基于相變蓄冷技術的冷庫供冷系統性能分析

摘 要：針對現有冷庫能耗高的問題，本研究提出了一種基于相變蓄冷技術的冷庫供冷系統，通過在電價較低的谷電時段利用蓄冷設備儲存冷量，在電價較高的尖電時段釋放冷量。對系統冷負荷、蓄冷量、相變材料的用量及流量等關鍵參數進行了設計計算，并開展了系統運行性能分析。結果表明，與傳統風冷直冷型冷庫系統相比，該系統在尖峰時段的日均用電量降低了88.6%，高峰時段降低了81.9%，日均用電量節能率高達18.69%，同時日均電費成本降低了46.72%。此外，壓縮機的日均啟停次數減少了72.48%，系統運行的穩定性得到了改善，有效延長了設備的使用壽命，降低了維護成本，在增強系統穩定性、降低能耗和運行成本方面具有明顯優勢。

關鍵詞：冷庫；相變蓄冷；系統設計與計算；電費成本；壓縮機啟停頻次

中圖分類號：TK124 文獻標志碼：A 文章編號：1008-1038（2024）05-0027-06

DOI：10.19590/j.cnki.1008-1038.2024.05.005

Performance Analysis of Cold Storage Cooling System Based on Phase Change Thermal Energy Storage Technology

TONG Shanhu1， LIAO Liangjin1， LI Zixiao1， HU Xiaowei1， WANG Da2*， YANG Xiangzheng2

（1. CRRC Shijiazhuang Co， Ltd.， Shijiazhuang 050000， China; 2. Jinan Fruit Research Institute， All-China Federation of Supply and Marketing Cooperatives， Jinan 250000， China）

Abstract： To address the issue of high energy consumption in existing cold storage facilities， this study proposed a cold storage cooling system based on phase change thermal energy storage technology. The system stored cold energy during off-peak hours when electricity prices were low and releases it during peak hours when electricity prices were high. This paper designed and calculated key parameters such as system cooling load， cold storage capacity， phase change material usage， and flow rate， and conducted a performance analysis of the system's operation. The results showed that compared to traditional air-cooled direct cooling systems， this system reduced daily average electricity consumption by 88.6% during peak hours and 81.9% during high-peak hours， with an energy-saving rate of 18.69%. Additionally， the daily average electricity cost was reduced by 46.72%. Furthermore， the daily average number of compressor startups was decreased by 72.48%， improving the system’s stability， effectively extending the service life of equipment， and reducing maintenance costs. This system had significant advantages in enhancing system stability， reducing energy consumption， and lowering operating costs.

Keywords： Cold storage; phase change thermal energy storage; system design and calculation; electricity cost; compressor start-stop frequency

近年來，隨著我國居民消費水平的不斷提升，冷鏈物流市場規模持續擴大，加之國家層面冷鏈政策的積極推動，冷庫作為冷鏈物流的關鍵基礎設施，其建設與發展速度明顯加快。冷庫的能耗較高，電費支出在冷庫運營成本中占據較大比重[1-2]。為解決電力系統晝夜供需不平衡的問題，我國相關部門提出了峰谷電價政策，要求峰谷電價差原則上不得低于4∶1[3]。在這一背景下，相變蓄冷技術以其獨特的相變儲能原理，不僅可以有效調節峰谷電力資源，還能減少恒溫庫制冷壓縮機的啟停次數，從而降低能耗[4-5]。

與傳統風冷式制冷系統相比，相變蓄冷技術在節能降耗、降低運行成本以及提高系統穩定性等方面具有明顯優勢[6]，近些年相關學者圍繞蓄冷劑、蓄冷傳熱機理、結構優化開展了系列研究。Mousazade等[7]研究了在冷藏車中加入具有不同共晶PCM（E-26、E-29和E-32）的冷板，得出E-26型的PCM可以在其融合時間內提供最高的行程距離（491 km），用于110 km/h的高速卡車。由于相變材料的導熱率很低，Usman等[8]通過添加納米顆粒或多孔介質提高了復合材料的導熱性，但多次循環后可能出現相變材料儲能密度大幅下降和相分離等問題。Yagci等[9]研究了不同肋片長度比對管殼式相變單元蓄冷釋冷性能的影響，當肋片長度比減小時，相變材料的熔化時間縮短了21%。Jiang等[10]研究得出隨著載冷劑溫度的降低與換熱管間距的減小，凍結時間逐漸縮短，且載冷劑溫度降低對凍結時間的影響要遠小于換熱管直徑減小的影響。胡時發等[11]得出加環形熱管的蓄冷箱可以有效解決箱體內溫度波動大、均勻性差等問題，其中四層環形熱管的效果最好。

目前，對于蓄冷冷庫性能分析相關的研究較少[12-13]。因此，針對相變蓄冷技術的特點，本文就冷庫供冷系統技術展開研究，對于優化冷庫能源結構、降低運營成本、提升系統運行效率具有重要意義，以期推動冷鏈物流行業的可持續發展。

1 冷庫供冷系統組成及原理

1.1 系統組成

基于相變蓄冷技術的冷庫供冷系統由制冷模塊、蓄冷模塊及釋冷模塊組成（見圖1）。

制冷模塊主要包含壓縮機、冷凝器、儲液器、膨脹閥、殼管式蒸發器等制冷元件，用于制取低溫乙二醇水溶液，以滿足蓄冷箱蓄冷和庫體控溫供冷需求。蓄冷模塊主要由循環泵、蓄冷箱、管件、閥件、相變材料組成，其中，蓄冷箱內填充相變材料和布置高效換熱盤管。蓄冷時，制冷模塊制取低溫乙二醇水溶液通過循環泵送入蓄冷箱，與相變材料進行熱交換，使相變材料發生液/固相變，實現冷量存儲。釋冷時，乙二醇水溶液與相變材料進行熱交換，使相變材料發生固/液相變，并降低乙二醇水溶液，通過循環泵輸送至釋冷模塊釋放冷量，實現冷庫降溫。釋冷模塊主要由冷風機、管件、閥件組成。循環泵將低溫乙二醇水溶液送入冷風機，風機盤管與庫體進行熱交換，為庫體提供冷量，滿足庫內物品的冷藏或冷凍需求。智能電控模塊負責整個系統的控制和管理，包括溫度監測、啟停控制、運行參數調節、系統控制等功能。通過智能電控模塊的協調控制，系統可以根據谷峰電價變化自動切換制冷和蓄冷/釋冷模式，實現冷庫供冷系統的節能降耗。

1.2 工作原理

根據圖2所示的用電策略，在夜間電價低谷時段，制冷壓縮機啟動運行，將制冷量轉移至蓄冷裝置中。此時，蓄冷裝置內的相變材料吸收冷量并經歷相變過程，儲存冷量。在晝間電價高峰時段，制冷壓縮機停止運行，蓄冷裝置則釋放先前儲存的冷量。通過載冷劑風機的輔助，將冷量分布至冷庫內部，維持冷庫所需的恒定溫度。這種策略有效降低了電力高峰期的用電需求，顯著提高了能源利用效率，降低了冷庫的運營成本。

2 系統關鍵參數的設計和計算

2.1 負荷參數計算

在設計高效能源利用的冷庫系統過程中，精確計算冷庫負荷成為一項至關重要的任務。冷庫負荷定義為在單位時間內，為保持冷庫內部溫度而必須移除的熱量總量。這一參數的計算復雜且多變，不僅涉及冷庫內存儲貨物的種類與數量，還緊密關聯到冷庫的保溫效能、結構體積、周圍環境溫度以及使用頻次等多方面因素[14-15]。因此，準確評估冷庫負荷對于決定適宜的制冷系統配置、優化能源效率以及控制運行支出具有決定性意義。

本研究設計的冷庫供冷系統采納了先進的相變蓄冷技術，該技術通過在谷電時段存儲冷能，并在峰電釋放，達到提高能源利用效率的目的。為了確保系統設計的科學性和實用性，負荷計算依據《GB 50072—2021 冷庫設計標準》[15]、《GB 50736—2012 民用建筑供暖通風與空氣調節設計規范》[16]以及《JGJ—158—2018 蓄能空調技術標準》[17]等相關國家和行業規范進行了蓄冷與釋冷周期逐時負荷、制冷機組制冷量及風機制冷量計算。本文以容積為3 200 m3的3～6 ℃的冷藏庫為例，其負荷計算結果如表1所示。

2.2 蓄冷量計算

將相變蓄冷技術應用于冷庫供冷系統的設計中，蓄冷量的準確計算是實現高效能源利用的關鍵環節，不僅直接關系到系統初始投資的經濟性評估，而且對優化系統設計、設備選型、實現成本與能源的雙重節約具有至關重要的意義[18]。蓄冷量是通過蓄冷過程中相變材料吸收的總冷量。該蓄冷量應與制冷機組在標定狀態下的冷量，以及制冷機組在制冰工況下的實際運行時間有關，計算公式如式（1）所示。

QI/（kW·h）＝CP×IH×CCR（1）

式中，QI為蓄冷量，kW·h；CP為制冷機組標定制冷量，kW；IH為制冰工況運行時間，h；CCR為制冰工況制冷能力變化率，一般取0.65～0.7。

根據冷庫的實際負荷需求，設計出足夠的蓄冷量，確保在峰電時段能夠通過釋冷模塊有效降低庫內溫度，并維護冷鏈物品的貯藏條件。根據公式（1），容積為3 200 m3的3～6 ℃的冷藏庫的蓄冷量計算結果為4 917.28 kW·h。

2.3 相變材料用量設計計算

在設計基于相變蓄冷技術冷庫供冷系統時，合理確定相變材料用量是確保系統高效運行的核心。本系統對相變材料的用量進行設計計算，以保證蓄冷裝置能夠滿足谷電蓄冷、峰電用冷的需求[19]。按公式（2）計算。

m/kg=（2）

式中，m為蓄冷相變材料用量，kg；H為相變材料的潛熱，kJ/kg；η為蓄冷裝置轉化效率，0.7。

設計計算的過程中還需要考慮到系統在實際運行時，由于外部因素（如環境溫度波動等）影響，相變材料可能無法完全達到理論計算值。因此，設計時應留有適當的余量，以保證系統在不同環境下的穩定運行，確保冷庫內部溫度符合貯藏要求。根據公式（2），容積為3 200 m3的3～6 ℃的冷藏庫的相變材料用量為12 158.11 kg。

2.4 流量參數設計計算

在冷庫供冷系統中，確保冷量傳遞效率是設計的關鍵之一。流量參數的設計直接關系到蓄冷系統和釋冷系統的換熱效率，進而影響整個系統的能耗和效率[20-2２]。為了計算載冷劑的循環流量，需首先確定系統的換熱量。換熱量是冷庫在單位時間內的制冷需求，如公式（3）所示。

V/（m3·h－１）＝" " " " " "（3）

式中，V為載冷劑的循環流量，m3/h；Qh為設備換熱量，kW；？籽為載冷劑密度，kg/m3；ΔT為進出口溫差，℃；Cp為載冷機的比熱，kJ/（kg·℃）。

在工程應用中，載冷劑密度？籽和比熱Cp可根據所使用的乙二醇水溶液的比例和相關數據手冊進行確定。進出口溫差ΔT根據系統設計時設定的溫度范圍確定。通過這些參數的計算，可以為系統設計提供精確的流量數據，確保系統在不同情況下的高效運行，同時降低能耗，實現節能降費的目的。此外，通過智能控制系統對循環流量進行動態調節，可根據冷庫內部實際需求和外界氣候變化，實現冷量的優化分配，進一步提高能效比和經濟性。根據公式（3），容積為3 200 m3的3～6 ℃的冷藏庫的流量設計參數為20.5 m3/h。

2.5 靜態投資回報期

在分析和設計基于相變蓄冷技術的冷庫供冷系統時，評估經濟效益是一個不容忽視的環節。靜態投資回報期是衡量投資收益和風險的重要指標，其核心目的在于計算投資成本回收的時間長度[2３-2４]。具體來說，靜態投資回報期是指蓄冷空調系統相比于傳統系統能夠帶來的年節約電費與額外投資成本之間的比率[2５]，根據公式（4）計算。

TT/年="（4）

式中，TT為靜態投資回報期，年；CTY為蓄冷空調的總投資，萬元；CTW表示無蓄冷空調的總投資，萬元；ΔVYT表示無蓄冷空調年運行電費與蓄冷空調運行電費值差，萬元/年。

通過該公式所得的結果可以明確投資回報時間，并為后續的財務決策提供定量依據。從長遠角度來看，蓄冷系統雖然初期投資較高，但由于其運行成本低，因此在一定周期后能夠實現成本的有效節省，并逐步實現投資回報。根據上述公式（4），容積為3 200 m3的3～6 ℃的冷藏庫的靜態投資回報期設計為4.85年。

3 實驗應用效果分析

為驗證基于相變蓄冷技術的冷庫供冷系統的節能降費效果，進行了實驗對比。實驗在一個容積為3 200 m3的冷藏庫進行，持續時間為一年，每隔7 d切換一次傳統風冷直冷制冷系統與基于相變蓄冷技術的冷庫供冷系統進行比較。實驗條件包括維持冷庫溫度在3～6 ℃，使用一個智能電表進行電能消耗監測，并按照給出的分時電價政策計算電費（如表2所示）。實驗設備包括一套配備溫度傳感器的傳統風冷直冷制冷系統和一套配有溫度傳感器的基于相變蓄冷技術的冷庫供冷系統。

3.1 溫控性能對比分析

由表3可知，兩臺設備的溫控性能均能滿足3～6 ℃的溫控要求，符合溫控目標。然而，傳統風冷直冷機組由于蒸發溫度過低需要頻繁化霜，導致蒸發器表面溫度升高，在冷藏要求為2～8 ℃下，頻繁出現超過此溫度范圍的超溫現象。相比之下，蓄冷機組雖然也出現了超溫現象，主要因為外界環境溫度超出設計溫度，但其超溫次數較傳統風冷直冷機組大幅減少，表明在溫度控制方面的相對穩定性。

3.2 分時段用電對比分析

對比統計分析兩套系統在尖峰、高峰、平電、低谷時段的日均用電量（如圖3所示）。分析結果表明，采用蓄冷供冷方式，尖峰時段的日均用電量顯著降低，從62.749 kW·h降至7.940 kW·h，降幅達88.6%。同樣，在高峰時段，日均用電量也從118.041 kW·h降至21.288 kW·h，降幅達81.9%。這一顯著改善有效實現了錯峰用電，降低了電力高峰期的需求，對電網的平穩運行和能源效率的提升具有重要意義[25]。

3.3 日均能耗、日均運營電費、啟停頻次對比分析

結合峰谷電價差異，研究對比分析了兩種系統的日均用電量、電費，以及壓縮機的啟停次數，以評估節能效果和經濟效益。如圖4所示，通過優化設計，系統的日均用電量從430.625 5 kW·h顯著降低至350.125 5 kW·h，節能率高達18.69%。同時，日均電費成本也顯著降低，從371.679元減至198.013元，節省了46.72%的電費，這一顯著的降幅彰顯了系統優化的經濟效益。此外，系統運行的穩定性亦得到了改善，壓縮機的日均啟停次數從28.53次減少至7.85次，減少了72.48%，有效延長了設備的使用壽命，并降低了維護成本。統計結果不僅證明了采用峰谷電價策略后系統運行效率的提升，也突顯了在運行成本控制和設備維護方面的雙重優勢。

4 結論

本研究圍繞相變蓄冷技術在冷庫供冷系統中的應用展開，通過與傳統風冷制冷系統的理論與實驗對比分析，結果表明，首先，精確的冷庫負荷、蓄冷量、相變材料用量、流量參數和靜態投資回報期計算為相變蓄冷技術在冷庫應用提供了科學的設計方法和操作指導。其次，實驗結果表明，采用相變蓄冷技術的冷庫在高需電量時段顯著降低了用電量，分別在尖峰和高峰時段達到88.6%和81.9%的電量減少，有效地實現了錯峰用電，從而降低了運營成本并提高了能源利用效率。此外，相變蓄冷技術還提升了冷庫的溫控效果，降低了制冷機組的啟停頻率，延長了設備的使用壽命并降低了維護成本。此項研究不僅為冷鏈物流行業的綠色發展和能源結構優化提供了重要的理論和實踐支持，而且為未來相變蓄冷技術在更廣泛領域的應用及系統能效和經濟性的進一步優化提供了研究基礎。

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收稿日期：2024-01-17

基金項目：山東省重點研發計劃項目（2022TZXD0022）

第一作者簡介：童山虎（1986—），男，高級工程師，碩士，主要從事蓄冷冷鏈裝備產品開發及管理工作

*通信作者簡介：王達（1991—），男，副研究員，博士，主要從事智慧低碳冷鏈裝備研究與應用工作