冷庫低碳新技術(shù)研究進(jìn)展

楊智康 楊大章,3,4 謝 晶,3,4 霍昳琳

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

冷庫在食品行業(yè)中承擔(dān)著食品冷凍保鮮、儲(chǔ)藏加工及冷藏運(yùn)輸?shù)戎匾δ?。近年來，中?guó)冷庫建設(shè)飛速發(fā)展，預(yù)計(jì)在2021年總?cè)萘繉⑼黄?.95億/m3。隨著冷庫規(guī)模的急劇增長(zhǎng)，冷庫建筑高能耗成為了一個(gè)不可忽視的問題。文章介紹冷庫的低碳量化指標(biāo)及能耗評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，并歸納應(yīng)用于冷庫的低碳新技術(shù)，以期為今后新型冷庫的建設(shè)提供理論依據(jù)。

1 冷庫低碳量化指標(biāo)及能耗評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

為了解決冷庫能耗高的問題，在建設(shè)冷庫時(shí)引入了低碳新技術(shù)，同時(shí)對(duì)該技術(shù)效果進(jìn)行檢驗(yàn)，制定相關(guān)的低碳量化指標(biāo)和能耗評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)也是十分必要的。然而目前關(guān)于冷庫低碳量化指標(biāo)的研究較少，未形成有效的能耗評(píng)價(jià)體系，由于中國(guó)幅員遼闊，各地區(qū)間氣候條件差異較大，并且冷庫根據(jù)貯藏貨物的類型及功能不同，分為高溫庫、低溫庫和冰溫庫。因此，應(yīng)根據(jù)不同地區(qū)的氣候情況及冷庫的類型制定相應(yīng)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)[1]。以上海為例，按不同的產(chǎn)品與冷加工方式制定了相應(yīng)的耗電定額[1](表1)。另外，可依據(jù)產(chǎn)品單位耗電量與產(chǎn)品單位耗電定額之比(η)將冷庫能效分為5個(gè)等級(jí)(表2)，其中5級(jí)為入門級(jí)別，2級(jí)以上則代表節(jié)能低碳[2]。

表1 上海市冷庫耗電定額?

表2 冷庫能源效率等級(jí)

2 冷庫低碳制冷新技術(shù)

制冷是冷庫能源消耗和電網(wǎng)負(fù)荷增加的主要因素之一，在冷庫中約70%的能耗源于制冷系統(tǒng)。在節(jié)約能源與保護(hù)環(huán)境的雙重要求下，世界各國(guó)的研究人員都在不斷地對(duì)制冷系統(tǒng)及技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)，研發(fā)應(yīng)用高效能、低污染的制冷方式。

2.1 CO2制冷系統(tǒng)

氨具有良好的熱力學(xué)性能、天然、零污染等優(yōu)點(diǎn)，因而被廣泛應(yīng)用于全球冷庫的制冷系統(tǒng)中。但是氨具有毒性，氨的泄漏可能會(huì)引發(fā)重大的安全事故。在環(huán)保和安全的雙重要求下，CO2制冷劑因無毒、不易燃、價(jià)格低廉、單位容積制冷量較高、運(yùn)動(dòng)黏度較低，尤其是不會(huì)破壞臭氧層等優(yōu)點(diǎn)，使CO2制冷劑成為了氨制冷劑的最佳替代品[3]。特別是劉軍等[4]將CO2/NH3復(fù)疊制冷系統(tǒng)運(yùn)用于大型冷庫中，盡管設(shè)備的初投資成本較純氨制冷系統(tǒng)提高了約16.6%，但減少了制冷劑氨的充注量，提升了安全性，降低了后續(xù)的管理運(yùn)行成本。

但是CO2的臨界溫度為31.1 ℃，在大多數(shù)制冷系統(tǒng)中處于超臨界狀態(tài)，故當(dāng)CO2制冷系統(tǒng)在溫暖或炎熱的氣候區(qū)運(yùn)行時(shí)，其性能會(huì)下降[3]。此外，由于CO2制冷系統(tǒng)高壓側(cè)壓力較高，需要設(shè)計(jì)能夠承受極高工作壓力的部件[5]，并且由于氣體冷卻過程中CO2的平均溫度較高，膨脹裝置前后壓差較大，系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生較大的熱損失和節(jié)流損失，因此在相同條件下，CO2制冷系統(tǒng)能效比(COP)低于傳統(tǒng)壓縮式制冷循環(huán)系統(tǒng)[6]。

針對(duì)上述問題，許多學(xué)者對(duì)CO2制冷系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)。周成君等[7]將地源熱泵技術(shù)運(yùn)用于冷庫的CO2制冷系統(tǒng)中，讓系統(tǒng)始終維持在亞臨界范圍內(nèi)運(yùn)行，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。Belusko等[8]提出了露點(diǎn)冷卻技術(shù)概念，研究結(jié)果表明在高溫氣候條件下，該技術(shù)與CO2制冷系統(tǒng)耦合可減少16%的年能耗和47%的峰值需求。使用省煤器能降低氣體冷卻器后的溫度，從而提高跨臨界CO2循環(huán)能效。Catalan-Gil等[9]分析比較了帶省煤器的不同增壓器結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)省煤器與附加壓縮機(jī)的組合能給氣候溫暖的國(guó)家節(jié)省高達(dá)8.5%的能源，其在氣候寒冷的國(guó)家節(jié)省高達(dá)4%的能源。

2.2 光伏制冷技術(shù)

光伏制冷技術(shù)是將可再生能源太陽能轉(zhuǎn)換為電能和/或熱能從而實(shí)現(xiàn)制冷的技術(shù)，光伏制冷良好地匹配了太陽能資源與制冷的需求[10]。李澤宇等[11]將太陽能吸收—過冷壓縮式復(fù)合制冷系統(tǒng)運(yùn)用于冷庫制冷中，利用太陽能直驅(qū)吸收子系統(tǒng)為壓縮子系統(tǒng)提供冷量，模擬結(jié)果表明采用該系統(tǒng)的冷庫，單位面積年節(jié)約電量可達(dá)63 kW/h，不到7年就可回收投資成本。

然而，若想要充分利用光伏制冷技術(shù)，就必須解決太陽能固有的間歇性問題。因此，在光伏制冷系統(tǒng)中，能量的存儲(chǔ)是不可缺少的一環(huán)。目前常見的儲(chǔ)存方法是利用電池來儲(chǔ)存太陽能板產(chǎn)生的剩余電力，或者利用蓄冷的方式來儲(chǔ)存冷水機(jī)組產(chǎn)生的過剩冷量。Han等[12]提出了一種光伏直驅(qū)冰蓄冷系統(tǒng)，該系統(tǒng)COP為1.028，太陽能利用效率為7.1%。Lillo-Bravo等[13]介紹了一種獨(dú)立光伏冷卻裝置的新型存儲(chǔ)系統(tǒng)，該系統(tǒng)在蒸汽壓縮冷卻循環(huán)中使用飽和混合相氨的隔熱儲(chǔ)罐，是一種經(jīng)濟(jì)可行的替代電池的方案。Sarafoji等[14]對(duì)集成相變材料的太陽能光伏冷庫進(jìn)行了性能分析，測(cè)試結(jié)果表明引入相變材料能使冷庫系統(tǒng)保持設(shè)定溫度的時(shí)間增加約35%，降低了約16%的總功耗。

光伏制冷壓縮機(jī)由于受到間歇性太陽輻射的影響，長(zhǎng)期處于不穩(wěn)定的工作狀態(tài)，因此需要對(duì)其進(jìn)行控制。Zhou等[15]將最大功率點(diǎn)跟蹤與恒頻電壓相結(jié)合的控制方法應(yīng)用于光伏冷庫中，提高了直驅(qū)模式下的壓縮機(jī)利用率，系統(tǒng)性能也提高了9.18%。周曉艷等[16]提出了動(dòng)態(tài)等效阻抗匹配控制方法，該方法控制的系統(tǒng)將光電轉(zhuǎn)換效率、制冰量和制冷系統(tǒng)利用率都分別提升了41.0%，64.1%，63.5%。

2.3 液化天然氣制冷技術(shù)

液化天然氣(Liquid Natural Gas，LNG)制冷技術(shù)是指在大氣壓力下將天然氣脫酸、脫水，并冷卻至-162 ℃，利用LNG運(yùn)送至終端后的再汽化過程所釋放的冷能實(shí)現(xiàn)冷庫制冷。每立方米LNG含有約625 m3的天然氣，具有很高的能量密度[17]，可釋放約830 kJ/kg的冷能[18]。利用這部分冷能作為冷庫的冷源，則既能節(jié)省制冷設(shè)備的投資，又能降低制冷能耗，有很高的經(jīng)濟(jì)和環(huán)保收益。但常規(guī)冷庫無法充分利用LNG的全部冷能，為了將LNG冷能更有效地應(yīng)用于冷庫系統(tǒng)中，需要對(duì)其進(jìn)行梯級(jí)利用[19](圖1)。董建鍇等[20]在LNG換熱器端及冷庫末端進(jìn)行了冷能的梯級(jí)利用改造，通過HYSYS模擬結(jié)果表明，該冷庫系統(tǒng)COP和效率分別為1.82和80.2%，有較好的經(jīng)濟(jì)收益。張連乙等[21]將冷庫分為-60,-35,<0,0～10 ℃等不同溫度帶，將系統(tǒng)制冷成本下降37.5%。同樣，汪乘紅等[22]也將冷庫劃分為低溫(-23～-30 ℃)、中溫(-15～-20 ℃)和高溫(0～2 ℃)3個(gè)區(qū)域，該系統(tǒng)COP為1.79，效率可達(dá)78.04%，年凈收益約31.02萬元。因此，LNG制冷技術(shù)是傳統(tǒng)制冷到可再生能源制冷的最佳過渡選擇。

圖1 LNG冷能梯級(jí)利用

3 蓄冷技術(shù)

蓄冷技術(shù)是指在電力負(fù)荷較低時(shí)，通過運(yùn)行制冷機(jī)組獲得制冷量，并將其儲(chǔ)存在蓄冷介質(zhì)中，然后在電力負(fù)荷高峰期間釋放制冷量，以滿足冷負(fù)荷需求，從而達(dá)到移峰填谷、節(jié)約用電成本的目的。蓄冷技術(shù)能夠調(diào)節(jié)冷能供需在時(shí)間和強(qiáng)度上的不匹配性，已成為改善中國(guó)電力短缺狀況的重要措施[23-24]。

在蓄冷技術(shù)中通常選用相變材料作為蓄冷介質(zhì)。相變材料是一種能通過改變自身相態(tài)來釋放潛熱，對(duì)環(huán)境溫度產(chǎn)生影響的物質(zhì)，具有很高的儲(chǔ)能密度，是當(dāng)今蓄冷材料領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。一般來說，選擇相變材料時(shí)需要考慮以下特性：熔化溫度在工作溫度范圍內(nèi)，熔化潛熱高，導(dǎo)熱性好，過冷度低，儲(chǔ)能密度高，相變體積變化小，腐蝕性小，無毒，不易燃，易獲取且成本較低等[25]。對(duì)常見的相變蓄冷材料進(jìn)行了分類[23-25]，見表3，對(duì)有機(jī)、無機(jī)、共晶相變蓄冷材料的性能進(jìn)行了比較[24-26]，見表4。

表3 相變蓄冷材料的分類

表4 3類相變蓄冷材料性能比較

然而，目前相變材料在冷庫中的應(yīng)用還存在一些缺陷，主要表現(xiàn)為[27]：① 過冷度大。過冷會(huì)使儲(chǔ)能階段所需的外部溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于蓄冷材料的相變溫度，從而增加能耗并降低能量釋放階段的效率。② 導(dǎo)熱性差?？傮w上相變蓄冷材料的導(dǎo)熱性能較差，這會(huì)導(dǎo)致能量傳輸緩慢，增加儲(chǔ)能時(shí)間及成本。③ 穩(wěn)定性差。主要體現(xiàn)在相分離、過冷、相變溫度波動(dòng)、回收后相變潛熱降低等現(xiàn)象中。④ 力學(xué)性能差。大多數(shù)相變材料在相變前后不能保持一定的形狀。

對(duì)于這些常見問題，當(dāng)前有以下解決方案[28]：① 添加成核劑，促進(jìn)材料相變期間晶核的形成，加速結(jié)晶速率，從而降低過冷度；② 添加高導(dǎo)熱性納米材料，并使其均勻分散在相變材料中，以提高材料整體導(dǎo)熱性；③ 加入高分子聚合物，以降低材料的過冷度，消除相分離從而提高材料的力學(xué)性能和熱穩(wěn)定性。

Xia等[29]設(shè)計(jì)了一種基于相變材料的蓄冷冷凝熱回收系統(tǒng)，并開發(fā)了一種適用于冷庫的新型相變復(fù)合材料。Rajan等[30]對(duì)集成了生物炭納米顆粒相變材料的冷藏系統(tǒng)進(jìn)行了性能分析，發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)具有較高的節(jié)能潛力。De Falco等[31]將裝有相變材料和水的儲(chǔ)能罐與HVAC系統(tǒng)中的循環(huán)冷水機(jī)耦合，來達(dá)到優(yōu)化性能、減少冷量峰值的目的。Lu等[32]提出將相變材料吊頂與地—?dú)鉄峤粨Q器制冷系統(tǒng)耦合，有效降低了冷庫的峰值溫度。

3.1 液態(tài)空氣儲(chǔ)能技術(shù)

液態(tài)空氣儲(chǔ)能是指用驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)將環(huán)境空氣壓縮成高壓空氣，再讓壓縮空氣吸收冷能節(jié)流液化，使電能以液態(tài)空氣的形式儲(chǔ)存下來。當(dāng)需要使用冷能時(shí)，液態(tài)空氣釋放冷能并在渦輪中加熱膨脹，產(chǎn)生的高溫高壓氣體做功帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電[33]。與傳統(tǒng)的壓縮空氣儲(chǔ)能不同的是液態(tài)空氣儲(chǔ)能不同需要在地下洞室中儲(chǔ)存大量的高壓空氣，而是將液態(tài)空氣儲(chǔ)存在大氣壓下，從而大幅度提高了空氣儲(chǔ)能密度且不受地理環(huán)境限制[34]。

蓄冷技術(shù)是液態(tài)空氣儲(chǔ)能技術(shù)的核心，決定了系統(tǒng)能源利用效率。Chen等[35]提出了一種以相變材料為蓄冷介質(zhì)的液態(tài)空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)，并選取12種相變材料與乙二醇溶液共同構(gòu)建了一個(gè)完整的冷庫。圖2展示了該裝置的系統(tǒng)流程圖。She等[36]將液態(tài)空氣儲(chǔ)能與LNG的再汽化過程通過布雷頓循環(huán)進(jìn)行集成，循環(huán)的熱源利用液態(tài)空氣儲(chǔ)能的余熱，冷源利用LNG再汽化的廢冷，該系統(tǒng)可將系統(tǒng)效率和電氣往返率分別提高14.4%和56.5%。白文剛等[37]提出了基于有機(jī)朗肯循環(huán)(ORC)的新型液態(tài)空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過回收利用放電過程中的冷熱能，進(jìn)一步提升了系統(tǒng)效率。

圖2 液態(tài)空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)流程圖[35]

3.2 冰漿蓄冷技術(shù)

冰漿是一種微小的冰顆粒(直徑為10～100 mm)和載體溶液的混合物[38]。冰漿蓄冷系統(tǒng)可以在沒有任何輔助設(shè)備的條件下直接將冷能從冰漿儲(chǔ)罐供應(yīng)到冷卻盤管，不僅降低了系統(tǒng)總成本，減小了運(yùn)輸系統(tǒng)規(guī)模，還提高了系統(tǒng)效率。

為了進(jìn)一步提升系統(tǒng)運(yùn)行效率和降低運(yùn)行成本，Tiwari等[39]對(duì)傾斜空腔內(nèi)冰漿的產(chǎn)生進(jìn)行了流場(chǎng)、溫度、形態(tài)和固相組分分布模擬，確定了腔傾角、溶質(zhì)初始濃度和Stefan數(shù)等參數(shù)對(duì)冰漿生成性能的影響；Kumar等[40]對(duì)間歇式冰漿發(fā)生器中冰漿的形成過程進(jìn)行了數(shù)值研究，并對(duì)圓柱形冰漿發(fā)生器進(jìn)行了熱力學(xué)性能分析，對(duì)其Stefan數(shù)、抑制劑濃度和長(zhǎng)徑比等進(jìn)行了優(yōu)化；Zhang等[41]開發(fā)了一種新型冰漿蓄冷強(qiáng)化真空冷卻系統(tǒng)，該系統(tǒng)集成了一個(gè)冷庫部分，儲(chǔ)存在非高峰用電期間產(chǎn)生的冰漿，之后利用這些冰漿在高峰用電期間進(jìn)行真空冷卻，使運(yùn)行成本降低了30.2%。

冰漿蓄冷系統(tǒng)因具有節(jié)能環(huán)保、響應(yīng)速度快、布置靈活、安裝方便、溫濕度控制穩(wěn)定、運(yùn)行費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)，有望逐步取代現(xiàn)有的蓄冷技術(shù)，成為中國(guó)冷庫冰蓄冷技術(shù)的主流。

4 冷庫氣流組織優(yōu)化

若冷庫內(nèi)氣流分布不良不僅會(huì)對(duì)制冷系統(tǒng)的運(yùn)行產(chǎn)生一定負(fù)擔(dān)，還會(huì)對(duì)冷庫內(nèi)貯藏的食物品質(zhì)造成影響。

4.1 冷風(fēng)機(jī)布置

冷風(fēng)機(jī)的布置與風(fēng)速設(shè)定是影響冷庫內(nèi)氣流組織分布的關(guān)鍵。冷風(fēng)機(jī)出口風(fēng)速越大，帶走室內(nèi)的熱負(fù)荷就越快，可以使冷庫溫度場(chǎng)分布均勻，但是過大的風(fēng)速也會(huì)增加冷藏食品的干耗，因此需要調(diào)整最佳吹風(fēng)速度。在位置方面，應(yīng)避免在冷風(fēng)機(jī)前放置貨物架，防止空氣回流造成食品干耗。此外，應(yīng)避免將冷風(fēng)機(jī)布置在出入口附近，以防止開門時(shí)熱氣流的影響。田甜等[42]對(duì)3種擺放位置的冷風(fēng)機(jī)分別進(jìn)行了模擬(圖3)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)冷風(fēng)機(jī)布置在寬度方向或中間位置時(shí)，會(huì)有回流渦旋形成，不利于食品冷藏，而在長(zhǎng)度方向上布置冷風(fēng)機(jī)，能使氣流均勻分布，減少死角區(qū)域。

圖3 冷風(fēng)機(jī)在不同位置上的布置方式

4.2 貨物堆疊方式

貨物的堆疊方式也是影響冷庫內(nèi)氣流組織的一個(gè)重要因素。不合理的堆疊方式會(huì)導(dǎo)致冷庫內(nèi)氣流不均勻，出現(xiàn)不同的溫度區(qū)，導(dǎo)致儲(chǔ)存產(chǎn)品的冷卻速率不一致，在高溫下食品的呼吸率過高，而在低溫下食品又會(huì)受到霜結(jié)傷害，增加貨損率。李藝哲等[43]研究發(fā)現(xiàn)在貨物堆垛附近的溫度與冷庫內(nèi)其他區(qū)域之間有著較為明顯的溫差，通過改變堆垛方式或降低堆垛高度增大貨物之間的間隙，可以優(yōu)化庫內(nèi)空氣流動(dòng)。曾晰[44]對(duì)8垛和4垛兩種方式進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)增加堆垛數(shù)量能使空氣流通更順暢，換熱效率更高。

4.3 纖維織物風(fēng)管送風(fēng)

纖維織物風(fēng)管作為一種新型送風(fēng)形式，在冷庫中得到了廣泛應(yīng)用。該送風(fēng)方式利用聚酯纖維制成的管道與風(fēng)機(jī)相連接，使冷空氣以纖維滲透或噴孔射流等方式輸送到冷庫的各個(gè)區(qū)域。這種新型送風(fēng)形式有出風(fēng)均勻、覆蓋范圍廣、溫度場(chǎng)均勻、空氣流速小、減少干耗等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)冷庫內(nèi)食品品質(zhì)有較大的提升，并能夠通過小功率風(fēng)機(jī)進(jìn)行長(zhǎng)距離送風(fēng)，節(jié)能效果顯著。劉康佳等[45]對(duì)纖維織物風(fēng)管送風(fēng)方式進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)該送風(fēng)方式能使貨物之間的溫差維持在1.5 ℃，且風(fēng)速衰減幅度小，保證了冷庫內(nèi)溫度場(chǎng)和速度場(chǎng)的分布均勻。李爽等[46]指出在冷庫中需要采用大滲透率的纖維材料(40～100 mm/s)，使?jié)B透風(fēng)量達(dá)到總風(fēng)量的40%以上，這樣既能防止凝露，又能保證均勻送風(fēng)。

5 總結(jié)與展望

傳統(tǒng)合成制冷劑會(huì)對(duì)環(huán)境造成不可逆的破壞，制冷行業(yè)正在尋找一種在制冷性能、經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保方面都更加優(yōu)秀的替代品。如今，中國(guó)正大力提倡實(shí)現(xiàn)“碳中和”的環(huán)境保護(hù)政策，高能耗的冷庫建筑在降低碳排放上有巨大的潛力。在制冷方面，CO2作為制冷劑能大幅度降低碳排放，并且有較好的安全保障，可能成為未來大、中型冷庫制冷劑的首選；而光伏制冷技術(shù)和液化天然氣制冷技術(shù)則是對(duì)可再生能源和清潔能源的充分利用，補(bǔ)充了冷庫對(duì)電量和冷量的需求；在蓄冷方面，液態(tài)空氣儲(chǔ)能和冰漿蓄冷這兩類技術(shù)可通過介質(zhì)狀態(tài)變化存儲(chǔ)冷量，達(dá)到移峰填谷、節(jié)約用電成本的目的；在冷庫氣流組織優(yōu)化方面，可以選取冷風(fēng)機(jī)布置、貨物堆疊方式、纖維織物風(fēng)管送風(fēng)等影響因素進(jìn)行優(yōu)化。

冷庫的節(jié)能減排是長(zhǎng)期且艱巨的任務(wù)，未來研究的趨勢(shì)主要包括研發(fā)性能更高的制冷系統(tǒng)、對(duì)天然環(huán)保制冷劑的應(yīng)用進(jìn)行開發(fā)、合理利用可再生能源、研制更加高效的蓄冷材料及保溫材料、對(duì)冷庫的運(yùn)營(yíng)管理進(jìn)行智能化控制、優(yōu)化氣流組織等。