基于帶能量回收功能的恒溫恒濕空調(diào)系統(tǒng)的大型超市節(jié)能研究

李帥琦，晉欣橋

（上海交通大學(xué)機械與動力工程學(xué)院，上海 200240）

基于帶能量回收功能的恒溫恒濕空調(diào)系統(tǒng)的大型超市節(jié)能研究

李帥琦*，晉欣橋

（上海交通大學(xué)機械與動力工程學(xué)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(qū)域設(shè)置帶能量回收功能的恒溫恒濕空調(diào)系統(tǒng)，以達到降低制冷與空調(diào)系統(tǒng)能耗的目的。實證研究表明本文提出的空調(diào)系統(tǒng)有明顯的節(jié)能效果。

大型超市；空調(diào)系統(tǒng)；冷凍冷藏區(qū)域；恒溫恒濕；節(jié)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(fā)展。僅就目前國內(nèi)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(shù)達到1,560萬人。在高速發(fā)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(jié)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(tǒng)作為大型超市中具有特殊性的機電系統(tǒng)，在大型超市總體能耗中占有相當(dāng)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(tǒng)約占總能耗的三分之一，因此降低冷凍冷藏系統(tǒng)能耗是大型超市節(jié)能工作的重點之一。大型超市的冷凍冷藏系統(tǒng)主要由各類型中、低溫陳列柜和冷庫等冷凍冷藏設(shè)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(xiàn)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(yè)帶來了可觀收益。但同時陳列柜是能源消耗非常大的設(shè)備，是冷藏鏈中的最薄弱的環(huán)節(jié)。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(jù)筆者的實際工作經(jīng)驗來看，在中國超市中，冷凍冷藏陳列區(qū)域的占比正在不斷加大中，因此陳列柜占冷凍冷藏系統(tǒng)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(jié)能乃至超市整體節(jié)能的關(guān)鍵部分。

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

1 溫濕度對超市冷凍冷藏系統(tǒng)的能耗影響分析

周邊環(huán)境對冷凍冷藏陳列柜的影響主要體現(xiàn)在陳列柜風(fēng)幕的回風(fēng)溫度和回風(fēng)濕度兩個方面[3]。風(fēng)幕出口射流與環(huán)境空氣進行混合，隨著環(huán)境溫濕度的提高，回風(fēng)溫度和回風(fēng)濕度也會相應(yīng)提高。大量實驗已經(jīng)證實敞開式陳列柜50%以上的能耗是由環(huán)境空氣從風(fēng)幕中滲透的，而立式敞開式陳列柜70%以上的能耗由周圍環(huán)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(fā)現(xiàn)當(dāng)環(huán)境空氣的相對濕度從55%降到35%時，對大多數(shù)不同類型的陳列柜而言，可以節(jié)能5%～29%。由此可見周邊環(huán)境空氣的溫度和相對濕度對冷凍冷藏陳列柜系統(tǒng)的能耗影響。

根據(jù)HOWELL R H的研究，冷凍冷藏區(qū)域陳列柜的冷負(fù)荷可由式(1)表示

式中：

Q——陳列柜總冷負(fù)荷；

QA——陳列柜壁面與環(huán)境傳導(dǎo)冷負(fù)荷；

QB——陳列柜與外界的輻射冷負(fù)荷；

QC——陳列柜與外界滲透冷負(fù)荷；

QD——陳列柜照明發(fā)熱負(fù)荷；

QE——陳列柜防露加熱冷負(fù)荷；

QF——陳列柜除霜加熱冷負(fù)荷；

QG——陳列柜裝貨引起的冷負(fù)荷。

在所有冷負(fù)荷中起決定作用的依次是滲透冷負(fù)荷、輻射冷負(fù)荷、防露除霜冷負(fù)荷、照明冷負(fù)荷及傳導(dǎo)冷負(fù)荷。與環(huán)境溫度有關(guān)的是滲透冷負(fù)荷、輻射冷負(fù)荷和傳導(dǎo)冷負(fù)荷，與環(huán)境濕度有關(guān)的是滲透冷負(fù)荷和防露除霜冷負(fù)荷。

由以上分析可知，周邊環(huán)境的溫濕度對冷凍冷藏系統(tǒng)的能耗影響顯著。若能分別控制溫濕度，則可根據(jù)相應(yīng)的工況調(diào)節(jié)系統(tǒng)運行，從而節(jié)約能耗。因此，在大型超市的冷凍冷藏陳列柜區(qū)域使用獨立恒溫恒濕空調(diào)系統(tǒng)將能有效降低陳列柜系統(tǒng)，尤其是低溫陳列柜系統(tǒng)的冷負(fù)荷，繼而降低冷凍冷藏系統(tǒng)的整體能耗。

HOWELL R H用大量實驗數(shù)據(jù)得出了一系列溫濕度參數(shù)與負(fù)荷的經(jīng)驗?zāi)Ｐ停?/p>

式中：

TC——冷柜的平均溫度；

RH——相對濕度；

LP——計算環(huán)境濕度下冷柜滲入潛熱負(fù)荷與環(huán)境濕度55%條件下冷柜滲入潛熱負(fù)荷比值；

DP——計算環(huán)境濕度下冷柜融霜負(fù)荷與環(huán)境濕度55%條件下冷柜融霜負(fù)荷比值；

TP——計算環(huán)境濕度下冷柜總滲入負(fù)荷與環(huán)境濕度55%條件下冷柜總滲入負(fù)荷比值；

D、E、F、G——經(jīng)驗系數(shù)，如表1所示。

表1 Howell模型中的系數(shù)值

根據(jù)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(jīng)驗系數(shù)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(jié)果如表2所示。

由表2中數(shù)據(jù)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(tǒng)能耗的分析。同時由式(1)也可看出相對濕度對制冷負(fù)荷的巨大影響，表明降低環(huán)境濕度將能大幅降低冷凍冷藏系統(tǒng)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(diào)系統(tǒng)理論研究

冷凍冷藏陳列柜區(qū)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(dāng)室外環(huán)境濕度高時，盡管空調(diào)系統(tǒng)運轉(zhuǎn)不停，但商場內(nèi)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(fā)現(xiàn)，一般濕度都達到65%～75%以上。在這種高濕度環(huán)境下，該區(qū)域的人員容易感覺不適，食品易變質(zhì)，低溫貨柜冷柜玻璃門及貨物經(jīng)常結(jié)霜。如采用中央空調(diào)供冷，由于中央空調(diào)供冷系統(tǒng)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(diào)都具有獨立的自動控制系統(tǒng)，根據(jù)單一的干球溫度進行控制，一旦達到相對設(shè)定值，就會減少冷凍水的循環(huán)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(tǒng)的運行能耗。

出于節(jié)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(diào)系統(tǒng)。該空調(diào)系統(tǒng)的原理如圖2所示。

空調(diào)系統(tǒng)運轉(zhuǎn)前，在控制器中設(shè)定好所需的干球溫度和相對濕度參數(shù)。當(dāng)超市內(nèi)干球溫度未能達到設(shè)定值，系統(tǒng)中電磁閥V1打開，V2關(guān)閉，按常規(guī)循環(huán)進行降溫除濕運轉(zhuǎn)。當(dāng)干球溫度接近設(shè)定值，但相對濕度偏差較大，則電磁閥V1關(guān)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(fēng)先經(jīng)過蒸發(fā)器冷卻除濕后，再進入再熱盤管加熱后送入商場內(nèi)，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(diào)工況下，冷凝器出來的液態(tài)制冷劑一般在35 ℃以上，足以加熱經(jīng)蒸發(fā)器冷卻后的空氣，不僅省去電加熱能耗，液態(tài)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(dāng)干球溫度與相對濕度都達到設(shè)定值后，機組卸載運轉(zhuǎn)。

圖2 帶能量回收功能的恒溫恒濕空調(diào)系統(tǒng)原理圖

圖3表示了系統(tǒng)循環(huán)的壓-焓圖。當(dāng)V1開啟，V2關(guān)閉，機組按1’-2-3-4循環(huán)，當(dāng)V1關(guān)閉，V2開啟，機組按1-2-3-4循環(huán)，其中4’-4是冷凝器出來的制冷劑4’過冷至4。經(jīng)膨脹閥節(jié)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(huán)效率。

圖3 系統(tǒng)循環(huán)的壓-焓圖

從系統(tǒng)運行原理可以看出，該空調(diào)系統(tǒng)屬于直接蒸發(fā)式制冷系統(tǒng)，相對效率較高，且負(fù)責(zé)區(qū)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(diào)系統(tǒng)節(jié)能效果實證研究

本節(jié)將以實際工作的某大型超市的冷凍冷藏系統(tǒng)作為該獨立恒溫恒濕空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能效果實例研究。

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

表3 冷凍冷藏陳列柜區(qū)域系統(tǒng)日耗電量清單

根據(jù)長期收集數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，濕度的變化對整體能耗影響較大，且從數(shù)據(jù)采集中心實際數(shù)據(jù)顯示，冷柜化霜次數(shù)明顯增加，能耗、化霜次數(shù)與濕度變化的關(guān)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(shù)據(jù)是根據(jù)每天平均濕度得出的冷凍冷藏系統(tǒng)耗電量數(shù)據(jù)。

實測數(shù)據(jù)表明，當(dāng)濕度從60%提高到70%時，首先整個陳列柜系統(tǒng)溫度將無法達到標(biāo)準(zhǔn)要求；其次，敞開式陳列柜系統(tǒng)由于滲透冷負(fù)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(tǒng)由于滲透冷負(fù)荷的增加及除露化霜次數(shù)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(tǒng)總能耗將增加30%左右。由于超市內(nèi)冷凍冷藏系統(tǒng)基本上為24 h工作，其耗能是相當(dāng)可觀的。

表4 冷凍冷藏系統(tǒng)運行與能耗受濕度影響情況

圖4 冷凍冷藏系統(tǒng)能耗隨濕度的變化趨勢圖

上海等區(qū)域夏季濕度較高，超市冷凍冷藏陳列柜區(qū)域濕度普遍在60%～80%之間，如采用該帶能量回收系統(tǒng)的獨立恒溫恒濕空調(diào)系統(tǒng)對冷凍冷藏系統(tǒng)進行獨立制冷除濕，能將區(qū)域濕度控制在50%～60%乃至更低，將可降低約25%的能耗。假設(shè)該獨立空調(diào)系統(tǒng)把區(qū)域濕度從75%降低到55%，則保守估計可節(jié)電20%，結(jié)合表3的日平均耗電量值可推得平均每天可以節(jié)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(qū)域設(shè)置獨立制冷除濕設(shè)備的必要性及其節(jié)能的可觀性。

4 結(jié)論

本文在分析大型超市室內(nèi)環(huán)境溫、濕度對冷凍冷藏陳列柜功耗影響的基礎(chǔ)上，提出在該區(qū)域設(shè)置一個獨立的具有能量回收的恒溫恒濕高效節(jié)能空調(diào)系統(tǒng)，降低了空調(diào)和制冷系統(tǒng)的整體能耗，達到節(jié)能的目的，并以一個應(yīng)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(jié)能措施[J].西北紡織工學(xué)院學(xué)報,2001,12(4): 74-79.

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

[3]張文慧,龔毅,呂彥力.環(huán)境溫濕度對冷藏陳列柜空氣預(yù)冷器性能的影響[J].制冷學(xué)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(shù),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(lián)系地址：上海市瞿溪路1072弄1號907室，郵編：200023。聯(lián)系電話：13817068285。E-mail：mikelee1728@163.com。