冷庫(kù)節(jié)能技術(shù)的探討

仲維勤

(中國(guó)制冷學(xué)會(huì),北京100142)

1 引言

近些年,隨著速凍食品工業(yè)及冷鏈物流業(yè)的發(fā)展,國(guó)內(nèi)冷庫(kù)有了很大的發(fā)展,同時(shí),隨著國(guó)家對(duì)節(jié)能減排的日益重視以及整個(gè)世界對(duì)于綠色節(jié)能的追求,在冷庫(kù)的設(shè)計(jì)和運(yùn)行中采取一些新的節(jié)能技術(shù)和理念顯得越發(fā)重要。結(jié)合冷庫(kù)發(fā)展的一些最新技術(shù)和趨勢(shì),對(duì)冷庫(kù)的節(jié)能設(shè)計(jì)以及運(yùn)行管理作一概述及探討。

2 冷庫(kù)節(jié)能設(shè)計(jì)

2.1 保溫材料及厚度設(shè)計(jì)

對(duì)于冷庫(kù)用保溫隔熱材料應(yīng)滿足下列要求:熱導(dǎo)率小,密度小,吸濕性小,耐火和抗凍性,耐久性好,無(wú)異味,易于加工,價(jià)格適中等。冷庫(kù)中常用的隔熱材料有:聚氨酯 (PU)、發(fā)泡聚苯乙烯(EPS)、擠塑聚苯乙烯板 (XPS)。

聚氨酯由于其優(yōu)異的隔熱性能,較低的吸水率,良好的板體強(qiáng)度而自然成為最佳的庫(kù)體保溫材料,目前大型的低溫冷庫(kù)絕大多數(shù)采用聚氨酯作為冷庫(kù)墻體及吊頂保溫材料。

擠塑聚苯乙烯板 (XPS)由于其良好的隔熱及抗壓性能及尺寸大小的靈活性,多用于基礎(chǔ)、地面保溫和防冷橋處理,在外保溫庫(kù)中,XPS也比較多的用于屋面保溫,與柔性防水結(jié)合使用。

保溫材料的熱力學(xué)性能見(jiàn)表1。

表1 保溫材料的熱力學(xué)性能

表2為國(guó)內(nèi)冷庫(kù)規(guī)范給出的熱阻R(m2·K/W)與熱流量及室內(nèi)外溫差的關(guān)系[1]。

表2 熱阻值表

在以往的冷庫(kù)設(shè)計(jì)中,面積熱流量一般按照10～11選取,雖然保溫的厚度可以下降,但是以后長(zhǎng)期的運(yùn)行費(fèi)用會(huì)高一些。在國(guó)外的冷庫(kù)設(shè)計(jì)中,一般會(huì)傾向于選擇較低的面積熱流量以利于以后的長(zhǎng)期運(yùn)行。

表3、表4為ASHARE推薦的不同溫度下的熱阻值[2]以及作者根據(jù)熱阻值換算的聚氨酯的保溫厚度。

對(duì)于冷庫(kù)的保溫厚度,國(guó)內(nèi)新修訂的冷庫(kù)設(shè)計(jì)規(guī)范有了更嚴(yán)格的要求,更傾向于采用更厚的保溫以獲得以后較低的長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)費(fèi)用。

表3 ASHARE推薦熱阻值

表4 ASHARE推薦熱阻值換算成聚氨酯保溫厚度

2.2 制冷劑選擇

氨作為制冷劑的歷史可以追溯到1850年。作為制冷劑來(lái)說(shuō),氨有著無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì),主要體現(xiàn)在[3]:

1)熱物性非常好,主要表現(xiàn)在標(biāo)準(zhǔn)沸騰溫度低(-33.4℃),在冷凝器和蒸發(fā)器中的壓力適中(-15℃時(shí)的蒸發(fā)壓力為0.24MPa,30℃時(shí)的冷凝壓力為1.17MPa),單位容積制冷量大,并且其導(dǎo)熱系數(shù)大,蒸發(fā)潛熱也大 (-15℃時(shí)的蒸發(fā)潛熱是R12的8.12倍,R22的6.04倍),節(jié)流損失小;

2)能溶解水,對(duì)系統(tǒng)的干燥要求度沒(méi)有氟利昂那么嚴(yán)格;

3)空氣中含有非常微量的氨氣也很容易被察覺(jué),有漏氣現(xiàn)象時(shí)易被發(fā)現(xiàn);

4)價(jià)格低廉:氨的價(jià)格大約只有R22的1/10左右,相比較一些更為昂貴的混合制冷劑如R404A,R410A更是有非常大的價(jià)格優(yōu)勢(shì)。

5)對(duì)環(huán)境無(wú)害,它的臭氧層消耗潛能 (ODP)為0,全球變暖潛能 (GWP)也為 0。這是 R12、R22以及用作它們過(guò)渡性替代物的R123、R134A和R404A等所無(wú)法比擬的。

但氨制冷劑有毒,與空氣混合濃度在16%～25%時(shí)遇明火有爆炸危險(xiǎn)。這也是它的應(yīng)用受到限制的主要原因。由于氨具有毒性和潛在的爆炸危險(xiǎn),在ANSI/ASHRAE34-1992的安全級(jí)別中,被列為B2級(jí)。其使用也受到了一定的限制。

氨系統(tǒng)由于自身特性,一般采用集中式制冷,設(shè)專門機(jī)房,多應(yīng)用于大型制冷系統(tǒng)。在我國(guó),目前絕大多數(shù)的大型冷庫(kù)采用氨作為制冷劑,但大多數(shù)以手動(dòng)控制為主。在歐美等西方發(fā)達(dá)國(guó)家,絕大多數(shù)的大型冷庫(kù)也是采用氨作為制冷劑,制冷系統(tǒng)以自動(dòng)控制為主。日本在20世紀(jì)60～70年代曾經(jīng)一度禁止采用氨作為制冷劑,但隨著氟利昂環(huán)保問(wèn)題的日益突出以及氨本身優(yōu)越的制冷熱物理性能,在90年代后也逐漸開(kāi)始繼續(xù)在冷庫(kù)中采用氨作為制冷劑。對(duì)于冷庫(kù),特別是中型,大型冷庫(kù),從綠色節(jié)能的角度考慮,氨應(yīng)該是制冷劑的最佳選擇。

2.3 冷風(fēng)機(jī)排管布置方式

冷風(fēng)機(jī)的盤管排列有兩種方式:順排和叉排。一般而言,順排換熱弱于叉排,但是風(fēng)通過(guò)順排管的壓降較小,因此所需的冷風(fēng)機(jī)功率也較小,同時(shí)叉排管間最小間距小于順排,因此更易結(jié)霜,對(duì)氣流組織及換熱的影響更大,所需的融霜次數(shù)也相應(yīng)增大。國(guó)內(nèi)冷風(fēng)機(jī)目前以叉排為主,這樣的排列方式在相同冷量的前提下,風(fēng)機(jī)尺寸可以做的比較小,節(jié)省材料,初期投資也會(huì)相應(yīng)減少,但是日后的運(yùn)行由于風(fēng)機(jī)所需的電機(jī)功率增大及融霜次數(shù)的增多,節(jié)省的投資會(huì)很快被增加的電費(fèi)所抵消。因此目前在歐美,冷風(fēng)機(jī)的排管布置方式一般更傾向于順排 (見(jiàn)圖1)。國(guó)內(nèi)目前在一些較為高端的冷庫(kù)項(xiàng)目中也采用這一排管布置方式。

圖1 不銹鋼管鋁翅片冷風(fēng)機(jī)(順排)

2.4 冷風(fēng)機(jī)融霜方式

由于蒸發(fā)器表面溫度低于室內(nèi)空氣溫度,空氣內(nèi)的水蒸氣會(huì)在蒸發(fā)器表面凝結(jié)為霜。霜層會(huì)影響蒸發(fā)器的換熱效果,并增大了空氣通過(guò)蒸發(fā)器的阻力,導(dǎo)致制冷能力的下降。因此,當(dāng)蒸發(fā)器表面的霜層達(dá)到一定的厚度時(shí)候,需要考慮除霜,除霜的方法很多,通常采用的方法有熱氣融霜、電融霜、水沖霜等。

目前大多數(shù)的冷庫(kù)中采用熱氣融霜的方式,相比較電融霜和水沖霜,具有節(jié)能,同時(shí)對(duì)庫(kù)內(nèi)的影響小的優(yōu)點(diǎn)。此外空氣融霜作為一種新型、節(jié)能的融霜方式在國(guó)內(nèi)正處于試驗(yàn)階段。文獻(xiàn) [1]給出了采用空氣融霜與熱氨融霜的一個(gè)比較,可以看出,在有些情況下,相比較于熱氨融霜,空氣融霜還是有很大的節(jié)能優(yōu)勢(shì)。

2.5 冷風(fēng)機(jī)蒸發(fā)溫差

在以往冷庫(kù)的設(shè)計(jì)中,低溫下的蒸發(fā)溫差一般會(huì)取8～10℃。在冷凝溫度一定的情況下,制取相同冷量時(shí),提高蒸發(fā)溫度能使壓縮機(jī)的功率消耗減少。通常而言,當(dāng)蒸發(fā)溫度每升高1℃,系統(tǒng)產(chǎn)冷量將提高2.4%左右,節(jié)能效果顯著。此外,過(guò)大的蒸發(fā)溫差會(huì)導(dǎo)致冷風(fēng)機(jī)結(jié)霜速度加快,增加了融霜的頻次,因此,目前在設(shè)計(jì)冷風(fēng)機(jī)時(shí),傾向于采取增大冷風(fēng)機(jī)的蒸發(fā)面積,減小蒸發(fā)溫差 (5～7℃),提高制冷系統(tǒng)的蒸發(fā)溫度以達(dá)到節(jié)能的目的,這樣的做法雖然在初期冷風(fēng)機(jī)的投資上會(huì)增大一些,但是增加的成本很快就會(huì)由后期壓縮機(jī)運(yùn)行所節(jié)省的電量而收回。

2.6 冷風(fēng)機(jī)變頻控制

冷風(fēng)機(jī)在設(shè)計(jì)中,選配電機(jī)時(shí)往往是考慮到能滿足最大負(fù)荷要求,實(shí)際的運(yùn)行過(guò)程中,相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)是處于低負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài),這時(shí)電機(jī)的功率過(guò)大,導(dǎo)致風(fēng)量也一直維持在最大工況狀態(tài)下,不僅消耗了電能,而且增加了庫(kù)內(nèi)的干耗。冷風(fēng)機(jī)風(fēng)量與轉(zhuǎn)速成正比,風(fēng)壓與轉(zhuǎn)速的平方成正比,軸功率與轉(zhuǎn)速的立方成正比。

表5列出了不同風(fēng)量下對(duì)應(yīng)的風(fēng)機(jī)軸功率。由表可知,當(dāng)系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行風(fēng)量與設(shè)計(jì)風(fēng)量相差很大時(shí),其節(jié)電效果是相當(dāng)顯著的。因此風(fēng)機(jī)采用變頻控制風(fēng)量是非常有意義的。

表5 風(fēng)機(jī)軸功率與風(fēng)量、轉(zhuǎn)速關(guān)系

2.7 冷庫(kù)門

冷庫(kù)門是冷庫(kù)進(jìn)出貨物的通道。由于冷庫(kù)門經(jīng)常開(kāi)啟和關(guān)閉,是冷庫(kù)最容易跑冷和損壞的部位。冷藏門的性能不良或管理不善,不僅直接增加了系統(tǒng)的熱負(fù)荷,而且由于增加了蒸發(fā)器的霜層厚度而降低了系統(tǒng)的運(yùn)行效率,并且增加了沖霜的次數(shù)而增加了能耗。據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道,冷庫(kù)門的性能不良可使能耗增加15%或者更多。

同時(shí),由于庫(kù)內(nèi)外的冷熱空氣在門洞的周圍進(jìn)行劇烈的交換,產(chǎn)生大量的霧氣,門洞周圍的墻壁、地面、天棚等處易出現(xiàn)結(jié)露滴水、結(jié)霜、結(jié)冰等現(xiàn)象。經(jīng)多次反復(fù)凍融循環(huán),冷庫(kù)門周圍的建筑構(gòu)造極易損壞。

因此,冷庫(kù)要實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)有效的運(yùn)行,冷藏門是關(guān)鍵的因素之一。

在滿足使用要求的前提下,冷庫(kù)的大門應(yīng)當(dāng)盡可能的小,以減少冷量損失。因此在設(shè)計(jì)冷庫(kù)大門時(shí),在滿足使用要求的前提下,盡可能的減少門的尺寸可以起到降低冷量損失的效果。

對(duì)于普通多層冷庫(kù),采用普通叉車或托盤車存取貨物,冷庫(kù)門高2.5～2.7m比較合適。對(duì)于采用高位叉車的冷庫(kù),冷庫(kù)門4.5～5.0m的高度是比較合適的。冷庫(kù)門寬2.2～2.5m可以滿足一般叉車的通行。

2.8 低溫穿堂

相比較常溫穿堂,低溫冷庫(kù)采用封閉式低溫穿堂有如下優(yōu)點(diǎn)[4]:

1)低溫穿堂能保證冷鏈不中斷,最大限度地保證凍品的質(zhì)量。

2)低溫穿堂能大大地減少進(jìn)入低溫空間的熱負(fù)荷。由外界進(jìn)入封閉式低溫穿堂的熱負(fù)荷由設(shè)置在低溫穿堂的蒸發(fā)器吸收了。由于低溫穿堂的蒸發(fā)器相比較冷庫(kù)內(nèi)蒸發(fā)器工作在較高的蒸發(fā)溫度下。獲得同樣的冷量,顯然較高的蒸發(fā)溫度下運(yùn)行費(fèi)用會(huì)降低一些。因此看似增加了低溫穿堂增加了耗電,但實(shí)際低溫穿堂的風(fēng)機(jī)每消耗1度電則庫(kù)內(nèi)的冷風(fēng)機(jī)會(huì)節(jié)約超過(guò)1度電。

3)外界空氣中大部分水蒸氣將在低溫穿堂的蒸發(fā)器凝結(jié)成為水,這樣就大大地減少了進(jìn)入低溫庫(kù)內(nèi)的水分。否則,這些水分將進(jìn)入低溫庫(kù)內(nèi),在低溫庫(kù)內(nèi)的蒸發(fā)器處凝結(jié)成為霜。這一方面使蒸發(fā)器效率下降,另一方面使除霜的頻率明顯增加。這兩方面都將使運(yùn)行的能耗增加。

目前在國(guó)外的低溫冷藏庫(kù)設(shè)計(jì)中,采用封閉穿堂已經(jīng)成為公認(rèn)的選擇,國(guó)內(nèi)近些年設(shè)計(jì)的冷庫(kù)也越來(lái)越多的采用低溫穿堂的設(shè)計(jì)。需要說(shuō)明的是封閉穿堂中控制的溫度也不應(yīng)該過(guò)低,否則,設(shè)置在低溫穿堂的蒸發(fā)器將很快結(jié)霜,低溫庫(kù)內(nèi)的問(wèn)題就轉(zhuǎn)移到了穿堂。一般來(lái)說(shuō),冷庫(kù)封閉穿堂中溫度多控制在4～10℃。

2.9 冷庫(kù)照明

目前應(yīng)用于冷庫(kù)的燈具主要有三種:

1)金屬鹵素?zé)?金屬鹵素?zé)艟哂邪l(fā)光效率高、顯色性好,特別適合于大空間的照明,在大型裝配式冷庫(kù)中有著非常廣泛的應(yīng)用,但是金屬鹵素?zé)絷P(guān)閉后再啟動(dòng)的時(shí)間比較長(zhǎng),特別是在低溫環(huán)境下,可能達(dá)到5～10分鐘。

2)低溫?zé)晒鉄?低溫?zé)晒鉄粝啾容^金屬鹵素?zé)粢?jié)能一些,同時(shí)冷光源的熒光燈對(duì)庫(kù)內(nèi)溫度的影響較小,而且相比較金屬鹵素?zé)?熒光燈占用的高度比較少,節(jié)省了庫(kù)內(nèi)空間,同時(shí)對(duì)庫(kù)內(nèi)氣流組織的影響比較小。

3)LED燈:LED燈應(yīng)用于冷庫(kù)也是近些年來(lái)剛剛起步,國(guó)內(nèi)處于剛剛起步試驗(yàn)的階段。相比較傳統(tǒng)照明,LED照明具有發(fā)光效率高,耗電少,使用壽命長(zhǎng)的優(yōu)點(diǎn)。

以一個(gè)剛完成的9660m2(155m×60m)庫(kù)內(nèi)面積的冷庫(kù)為例,庫(kù)內(nèi)凈高13m,要求達(dá)到200Lux的照度,設(shè)計(jì)采用金屬鹵素?zé)?共18列,每列8盞400W鹵素?zé)?。?列出分別采用熒光燈和LED燈的耗能情況。

表6 不同燈具能耗比較

LED燈在冷庫(kù)中的應(yīng)用還處于起步階段,價(jià)格也略高于傳統(tǒng)的金屬鹵素?zé)?但隨著人們對(duì)節(jié)能的日愈重視,以及LED燈本身優(yōu)越的性能,相信在冷庫(kù)中的應(yīng)用會(huì)越來(lái)越廣泛。

3 結(jié)語(yǔ)

隨著速凍食品工業(yè)及冷鏈物流業(yè)的發(fā)展、國(guó)家對(duì)節(jié)能減排的日益重視以及整個(gè)世界對(duì)于綠色節(jié)能的追求,冷庫(kù)的設(shè)計(jì)和運(yùn)行中采取新的節(jié)能技術(shù)顯得更加重要。

通過(guò)對(duì)冷庫(kù)的保溫材料及厚度設(shè)計(jì)、制冷劑選擇、冷風(fēng)機(jī)排管布置方式、冷風(fēng)機(jī)融霜方式、冷風(fēng)機(jī)蒸發(fā)溫差、冷風(fēng)機(jī)變頻控制、冷庫(kù)門、低溫穿堂和冷庫(kù)照明等9個(gè)方面的分析,探討了冷庫(kù)的節(jié)能設(shè)計(jì)與運(yùn)行管理。

[1] GB50072—2001,冷庫(kù)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[2] ASHRAE Refrigeration Handbook,1998,13.12

[3] 楊一凡.氨制冷技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì) [J].制冷學(xué)報(bào),2007,(8):12-18

[4] 張建一.冷藏庫(kù)采用封閉式月臺(tái)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析[J].冷藏技術(shù),2006,(3):14-18

(1)王斌等.空氣融霜系統(tǒng)在冷庫(kù)中的應(yīng)用[C].會(huì)議論文,2010