冷庫的節(jié)能技術(shù)及措施

錢芳　李瑛　方杰

摘 要： 從建筑節(jié)能、制冷設備節(jié)能、運行節(jié)能和管理節(jié)能等4個方面對冷庫的節(jié)能技術(shù)及措施進行了介紹.在建筑節(jié)能方面，主要闡述了隔熱材料和厚度的選擇、圍護結(jié)構(gòu)的防潮和隔汽、安裝PVC門簾等節(jié)能措施；制冷設備節(jié)能主要從壓縮機、冷凝器以及蒸發(fā)器的選擇等方面進行論述；運行節(jié)能包括運用蓄冷技術(shù)“移峰填谷”，適當提高蒸發(fā)溫度和降低冷凝溫度，以及嚴格設置通風換氣時間；管理節(jié)能從設置蒸發(fā)器除霜、冷凝器管壁上水垢清理周期、定期放油和不凝性氣體等方面進行論述.認為冷庫制冷劑的選擇以及微型冷庫在國情和農(nóng)產(chǎn)品發(fā)展方面有著不可替代的節(jié)能潛力.

關(guān)鍵詞： 冷庫節(jié)能； 制冷劑； 微型冷庫

中圖分類號： TB 65 文獻標志碼： A

Abstract： The energysaving technology and measures for freezer of the building，the refrigeration equipment，the operation，and the management were introduced in this paper.The building energysaving technologies include the selection and thickness of thermal insulation material，the moisture and vapor proof of building envelope，and the installation of the PVC door curtain.Refrigeration equipment energysaving mainly focuses on the selection of compressor，condenser，and evaporator.The contents of the operation energysaving are the “peak load shifting” technology by means of cool storage，the appropriate increasing of evaporating temperature and the reduction of condensing temperature，and the precise setting ventilation time.The management energysaving consists of the set up of the evaporator defrosting，the clearing period of the incrustation on condenser tube，the emission of oil and noncondensable gas at regular intervals.Also，the refrigerant selection of the freezer and the irreplaceable energysaving potential of the mini freezer in the development of national conditions and agricultural products are discussed.

Key words： freezer energysaving； refrigerant； mini freezer

冷庫是對易腐爛食品進行加工和貯藏的設施，最早出現(xiàn)在美國和澳大利亞[1].經(jīng)過一個多世紀的發(fā)展，冷庫已經(jīng)成為發(fā)展食品工業(yè)不可缺少的手段.近幾十年來，各國的冷庫容量都有較大的增長.到20世紀末，全世界冷庫總?cè)萘砍^5 100萬t[1]，其中日本是亞洲最大的速凍產(chǎn)品生產(chǎn)國，-20℃以下的低溫庫占冷庫總數(shù)的80%以上.截至2004年，日本已有冷庫3 431座，冷庫容積3 302萬m3[2].截至2012年，美國擁有2 200萬t的冷庫容量，我國也擁有900萬t的冷庫容量[2].冷藏技術(shù)的發(fā)展和冷庫容量的迅速增加必然關(guān)系到能源消耗問題.我國冷庫能耗一般占整個冷鏈物流企業(yè)能耗的70%以上[3].表1給出了國內(nèi)外冷庫能耗對比情況[4].

從表1可看出，我國冷藏企業(yè)總體能耗較大，全國平均水平遠遠高于國外平均水平，是日本的2.5倍，英國的兩倍多[4].即使是冷藏行業(yè)發(fā)達的上海，與國外同行的差別也是非常大的.

20世紀70年代以來，能源問題已被列為世界基本矛盾之一[5].在今后很長一段時間內(nèi)，世界能源發(fā)展的主題和趨勢仍然是節(jié)能減排，因此冷庫的節(jié)能正引起制冷和食品行業(yè)越來越廣泛的重視.

對于冷庫有諸多節(jié)能途徑，例如：選擇隔熱效果較好又經(jīng)濟實惠的隔熱材料，可有效地減少周圍環(huán)境傳入冷庫的熱量；選用經(jīng)濟節(jié)能的制冷設備；采用蓄冷技術(shù)，夜間將冷量儲存起來，白天釋放出來；適當提高蒸發(fā)溫度，降低冷凝溫度；對于果蔬冷庫，設計合理的通風換氣時間；定期對蒸發(fā)器除霜，對冷凝器除垢等.

1 建筑節(jié)能

1.1 隔熱材料的選擇

隔熱材料的作用是減少通過圍護結(jié)構(gòu)傳入冷庫的熱量，所以隔熱材料的選擇必須合理化，同時考慮材料的厚度.目前廣泛使用的隔熱材料是聚氨酯泡沫塑料.表2給出了聚氨酯泡沫塑料與其它冷庫保溫材料的優(yōu)缺點比較[1].

一般情況下，隔熱材料越厚，隔熱性能越好，但同時隔熱材料成本也越高.不管國內(nèi)還是國外，在確定隔熱材料的厚度時，都會適當加厚，比如日本采用的隔熱層厚度比標準隔熱層厚度增加25%[1].文獻[6]指出，采用節(jié)約型隔熱層的冷庫，雖然投資成本增加，但是一般在冷庫運行2～3 a內(nèi)可由節(jié)約的能源費中收回成本.

1.2 圍護結(jié)構(gòu)的防潮和隔汽

冷庫內(nèi)外溫差較大，高溫空氣中的水蒸氣會進入隔熱層冷凝成水，使隔熱層受潮，影響隔熱效果，從而降低保溫性能，增加能耗.水蒸氣都是由高溫一側(cè)向低溫一側(cè)滲透，所以一般情況下，將防潮和隔汽設置在高溫側(cè).如果冷庫的高溫側(cè)和低溫側(cè)發(fā)生變化，那么在隔熱層的兩側(cè)都應設置防潮、隔汽層.冷橋的存在會影響圍護結(jié)構(gòu)防潮和隔汽層的完整性和嚴密性[1]，進而使隔熱層受潮失效，甚至威脅建筑物的安全，同時暴露在空氣中的冷橋會增加圍護結(jié)構(gòu)的熱負荷，因此必須盡量避免在圍護結(jié)構(gòu)中形成冷橋.對于一些不可避免的冷橋，應選用導熱系數(shù)較小的材料.

1.3 安裝PVC門簾

PVC門簾是用聚氯乙烯塑料做成的，國內(nèi)應用較少，但國外廣泛使用[7].它可有效阻止冷庫內(nèi)外熱量轉(zhuǎn)移，達到節(jié)能的目的.我國最早使用的冷庫門簾是棉被，到1960年代，開始采用門斗，有效地減少了冷庫門洞的跑冷.1965年后建成的冷庫開始外設空氣幕.隨著化工塑料工業(yè)的發(fā)展，上?；S和上海商業(yè)二局合作研制出了PVC門簾，并在1984年12月20日通過技術(shù)評定，被認為是一種節(jié)能門簾[7].表3給出了PVC門簾和其它材料門簾的比較.

PVC門簾對減少冷庫門洞附近的跑冷效果是非常顯著的，裝有PVC門簾的冷庫的跑冷量比沒有裝門簾的減少了10%[7].文獻[1]指出，采用PVC門簾后，冷庫門的冷量損失減少了57%.

其它建筑節(jié)能措施有減少太陽輻射熱、庫門外設置空氣幕等.減少太陽輻射熱會減少冷庫的能耗，達到節(jié)能效果.影響太陽輻射熱的因素有冷庫外表面積、太陽輻射的強度、冷庫壁面太陽的吸收率等，所以建設冷庫時，在滿足冷庫容量的情況下，盡量選擇建筑外表面積較小的結(jié)構(gòu).而太陽輻射的強度會隨著季節(jié)、天氣的不同發(fā)生較大變化，因此根據(jù)物理學原理，冷庫外表面最好選用白色或顏色較淺的涂料，增大反射太陽輻射能力.空氣幕安裝在庫門外上方，從空氣幕噴出的氣流能夠阻止庫外熱空氣直接進入庫內(nèi).如果庫內(nèi)也安裝空氣幕，形成雙層空氣幕，節(jié)能效果將更加顯著.PVC門簾和空氣幕配合使用，節(jié)能效果更優(yōu).

2 制冷設備節(jié)能

2.1 制冷壓縮機的選擇

冷庫制冷系統(tǒng)中壓縮機能耗最大，因此必須選擇性能優(yōu)良、高效節(jié)能的制冷壓縮機.近年來，性能優(yōu)良的螺桿式壓縮機得到了廣泛的應用.例如：啤酒冷庫中盡量采用內(nèi)容積比可調(diào)的螺桿式壓縮機，這樣能夠保證系統(tǒng)運行中內(nèi)、外壓力基本相等，避免了額外的能量損失，達到節(jié)能的目的[8]；某食品配送公司在冷庫中選用了液氨冷卻式帶經(jīng)濟器螺桿式制冷壓縮機，配合使用全數(shù)字變頻恒壓供水設備，其中液氨來源于系統(tǒng)中的制冷工質(zhì).根據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)，其改造后的節(jié)水效果特別顯著[9].

合理確定壓縮機的能量調(diào)節(jié)方法使壓縮機以最低能耗運行，達到節(jié)能目的[10-11].調(diào)節(jié)方法主要有：① 采用變頻控制技術(shù).根據(jù)冷庫的環(huán)境參數(shù)進行實時檢測，相應調(diào)節(jié)壓縮機轉(zhuǎn)速，改變制冷量，使其與冷庫熱負荷相匹配，保證了系統(tǒng)高效運行，達到節(jié)能目的；② 多能級優(yōu)化組合進行能量調(diào)節(jié).該方法適用于大中型冷庫，不但能適應變動的熱負荷，還能使壓縮機輕載或空載運行，延長壓縮機使用壽命.

2.2 換熱設備的選擇

2.2.1 冷凝器的選擇

冷凝器在運行過程中消耗大量電能，因此冷凝器節(jié)能是冷庫節(jié)能的重要部分.同其它冷凝器相比，蒸發(fā)式冷凝器是一種高效節(jié)能的換熱設備，通過水的蒸發(fā)潛熱吸收制冷劑放出的熱量.蒸發(fā)式冷凝器減少了循環(huán)水量，降低了水泵的動力消耗，不僅節(jié)能而且節(jié)水，同時還省去了冷卻水在冷凝器中顯熱傳遞階段，使冷凝溫度有可能更接近空氣的濕球溫度，達到節(jié)能目的.蒸發(fā)式冷凝器在國外早已普遍使用[12].近年來，國內(nèi)也從應用殼管式冷凝器轉(zhuǎn)向青睞蒸發(fā)式冷凝器.2006年上海食品肉類有限公司對原有的制冷系統(tǒng)進行改造，選用了一臺ATC-428B蒸發(fā)式冷凝器.改造后的系統(tǒng)可節(jié)電22%～44%[13].

2.2.2 蒸發(fā)器的選擇

不同用途的冷庫，其蒸發(fā)器種類和結(jié)構(gòu)不同，因此需根據(jù)使用類型選擇不同方式控制蒸發(fā)器以達到節(jié)能效果.例如，水產(chǎn)品和肉類冷庫的凍結(jié)間，一般采用落地式或吊頂式冷風機，而大部分凍結(jié)間冷風機的功率過大，造成過度用電.冷風機所消耗的電能最終變成熱能，增加了壓縮機的負荷.選用高效雙速風機或變速風機調(diào)節(jié)冷風機的功率[14]，可達到節(jié)能目的.雖然增加了投資，但是回收期短，總體來說還是節(jié)約了成本.

3 運行節(jié)能

3.1 采用蓄冷技術(shù)

蓄冷技術(shù)是指在電力負荷較低的夜間用電低谷期，采用制冷機制冷，利用蓄冷介質(zhì)的顯熱或潛熱特性，將冷量儲存起來；在電力負荷較高的白天，將存儲的冷量釋放出來，以滿足生產(chǎn)工藝的需要，而且夜間環(huán)境溫度更有利于制冷系統(tǒng)的運行[15].因此，若在冷庫中使用蓄冷技術(shù)，能夠很好地改善電力供應狀況，提高制冷設備利用率，達到經(jīng)濟節(jié)能的目的[16-17].

3.2 提高蒸發(fā)溫度

冷庫運行中，在保證冷庫溫度的前提下，盡可能采用較高的蒸發(fā)溫度.我國冷庫行業(yè)中，冷庫實際熱負荷遠小于設計熱負荷.制冷系數(shù)ε=T0/（TK-T0），其中：TK為冷凝溫度；T0為蒸發(fā)溫度.當提高T0時，ε增大，從而提高了制冷效率，減少了制冷機組的能耗[18].文獻[1]指出，T0每升高1℃，可節(jié)約2%～3%的能耗.蒸發(fā)溫度的提高，減小了蒸發(fā)器與空氣的傳熱溫差，因而降低了食品的能耗，也能達到節(jié)能的目的[19].

3.3 降低冷凝溫度

冷凝溫度升高，冷凝壓力也隨之升高，使得壓縮機的排氣壓力升高，壓縮比增大，壓縮機輸氣系數(shù)降低，功耗增大.文獻[19]指出，冷凝溫度每降低1℃，壓縮機功耗則減少19.5%，因此合理地降低冷凝溫度也是冷庫節(jié)能的重要部分.由于夜間環(huán)境濕球溫度較低，使得冷凝溫度降低，因此盡可能讓制冷裝置在夜間運行，以達到節(jié)能的目的.

3.4 合理選擇冷庫的通風換氣時間

果蔬類食品由于呼吸作用會放出一些氣體，影響冷庫內(nèi)的環(huán)境溫度和條件，因此在果蔬冷庫中必須設計通風換氣.但是通風換氣引起的熱負荷較大，一般情況下嚴寒季節(jié)，選擇白天進行通風換氣；其它季節(jié)，選擇溫度較低的夜間進行通風換氣，以達到節(jié)能目的[11].

4 庫房、機房操作管理節(jié)能

4.1 蒸發(fā)器的除霜

冷庫蒸發(fā)器霜層會嚴重影響換熱效率，增大功耗.不同形式的蒸發(fā)器的及時除霜方式不同.國外冷庫中蒸發(fā)器普遍采用冷風機.常用的除霜方式有水沖式、制冷劑熱氣除霜、電熱除霜，其中制冷劑熱氣除霜應用最廣泛，被認為是最高效節(jié)能的除霜方式[20].

4.2 冷凝器管壁水垢的清理

水冷式冷凝器運行一段時間后表面會形成水垢，水垢的導熱系數(shù)為冷凝器管壁導熱系數(shù)的2.4%～2.8%[19]，這會增加冷凝器管壁的傳熱熱阻，影響冷凝器的換熱效率，間接升高了冷凝溫度，增大了制冷裝置的功耗，同時結(jié)垢到一定程度時還會腐蝕制冷設備，縮短其使用壽命.國外冷庫中普遍采用蒸發(fā)式冷凝器，并對其布水器噴嘴進行定期清洗且將冷卻水軟化處理[21].對于除垢周期，由于冷凝器形式、制造材料和當?shù)厮|(zhì)的不同難以確定，應根據(jù)冷庫具體的制冷裝置合理確定.我國一些冷庫還通過安裝穩(wěn)定劑和靜電水垢控制器，有效地放慢水垢增厚速度，從而達到節(jié)能的目的.

另外，定期放油、防止不凝性氣體進入系統(tǒng)和及時排放不凝性氣體可有效提高運行效率.經(jīng)油分離器未完全分離的潤滑油進入冷凝器和其它設備中會降低設備的換熱效率，增加能耗.所以不僅要選用性能優(yōu)良的油分離器，而且應定期對設備進行放油.另外，由于在加油和加注制冷劑時的不規(guī)范操作，會使不凝性氣體進入裝置，使冷凝面積減少，冷凝壓力增大，降低裝置的制冷能力，增大能耗，因此必須及時排放不凝性氣體.

5 冷庫節(jié)能技術(shù)的發(fā)展趨勢和展望

5.1 制冷劑的選擇

整個制冷系統(tǒng)中制冷劑占據(jù)著重要的地位.目前不管國內(nèi)還是國外，冷庫的制冷裝置中普遍采用氨作為制冷劑.氨制冷劑的優(yōu)點是熱物性非常好，能溶解于水，有氣味時易被發(fā)現(xiàn)，價格低廉、環(huán)保[6]，但是氨制冷劑有毒且存在潛在的爆炸危險.當氨與空氣混合體積分數(shù)為16%～25%時遇明火會引起爆炸[21]，因此氨制冷劑系統(tǒng)中應盡可能減少系統(tǒng)的灌氨量.目前CO2/NH3復疊式制冷系統(tǒng)已在一些冷庫投入使用，并且有很大的發(fā)展?jié)摿22].因為CO2和NH3制冷劑的混合使用，在大大減少灌氨量的前提下，還保證了制冷系統(tǒng)高效節(jié)能運行，初投資降低，冷庫安全系數(shù)增大.更節(jié)能、環(huán)保、安全的制冷劑有R403A、R403B、R404A、R407C、R124a[15].這些不含氯的制冷劑對大氣臭氧層沒有破壞，同時不易燃、低毒、清潔，可優(yōu)先考慮，更重要的是它們的制冷效果非常好，不亞于氨.

5.2 微型節(jié)能冷庫的發(fā)展

微型冷庫是一種家庭式機械恒溫小型冷庫，其建造快，造價低，操作簡單，性能可靠，自動化程度高，保鮮效果好.最重要的是，它對庫體和制冷系統(tǒng)進行了優(yōu)化設計，是將機械制冷與自然冷源結(jié)合利用的節(jié)能冷庫[23]，其降溫速度快，保溫性能好，冷庫溫度波動小，穩(wěn)定后的冷庫溫度是前期預冷和降溫階段的18%左右.北方地區(qū)在冬季可采用自然冷源通風降溫，這樣耗電量更低，更節(jié)能.我國是一個農(nóng)業(yè)大國，國情和農(nóng)村家庭聯(lián)產(chǎn)承包生產(chǎn)體制決定了微型冷庫特別適合我國農(nóng)副產(chǎn)品的儲存和保鮮.并且我國農(nóng)業(yè)發(fā)展在今后很長一段時間內(nèi)還是以小規(guī)模、個體自主為主，再結(jié)合節(jié)能減排這一世界性發(fā)展趨勢，因此微型冷庫在我國還是有較大的發(fā)展空間和潛力的[24].

6 結(jié) 語

隨著經(jīng)濟的大力發(fā)展和人們生活水平的迅速提高，冷庫在日常生活中扮演著越來越重要的角色.冷庫的需求量增大帶來的能源消耗日益增加，因此冷庫的節(jié)能必須受到重視.冷庫的節(jié)能不僅減少了社會成本，增加了社會效益，還減少了能源消耗，有利于世界和諧、可持續(xù)發(fā)展.

參考文獻：

[1] 呂衛(wèi)東.冷藏庫的節(jié)能技術(shù)[J].制冷空調(diào)與電力機械，2010，31（3）：82-84.

[2] 康三江.淺議國內(nèi)外冷庫行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢[J].保鮮與加工，2006，6（3）：1-3.

[3] 王文銘，劉曉亮.我國冷鏈物流能耗現(xiàn)狀及對策研究[J].中國流通經(jīng)濟，2011（10）：29-33.

[4] 李夔寧，王賀，吳治娟，等.冷庫節(jié)能途徑探討[J].制冷技術(shù)，2008（2）：1-4.

[5] 仲維勤.冷庫節(jié)能技術(shù)的探討[J].制冷，2011，30（2）：61-65.

[6] 鄭賢德.制冷原理與裝置[M].2版.北京：機械工業(yè)出版社，2008.

[7] 談向東，朱富強，葛茂泉.PVC門簾在冷庫中的節(jié)能理論研究[J].冷藏技術(shù)，1999（4）：5-8.

[8] 張秋.淺談啤酒系統(tǒng)中的制冷節(jié)能技術(shù)[J].冷藏技術(shù)，2008（4）：50-52.

[9] 唐俊杰，李鵬，戴銀萍.新技術(shù)引領(lǐng)冷庫節(jié)能[J].冷藏技術(shù)，2008（4）：16-28.

[10] BOUWER J J.Using a benchmarking approach to improve energy efficiency in fruit packhouses and cold stores[C]∥Proceeding of the 8th Conference on the Industrial and Commercial Use of Energy.Cape Town：IEEE，2011：30-33.

[11] 畢明華.冷庫節(jié)能潛力分析[J].低溫與超導，2009，37（10）：58-61.

[12] 朱敏杰.制冷系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)及其在現(xiàn)代冷庫中的應用研究[J].科技致富向?qū)В?011（18）：210.

[13] 龔森培.大型肉類冷庫節(jié)能技術(shù)改造[J].上海節(jié)能，2010（2）：37-38.

[14] 張文清.水產(chǎn)品冷庫的節(jié)能技術(shù)探討[J].水產(chǎn)科技，2002（5）：18-21.

[15] 李革，常琳，張麗.水產(chǎn)品冷庫的節(jié)能技術(shù)[J].漁業(yè)現(xiàn)代化，2005（1）：34-35.

[16] MULOBE N J，HUAN Z.Energy efficient technologies and energy saving potential for cold rooms[C]∥Proceeding of the 9th Industrial and Commercial Use of Energy Conference.Stellenbosch：IEEE，2012：1-7.

[17] 劉道平.蓄冷技術(shù)及其應用現(xiàn)狀[J].暖通空調(diào)，1995（4）：30-33.

[18] 朱富強，萬金慶.冷庫節(jié)能管理系統(tǒng)[J].制冷學報，1995（2）：24-30.

[19] 沈?qū)W明，鄭智丹.冷庫制冷裝置操作管理中的節(jié)能技術(shù)[J].流體機械，2003，31（8）：60-62.

[20] 楊德文.冷庫節(jié)能問題探討[J].科技風，2011（16）：92.

[21] 張建一.美國和加拿大冷庫維護保養(yǎng)中的節(jié)能技術(shù)研究[J].大連水產(chǎn)學院學報，2001，16（3）：206-211.

[22] 張建一，徐穎.大中型冷藏庫節(jié)能技術(shù)現(xiàn)狀與趨勢[J].冷藏技術(shù)，2009（2）：5-9.

[23] 李喜宏，陳麗，董鳳香.微型節(jié)能冷庫應用研究[J].天津農(nóng)業(yè)科學，1996（S1）：38-40.

[24] 鮑勇誠.微型節(jié)能冷庫的發(fā)展與推廣[J].農(nóng)機科技推廣，2004（9）：31.