冷庫制冷系統(tǒng)及其自動化研究進(jìn)展

劉 寒謝 晶王金鋒

(1. 上海海洋大學(xué)食品學(xué)院，上海 201306；2. 上海水產(chǎn)品加工及貯藏工程技術(shù)研究中心，上海 201306；3. 上海冷鏈裝備性能與節(jié)能評價(jià)專業(yè)技術(shù)服務(wù)平臺，上海 201306；4. 食品科學(xué)與工程國家級實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心﹝上海海洋大學(xué)﹞，上海 201306)

冷庫是廣泛應(yīng)用于果蔬、肉類、水產(chǎn)、化工品、醫(yī)藥、育苗等的恒溫貯藏的特殊建筑物，通過采用人工制冷的方式延長貯藏物保質(zhì)期[1]。冷庫也可以為一些科學(xué)試驗(yàn)提供低溫環(huán)境[2]。近幾年隨著冷庫應(yīng)用領(lǐng)域的不斷增多，中國冷庫規(guī)模逐年擴(kuò)大。中物聯(lián)冷鏈委發(fā)布2014年中國冷庫總量達(dá)到3.320×107t，且“十三五”期間中國冷庫需求有望呈年均15%～20%趨勢穩(wěn)健增長。而冷庫也是耗電的大戶，冷庫運(yùn)行的節(jié)能降耗將是未來冷庫行業(yè)綠色發(fā)展所要面臨的首要問題。據(jù)統(tǒng)計(jì)中國每年平均冷藏耗電量為131 kW·h/m3，是英國、日本等國平均水平的2～3倍[3]。導(dǎo)致中國冷庫運(yùn)行耗電量大的主要原因有以下兩點(diǎn)：① 冷庫建造過程中制冷系統(tǒng)選擇不合理，造成冷庫運(yùn)行時(shí)的過載或冷量浪費(fèi)；② 冷庫自動化程度低下，不能對冷藏溫度實(shí)時(shí)調(diào)控，從而導(dǎo)致電能浪費(fèi)。本文擬從節(jié)能的角度，綜述制取不同低溫時(shí)選取高效制冷系統(tǒng)的方法，并對自動化技術(shù)應(yīng)用于冷庫節(jié)能的重要性及未來發(fā)展趨勢進(jìn)行展望。

1 冷庫用制冷系統(tǒng)

一般冷庫多由制冷機(jī)制冷，利用汽化溫度很低的液體作為制冷劑，使其在低壓下汽化，吸收冷庫內(nèi)的熱量，從而達(dá)到冷卻降溫的目的。又由于不同低溫貯藏的貨物所需的溫度不同，且同一低溫采用不同制冷系統(tǒng)耗能也會不同。所以對不同功用的冷庫來說，選用合適的制冷系統(tǒng)就顯得尤為重要了。有統(tǒng)計(jì)[4]表明：壓縮機(jī)耗能占系統(tǒng)總能耗2/3左右，對于冷藏溫度要求較低的系統(tǒng)，冷庫系統(tǒng)的性能很大程度上決定于制冷壓縮機(jī)的功效。由于不同領(lǐng)域?qū)Φ蜏匾蟛煌?，分別對環(huán)境溫度以下到-18 ℃，-18～-60 ℃，-60～-100 ℃ 3個(gè)常用溫度段的溫度制取方式進(jìn)行論述。

1.1 環(huán)境溫度以下到-18 ℃冷庫制冷系統(tǒng)

生活中常見的食品、藥品、疫苗等物品的存儲運(yùn)輸一般需要-18 ℃及以上溫度，此溫度相對較高，制冷系統(tǒng)壓縮比一般小于8，宜采用單級蒸氣式壓縮制冷循環(huán)。喬明琦[5]從工藝角度，對溫度要求為2～8 ℃，內(nèi)含有冷鏈包裝區(qū)、成品冷庫等功能間的綜合藥品倉庫制冷方式進(jìn)行了探討，結(jié)果表明：首先利用單級壓縮制冷系統(tǒng)制取冷量，再通過采用載冷劑(10 ℃乙二醇水溶液)為冷庫提供冷量，這種方式既能滿足藥品保存溫度要求，又能有效節(jié)約能源。單級蒸氣式壓縮制冷循環(huán)常采用容積式制冷壓縮機(jī)，如活塞式壓縮機(jī)和螺桿式壓縮機(jī)[6]。輸氣量和功率消耗作為衡量壓縮機(jī)最主要的2個(gè)性能指標(biāo)，馬麟等[7]通過活塞式與螺桿式的性能對比研究，得出當(dāng)螺桿式壓縮機(jī)和活塞式壓縮機(jī)輸入相同功率時(shí)，前者能夠獲得較高的輸氣量，即冷庫中采用螺桿式壓縮機(jī)會更加節(jié)能。在性能特點(diǎn)方面，螺桿式壓縮機(jī)具有制冷量范圍大，自動化程度高，運(yùn)行可靠性好等優(yōu)點(diǎn)[8]。馬一太等[9]對幾類常用容積式壓縮機(jī)電效率進(jìn)行分析，活塞式壓縮機(jī)電效率一般為0.50～0.65，而螺桿壓縮機(jī)電效率為0.65～0.75，因此螺桿式壓縮機(jī)在制冷循環(huán)中有更高的效率。在經(jīng)濟(jì)性方面，分別對比活塞式和螺桿式2種壓縮制冷系統(tǒng)的初投資、運(yùn)行維護(hù)、使用效率及壽命得出：當(dāng)制冷量大且長時(shí)間運(yùn)行時(shí)，宜選擇螺桿機(jī)；當(dāng)制冷量較小，運(yùn)行時(shí)間較短時(shí)，更宜選擇活塞式壓縮機(jī)[10]。綜上所述：在溫度要求為環(huán)境溫度以下至-18 ℃的冷庫制冷中，宜選用單級壓縮制冷系統(tǒng)。而對于單級壓縮制冷系統(tǒng)壓縮機(jī)的選擇，大中型冷庫選擇螺桿式制冷壓縮機(jī)更加節(jié)能高效，小型及運(yùn)行時(shí)間較短的冷庫選擇活塞式制冷壓縮機(jī)會更加經(jīng)濟(jì)節(jié)能。

1.2 -18～-60 ℃冷庫制冷系統(tǒng)

對于-18～-60 ℃溫度區(qū)間的制冷，理論上可供選擇的制冷壓縮系統(tǒng)包括：單級系統(tǒng)、雙級系統(tǒng)、復(fù)疊式系統(tǒng)。由于一些食品特別是水產(chǎn)品等在冷藏中對溫度要求較低，欲達(dá)到-18～-60 ℃的溫度區(qū)間，就要求蒸發(fā)器蒸發(fā)溫度較低，而且這種冷庫制冷系統(tǒng)壓縮比既可能出現(xiàn)小于8的情況，又有可能出現(xiàn)大于8的情況。孫志高等[11]打破了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)模式限制，利用共沸工質(zhì)R404a充注單級壓縮制冷系統(tǒng)并進(jìn)行保存箱制冷試驗(yàn)探究，最終在1.7 h內(nèi)使箱內(nèi)溫度下降至-43 ℃，并且系統(tǒng)在運(yùn)行過程中安全、穩(wěn)定。與單級壓縮相比，將制冷劑分2個(gè)階段進(jìn)行壓縮，以制取更低溫度的循環(huán)系統(tǒng)被稱為雙級壓縮系統(tǒng)，其蒸發(fā)溫度可以低至-60 ℃[12-13]。張建一等[14]通過工程實(shí)例，從技術(shù)經(jīng)濟(jì)角度對單級和雙級2種壓縮方式進(jìn)行了分析論證，結(jié)果表明：在蒸發(fā)溫度低于-18 ℃，且不管壓縮比小于8還是大于8的工況下，采用雙級壓縮時(shí)理論制冷系數(shù)都比采用單級壓縮有很大提高。由于螺桿制冷壓縮機(jī)具有吸氣、壓縮、排氣單向進(jìn)行的特點(diǎn)，在單級壓縮制冷系統(tǒng)中加入經(jīng)濟(jì)器，且在壓縮機(jī)壓縮過程中設(shè)置一個(gè)能夠吸入經(jīng)濟(jì)器閃發(fā)蒸氣的中間補(bǔ)氣孔口，那么單級壓縮就具有了和雙級壓縮一樣的工作過程[15]。帶經(jīng)濟(jì)器的螺桿式制冷壓縮系統(tǒng)(即準(zhǔn)雙級運(yùn)行)與活塞式雙級壓縮制冷系統(tǒng)相比，既降低了運(yùn)行成本，又便于操作管理[16]。帶經(jīng)濟(jì)器的螺桿式系統(tǒng)通常用于蒸發(fā)溫度高于-45 ℃的場合。復(fù)疊式制冷系統(tǒng)由低溫和高溫兩部分組成，在兩部分分別充注沸點(diǎn)不同的制冷工質(zhì)[17]。NH3/CO2復(fù)疊系統(tǒng)是利用NH3作為高溫制冷劑，CO2作低溫制冷劑，由于NH3/CO2良好的物理性質(zhì)與經(jīng)濟(jì)性，此系統(tǒng)既能滿足經(jīng)濟(jì)要求又能滿足環(huán)境要求[18]。國內(nèi)外研究[19-21]表明：相比于常規(guī)制冷劑復(fù)疊循環(huán)與雙級循環(huán)，NH3/CO2制冷循環(huán)有一定的特殊性，即當(dāng)蒸發(fā)溫度在-40 ℃以下時(shí)，NH3/CO2復(fù)疊式循環(huán)性能系數(shù)高于NH3雙級壓縮循環(huán)系統(tǒng)；但當(dāng)蒸發(fā)溫度在-40 ℃以上時(shí)，NH3雙級循環(huán)的性能優(yōu)于NH3/CO2復(fù)疊循環(huán)。又由于NH3/CO2是一對環(huán)保高效的制冷工質(zhì)，因此在-30～-40 ℃食品冷凍冷藏中具有廣闊的應(yīng)用前景和巨大的發(fā)展?jié)摿22-23]。因此，對于-15～-30 ℃制冷區(qū)間，特別是在系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間較少的場合，如冷藏船、冷藏車、小型冷庫以及一些試驗(yàn)裝置等，在能夠滿足工藝性生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)性運(yùn)行的前提下，為了簡化系統(tǒng)，可以選擇合適的單級壓縮制冷系統(tǒng)；在-30～-60 ℃制冷區(qū)間中，既可以選擇雙級壓縮制冷系統(tǒng)又可以選擇不同制冷劑組合的復(fù)疊制冷系統(tǒng)，具體選擇可根據(jù)冷藏物性質(zhì)及運(yùn)行費(fèi)用綜合考慮。為了簡化系統(tǒng)，-45 ℃低溫時(shí)也推薦采用帶經(jīng)濟(jì)器的螺桿式單級系統(tǒng)。

1.3 -60～-100 ℃冷庫制冷系統(tǒng)

對于制冷溫度為-60～-100 ℃的區(qū)間，理論上可供選擇的制冷壓縮系統(tǒng)包括：雙級系統(tǒng)、復(fù)疊式系統(tǒng)和自復(fù)疊式系統(tǒng)等。通過對雙級壓縮和復(fù)疊式制冷系統(tǒng)的吸氣壓力、制冷系數(shù)等參數(shù)進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析得出：在相同工況下，-60 ℃ 以下低溫的制取，復(fù)疊式壓縮更加節(jié)能，更具有應(yīng)用前景[24-25]。更多研究[26-27]得出：在溫度低于-60 ℃時(shí)，復(fù)疊制冷系統(tǒng)優(yōu)于雙級壓縮制冷系統(tǒng)。自復(fù)疊系統(tǒng)是利用一臺壓縮機(jī)對多種沸點(diǎn)不同的工質(zhì)進(jìn)行多級復(fù)疊壓縮的制冷循環(huán)系統(tǒng)，因其結(jié)構(gòu)上所具有的特點(diǎn)，自復(fù)疊式循環(huán)系統(tǒng)也是制取-60～-80 ℃溫度區(qū)間的常用方式之一[28]。以上研究結(jié)論表明：-60～-100 ℃區(qū)間溫度的制取，使用復(fù)疊制冷系統(tǒng)將更加經(jīng)濟(jì)節(jié)能。

2 冷庫的自控

目前，中國大多數(shù)冷庫控制處于手動控制或者自控程度比較低的水平，眾多研究[29-30]表明，由于大多數(shù)冷庫自控程度的差異，相同冷藏溫度下其中全自動冷庫相比于手動控制的冷庫節(jié)電約5%～15%，而且由于前者溫、濕度控制精準(zhǔn)，冷凍冷藏出來的食品質(zhì)量更高。因此冷庫自控水平的提高及完善將有利于改善冷庫運(yùn)行現(xiàn)狀，即改善冷庫冷藏效果以及降低冷庫能源消耗。常見大中型冷庫的自動控制一般以集中監(jiān)控、分散控制的原則將自控系統(tǒng)分為三部分：控制層、監(jiān)控層、設(shè)備層。

2.1 控制層

傳統(tǒng)冷庫控制大多采用繼電器、邏輯電路及單片機(jī)控制，但隨著冷庫自控化程度要求越來越高，當(dāng)前，冷庫的自動控制大多是利用基于現(xiàn)場工業(yè)總線PLC(Programer Logic Controller，可編程式控制器)的集散式控制系統(tǒng)[31]。黃榮雪[32]通過對PLC控制與傳統(tǒng)控制2種方式的對比，得出用PLC控制系統(tǒng)不僅會大大減少接線數(shù)量，而且也將縮小控制電路所占用控制系統(tǒng)的空間，有效提高工作效率。PLC系統(tǒng)與傳統(tǒng)單片機(jī)相比，具有編程簡單，易于掌握等優(yōu)點(diǎn)。PLC的工作過程是通過內(nèi)部存儲器編寫的程序，進(jìn)行邏輯、順序和算術(shù)運(yùn)算，計(jì)時(shí)、計(jì)數(shù)等操作的指令，再通過控制器工業(yè)控制元件相連接的接口，輸入和輸出模擬式數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程[33]。通過對采用PLC自控系統(tǒng)的小型冷庫進(jìn)行制冷性能研究，發(fā)現(xiàn)PLC控制下的小型冷庫相比于傳統(tǒng)控制，不僅能耗有所降低，而且能夠?qū)崿F(xiàn)在無人值守情況下的高效運(yùn)行[34-36]。孟大偉等[37]通過對采用PLC自控系統(tǒng)的大型冷庫進(jìn)行分析研究，得出該冷庫既能滿足安全環(huán)保要求，又能節(jié)約冷庫運(yùn)營成本和提高冷庫運(yùn)行效率。丁莉君[38]通過對基于PLC的立體冷庫自控系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)研究，實(shí)現(xiàn)了冷藏物完全自動化的入庫和出庫，該實(shí)踐表明PLC自控技術(shù)對現(xiàn)代化立體冷庫自動控制的實(shí)現(xiàn)具有重大意義。因此，PLC技術(shù)在冷庫自控方面的應(yīng)用將有效提高冷庫運(yùn)行效率，降低冷庫運(yùn)行能耗。

2.2 監(jiān)控層

監(jiān)控層是集中管理與操作的核心層。控制層的PLC與監(jiān)控層的人機(jī)交互頁面通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信號傳遞，控制人員通過人機(jī)界面上所安裝的組態(tài)軟件進(jìn)行設(shè)備狀態(tài)的查看、設(shè)置、報(bào)警等管理，生成報(bào)表，設(shè)備運(yùn)行各項(xiàng)數(shù)據(jù)采集與管理等，因此人機(jī)界面的組態(tài)軟件是實(shí)現(xiàn)設(shè)備控制智能化的關(guān)鍵部分。徐旻晟等[39]通過LABVIEW軟件，設(shè)計(jì)出一套超低溫冷庫監(jiān)控系統(tǒng)，經(jīng)試驗(yàn)表明該系統(tǒng)能夠?qū)鋷爝M(jìn)行實(shí)時(shí)、高精度監(jiān)控，且該系統(tǒng)人工交互界面友好、操控簡單、功能完善。王帥[40]通過上位機(jī)軟件King view與PLC的搭配，通過設(shè)置計(jì)算機(jī)與人機(jī)界面同時(shí)控制冷庫，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)冷庫的監(jiān)測控制等自動化功能，而且即使當(dāng)計(jì)算機(jī)發(fā)生故障時(shí)，也能有效避免整個(gè)冷庫系統(tǒng)癱瘓。Sousa等[41]通過開發(fā)一種嵌入式監(jiān)測系統(tǒng)安裝于冷庫，實(shí)現(xiàn)了冷庫各運(yùn)行參數(shù)的采集、分析與調(diào)節(jié)。如今上位機(jī)組態(tài)軟件功能模塊越來越完善，相對于傳統(tǒng)編程其優(yōu)勢在于能夠利用通俗易懂圖形構(gòu)件，以數(shù)據(jù)流的形式搭配計(jì)算機(jī)完成儀器的編程、數(shù)據(jù)的采集[42]。而且隨著大數(shù)據(jù)時(shí)代的到來，數(shù)據(jù)的存儲與分析與深度挖掘?qū)@得尤為重要，對于冷庫系統(tǒng)來說，監(jiān)控層是對整個(gè)冷庫運(yùn)行數(shù)據(jù)收集功能的重要部分，通過人機(jī)界面組態(tài)軟件所保存的設(shè)備運(yùn)行參數(shù)，技術(shù)人員能夠通過其對隱藏于生產(chǎn)過程的相關(guān)規(guī)律性知識、控制人員的操作經(jīng)驗(yàn)與決策進(jìn)行深度挖掘，從而幫助用戶發(fā)現(xiàn)制冷設(shè)備所存在的問題，方便用戶進(jìn)行在線故障診斷，并能夠有效為用戶提供在線故障解決方案，而且為以后的系統(tǒng)及設(shè)備維護(hù)和升級改造提供依據(jù)，進(jìn)而提高制冷系統(tǒng)運(yùn)行效率，減少能源浪費(fèi)。

2.3 設(shè)備層

先進(jìn)的軟件只是實(shí)現(xiàn)冷庫自控的一個(gè)重要部分，另一個(gè)重要部分是能夠傳輸軟件命令對冷庫進(jìn)行溫濕度控制與信息采集的硬件設(shè)施。常安裝于自動化冷庫中的感應(yīng)部件有溫度傳感器、壓力傳感器、質(zhì)量流量傳感器、電力儀表、各種電磁閥及接觸器等[43]。自控冷庫溫度的調(diào)控是通過溫度傳感器自動將采集值與設(shè)定值進(jìn)行比對，比對信息傳輸?shù)奖O(jiān)控層，隨后系統(tǒng)智能調(diào)節(jié)供液閥，回氣閥，以及冷風(fēng)機(jī)的順序延時(shí)開停；對于冷風(fēng)機(jī)蒸發(fā)器來說，自動除霜功能是通過程序設(shè)定好除霜時(shí)間與周期，根據(jù)設(shè)定系統(tǒng)智能關(guān)閉或開啟熱氨閥，蒸發(fā)器進(jìn)口端的供液電磁閥、回氣電磁閥和庫內(nèi)冷風(fēng)機(jī)[44]。若冷卻物冷藏庫中二氧化碳濃度也需要實(shí)時(shí)監(jiān)測，則可以安裝二氧化碳傳感器[45]。對于適配于各種微機(jī)控制的數(shù)字溫度傳感器，能輸出即時(shí)溫度監(jiān)測數(shù)據(jù)及溫度相關(guān)量，可以使冷庫在無人值守的情況下全自動正常運(yùn)行[46-47]。兀偉等[48]通過數(shù)字式溫濕度傳感器對一大型冷庫進(jìn)行多點(diǎn)溫濕度參數(shù)監(jiān)測，并將采集數(shù)據(jù)傳輸至上位機(jī)，長時(shí)間的監(jiān)測結(jié)果表明通過傳感器監(jiān)測控制的冷庫運(yùn)行更加安全、穩(wěn)定和高效。美國、荷蘭等西方國家在漁船冷庫中利用各種傳感器對溫度，壓力等各種信息進(jìn)行采集，再結(jié)合船只控制系統(tǒng)，方便船員實(shí)時(shí)控制冷庫運(yùn)行并實(shí)現(xiàn)自動化[49]。旋轉(zhuǎn)編碼器常應(yīng)用于立體式冷庫測量位移，處理轉(zhuǎn)動，也利用微動開關(guān)對立體式冷庫庫位是否上貨進(jìn)行檢測[50]。設(shè)備層的各種傳感器在整個(gè)冷庫自控系統(tǒng)中屬于金字塔最低端，但是又屬于核心部分。因此制冷系統(tǒng)中各種傳感器、電磁閥的應(yīng)用對未來冷庫自控的發(fā)展至關(guān)重要。

3 結(jié)論與展望

制冷能耗在各行業(yè)中占很大比重，有統(tǒng)計(jì)[51-52]稱制冷設(shè)備用電約占中國總耗電的1/7。隨著中國能源日益緊張，節(jié)能也成為冷庫建造首要考慮的問題。由于冷庫目前廣泛采用壓縮式制冷裝置，因此在制冷系統(tǒng)中壓縮機(jī)及壓縮方式的選取對于冷庫節(jié)能顯得尤為重要。而且為了追求冷庫控制更加高效節(jié)能，冷庫控制完全自動化必然將成為未來冷庫發(fā)展的一大趨勢；現(xiàn)今互聯(lián)網(wǎng)、人工智能等先進(jìn)科技蓬勃發(fā)展，將為冷庫的完全智能化控制提供更大機(jī)遇。