的系統流程如圖1所示。

圖1 疫苗冷庫空氣制冷系統流程圖Fig.1 Vaccine cold storage air refrigeration system

空氣進入空壓機后被壓縮至高壓狀態儲存于氣罐中，當需要被使用時氣罐打開，空氣在常溫下經過過濾器D1粗濾，濾去空氣中的粉塵等雜質以免造成后續過程的管路堵塞，在換熱器E中空氣被由工作空間(即庫房)中返回的冷氣預冷至露點之下，排除空氣中的部分水分，避免在降溫過程由于結冰導致管路堵塞，預冷后的空氣經過由過濾器D2/D3和空氣干燥器F組成的過濾干燥裝置進一步降低雜質和水分含量。在流量計G和減壓閥H的控制下，預冷后的空氣以一定的流量和壓力輸出至膨脹機I，通過膨脹過程空氣降壓降溫至庫房系統所需的最低溫度，隨后進入庫房實現冷卻功能，排風攜帶的冷量可用于空氣的預冷環節，回收冷量。膨脹機做功可通過同軸用于空壓機壓縮或用于發電回收電能。最后空氣被空氣壓縮機再次吸入，完成整個制冷循環。其中，冷庫送風和排風應保證冷庫內具有一定正壓，以防止外界空氣從門封等進入。因此，在空氣壓縮機的吸氣口設置了連通大氣的排氣口和進氣口，以保證空氣壓縮機吸氣口的壓力維持在穩定范圍。故整個系統總體上是半開式的，基本屬于閉式系統。系統中設有多個壓力傳感器和溫度傳感器，可對制冷過程進行檢測和自動控制。

1.2 空氣制冷系統熱力學模型

疫苗冷庫的空氣制冷系統熱力循環如圖2所示。

圖2 疫苗冷庫的空氣制冷系統熱力循環圖Fig.2 Thermodynamic cycle diagram of the air refrigeration system of the vaccine cold storage

1.3 假設條件

對于空氣制冷循環熱力學計算，假設條件如下：

1)給定環境溫度TH；

2)給定庫溫T0；

3)空壓機采用三級壓縮，1點為進口空氣狀態點，絕熱壓縮至2、2′、2″點，每一級壓縮后都將空氣等壓冷卻至T3；

4)空氣進入回熱器被等壓冷卻至T4后進入膨脹機，忽略回熱器的漏熱；

5)膨脹機中為絕熱膨脹；

6)從膨脹機出來的空氣T5進入冷庫；

7)冷庫中的氣體T6進入回熱器，等壓升溫至T1進入空壓機，忽略回熱器的漏熱及各換熱器阻力，送風壓差給定。

1.4 熱力學模型

空氣制冷循環的計算過程：

空壓機進口溫度：

T1=T3-ΔT

(1)

冷卻器出口溫度：

T3=TH+15

(2)

冷卻器按能把空壓機出口空氣冷卻至高于環境溫度15 ℃設計。

每一級空壓機的壓比：

Π3=p2″/p1

(3)

壓縮機出口焓：

h2=h1+(h2s-h1)/ηc

(4)

膨脹機進口壓力：

p4=p2″

(5)

膨脹機進口溫度：

T4=T6+ΔT

(6)

膨脹機出口焓：

h5=h4+(h5s-h4)ηe

(7)

膨脹機出口壓力：

p5=p6+Δp

(8)

每千克空氣在冷庫中的吸熱量即為單位質量空氣的制冷量：

q0=h6-h5=cp(T6-T5)

(9)

由此也可以根據空壓機吸氣口的空氣密度ρ1得到單位容積制冷量：

qv=q0/ρ1

(10)

給定負荷Q0，空氣質量流量：

m=Q0/q0

(11)

所需空壓機排量：

Vm=m/ρ1

(12)

壓縮機功耗：

Wc=m(h2-h1)=mcp(T2-T1)

(13)

膨脹機做功：

WT=m(h3-h4)

(14)

循環凈功：

Wnet=Wc-WT

(15)

循環COP：

COP=Q0/Wnet

(16)

逆卡諾循環效率：

ηC=(273.15+T0)/(TH-T0)

(17)

1.5 計算模型的檢驗

在進行計算分析之前，為了保證計算分析的可靠性，根據現有實驗及模擬文獻的條件使用模型進行計算，并將計算結果與文獻結果進行對比。

由表1可知，文獻中的實驗與理論計算結果與本模型在相同條件下計算出的COP偏差小于5%。因此，證明熱力學模擬可以準確地預測空氣制冷循環的性能。

表1 計算模型的驗證[21-22]Tab.1 Validation of calculation model[21-22]

2 空氣制冷系統穩態性能分析

根據以上空氣制冷系統熱力學模型，對影響系統性能的主要變量：庫溫T0、環境溫度TH、總壓比θ、回熱器夾點溫差ΔT、送風壓差Δp進行系統穩態性能分析。

給定具體的分析條件如下：

1)庫內壓力p0=101.3 kPa；

2)選用3臺無油螺桿壓縮機進行三級空氣壓縮，等熵效率ηc均為0.7；

3)渦輪膨脹機等熵效率ηe=0.7；

4)空壓機吸氣壓力p1=100.3 kPa。

參考文獻及試算結果，給定了基準工況的主要變量及假設值如表2所示。取60 kW的熱負荷工況進行計算。

表2 空氣制冷性能模擬基準工況Tab.2 Air refrigeration performance simulation benchmark conditions

根據冷庫用戶需求，確定T0、TH、θ、ΔT、Δp等主要變量在系統穩態性能分析中在合理范圍內變化。

在穩態性能分析中，僅改變T0、TH、θ、ΔT、Δp中基準工況的一個參數，固定其它4個參數不變，確定COP、qv、Vm及T5的變化趨勢。

常規冷庫所用雙級復疊式制冷系統作為對比，計算假設條件如表3所示。

表3 雙級復疊式制冷系統性能模擬基準工況Tab.3 Two-stage cascade refrigeration performance simulation benchmark conditions

2.1 總壓比對系統循環性能的影響

對于空氣制冷系統，壓縮機的總壓比是影響性能的關鍵因素之一。壓縮機的壓比會影響COP和制冷量，同時還會受到最高壓力限制及排氣溫度限制。

固定基準工況中的T0、TH、ΔT、ΔP不變，僅改變θ，得到不同θ下COP和qv、Vm和T5的變化，分別如圖3及圖4所示。

圖3 COP、qv隨θ的變化Fig.3 Variations of COP and volumetric cooling capacity with pressure ratio

圖4 Vm、T5隨θ的變化Fig.4 Variations of air flow and expander exhaust temperature with pressure ratio

由圖3和圖4可知，隨著θ的增大，COP不斷減小，在θ最小時具備最大COP，但此時qv小，空氣流量較大，所需的設備較大。目前的商用無油螺桿空壓機排氣壓力大多為0.7～1.3 MPa。為減小設備，并在一定程度上保證COP，壓縮機排氣溫度又不至于過高，同時空壓機壓比與膨脹比是相等的，考慮到商用膨脹機的膨脹比限制，將θ定在8，采用三級壓縮的空壓機較為合適。

2.2 庫溫對系統循環性能的影響

固定基準工況中的θ、TH、ΔT、Δp不變，僅改變T0，得到不同T0下COP與qv的變化，分別如圖5和圖6所示，圖6同時給出了復疊式制冷的COP和qv隨T0的變化。

圖5 兩種制冷系統的COP隨T0的變化Fig.5 Variations of COP for the two refrigeration system with storage temperature

圖6 兩種制冷系統 qv隨T0的變化Fig.6 Variations of volumetric cooling capacity for the two refrigeration system with storage temperature

由圖5可知，隨著T0的減小，空氣制冷與復疊制冷的COP與qv均不斷減小。但空氣制冷系統的COP與qv隨T0降低的減小程度相比于復疊式制冷更小。在蒸發溫度較高時，空氣制冷的COP明顯小于蒸氣壓縮制冷，而T0為-70 ℃時空氣制冷的COP相比于復疊制冷差距縮小至25.8%，已接近復疊制冷的COP水平。

因此，空氣制冷系統可作為-70 ℃新冠疫苗冷庫潛在的較優選擇，因為空氣作為制冷劑具有安全環保、來源充沛且可就地取材的優點，特別適用于疫苗運輸的大型冷藏車和冷藏集裝箱等冷鏈物流設備。

2.3 環境溫度對系統循環性能的影響

保持固定基準工況中的θ、T0、ΔT、Δp不變，僅改變TH，得到不同TH下COP和qv的變化，如圖7所示。

圖7 兩種制冷系統的COP隨TH的變化Fig.7 Variations of COP for the two refrigeration system with ambient temperature TH

隨著TH升高，T1升高，COP降低，T2升高，導致冷卻器負荷增加，壓縮機功耗增大，工況越不利。因此TH升高會影響空氣壓縮機的運行，在高溫下需做好設備的冷卻，避免設備在高溫下運行，對系統長期安全穩定運行尤為重要。

TH變化，由于回熱器冷端進口溫度恒為-20 ℃，回熱器的熱端出口溫度為-15 ℃，即對膨脹機的運行工況沒有影響，膨脹機的出口溫度恒為-95.1 ℃，即冷庫進出口的狀態參數恒定(進出口焓差恒定)，但壓縮機吸氣口的空氣密度會下降(每升高10 ℃，降低3%)。而制冷量最終為空壓機排量、吸氣口密度與冷庫進出口空氣焓差的乘積。因此，TH的上升會帶來制冷量的下降。

對于圖7和圖8所示的復疊式制冷系統工況，當TH上升10 ℃(由30 ℃升至40 ℃)，COP降低15%，qv降低8%；而空氣制冷系統COP降低5%，qv下降3%(吸氣密度下降導致)。

圖8 兩種制冷系統qv隨TH的變化Fig.8 Variations of volumetric cooling capacity for the two refrigeration system ambient temperature

因此，空氣制冷系統qv、COP隨冷凝溫度變化均遠小于復疊式制冷系統，因此在應對環境變化時的性能穩定性較好，不易使庫溫產生較大波動，這對疫苗的儲存是非常有利的。

2.4 回熱器夾點溫差對系統循環性能的影響

在空氣制冷系統中，回熱器的換熱也會影響其循環性能。保持固定基準工況中的θ、T0、TH、Δp不變，僅改變ΔT，得到不同ΔT下COP和qv的變化，如圖9所示。

圖9 COP和qv隨ΔT的變化Fig.9 Variations of COP and volumetric cooling capacity with pinch point temperature differences of regenerators

隨著ΔT減小，回熱器的回熱效果變差，循環COP提高，qv增加。所以，ΔT越小，換熱效果越好，循環性能越優。但ΔT的減小需要增加回熱器換熱面積，會帶來成本和空間上的增加，在合適的成本及空間允許的范圍內，可以適當增加回熱器面積以減小夾點溫差。

2.5 送風壓差值對系統循環性能的影響

在冷庫中，需要保持一定的送風壓差保持正壓以防止倒流。送風壓差也會在一定程度上影響循環性能。

保持固定基準工況中的θ、T0、ΔT、TH不變，僅改變Δp，得到不同Δp送風壓差下COP和qv的變化，如圖10所示。

圖10 COP、 qv隨Δ p的變化Fig.10 Variations of COP and volumetric cooling capacity with supply air pressure difference

由圖10可知，隨著Δp的增大，COP降低，qv降低，空氣流量增大，工況越不利。

而對于空氣制冷系統，空氣本身作為制冷劑，提高Δp需要提高膨脹機的出口壓力，這會提高膨脹機出口溫度(即冷庫送風溫度)，減少制冷量。即對于空氣系統，提高Δp是以犧牲系統性能為代價的。因此，在滿足庫內正壓的情況下，需要盡可能地減小Δp。疫苗這類藥品對溫度的均勻性要求很高，需要采用送風管道對貨架送風或孔板送風，這需要適當增加Δp以克服管道阻力，會一定程度上降低性能。

而采用復疊式制冷系統的冷庫，空氣與制冷劑是不同的流路，Δp需要由風機額外提供，也會增加較大的風機功耗。此外，該類風機設備在-70 ℃低溫環境下的運行需要進行特殊設計，并將電動機置于冷庫外，會給復疊式制冷系統的制造和維護帶來困難。

綜合分析，空氣制冷系統可以通過調節出氣狀態來改變送風壓差，雖然會一定程度上犧牲一定的制冷性能，但相比于復疊式制冷系統，減少了風機設備成本與功耗，在結構和調節上更加簡單。

3 結論

本文研究了適用于-70 ℃疫苗冷庫的空氣制冷系統性能，得到了環境溫度、庫房溫度和若干重要設計參數(空壓機壓比、回熱器夾點溫差、送風壓差)對空氣制冷系統的影響規律，并與蒸氣壓縮復疊式制冷系統進行了對比。得到結論如下：

1)環境溫度為35 ℃時，采用三級壓縮(總壓比為8)和回熱器(夾點溫差為5 ℃)的空氣制冷系統在庫溫-70～10 ℃范圍內的COP為0.23～0.38，基本呈線性變化。庫溫為-70 ℃時，在相同的環境溫度及換熱器夾點溫差條件下，空氣制冷系統比復疊式制冷系統COP小25.8%。由于空氣作為制冷劑具有安全環保且可就地取材的優點，非常適用于疫苗運輸的冷藏車和冷藏集裝箱等長途冷鏈物流設備。-90 ℃或更低溫區的冷庫，采用空氣制冷系統的優勢更加顯著，值得進一步探索。

2)空氣制冷系統的制冷量和COP受環境影響小。環境溫度升高10 ℃時COP僅降低5%，制冷量下降3%，變化程度遠小于復疊式制冷循環。因此環境的變化對采用空氣制冷系統的疫苗冷庫的庫溫波動影響很小，同時沒有除霜過程造成的庫溫波動，非常有利于疫苗儲存。

3)空氣制冷系統可以通過調節出氣狀態來改變送風壓差，對疫苗冷庫進行均勻送風，送風壓差越高，COP與制冷量越小。雖然提高送風壓差會影響制冷系統性能，但相比于復疊式制冷系統減少了風機設備成本與功耗，結構更加簡單，調節更加方便。

符號說明

cp——定壓比熱容，kJ/(kg·℃)

h1、h2——空壓機入、出口焓，kJ/kg

h2 s——等熵壓縮的出口焓，kJ/kg

h4、h5——膨脹機入、出口焓，kJ/kg

h5 s——等熵膨脹的出口焓，kJ/kg

h6——冷庫空氣的出口焓，kJ/kg

m——空氣質量流量，kg/s

p1——第一級空壓機吸氣口壓力，kPa

p2″——空壓機三級壓縮后的排氣口壓力，kPa

p4——膨脹機進口壓力，kPa

Δp——空氣從膨脹機出口至冷庫的送風壓差，kPa

qv——單位容積制冷量，kJ/m3

q0——單位質量制冷量，kJ/kg

Q0——冷庫負荷，kW

T0——冷庫庫溫，℃

TH——環境溫度，℃

T1、T2——空壓機進、出口溫度，℃

T3——空壓機排氣冷卻后溫度，℃

T4、T5——膨脹機進、出口溫度，℃

T6——冷庫出口空氣溫度，℃

ΔT——回熱器夾點溫差，℃

Vm——空壓機排量，Nm3/min

Wc——壓縮機功耗，kW

WT——膨脹機做功，kW

Wnet——循環凈功，kW

Π——空壓機壓比

θ——三級空壓機總壓比

ηc——空壓機的等熵效率

ηC——逆卡諾效率

ηe——膨脹機的等熵效率

ρ1——空壓機吸氣口密度，kg/m3