冷庫節能技術的探討

仲維勤

(中國制冷學會,北京100142)

1 引言

近些年,隨著速凍食品工業及冷鏈物流業的發展,國內冷庫有了很大的發展,同時,隨著國家對節能減排的日益重視以及整個世界對于綠色節能的追求,在冷庫的設計和運行中采取一些新的節能技術和理念顯得越發重要。結合冷庫發展的一些最新技術和趨勢,對冷庫的節能設計以及運行管理作一概述及探討。

2 冷庫節能設計

2.1 保溫材料及厚度設計

對于冷庫用保溫隔熱材料應滿足下列要求:熱導率小,密度小,吸濕性小,耐火和抗凍性,耐久性好,無異味,易于加工,價格適中等。冷庫中常用的隔熱材料有:聚氨酯 (PU)、發泡聚苯乙烯(EPS)、擠塑聚苯乙烯板 (XPS)。

聚氨酯由于其優異的隔熱性能,較低的吸水率,良好的板體強度而自然成為最佳的庫體保溫材料,目前大型的低溫冷庫絕大多數采用聚氨酯作為冷庫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、地面保溫和防冷橋處理,在外保溫庫中,XPS也比較多的用于屋面保溫,與柔性防水結合使用。

保溫材料的熱力學性能見表1。

表1 保溫材料的熱力學性能

表2為國內冷庫規范給出的熱阻R(m2·K/W)與熱流量及室內外溫差的關系[1]。

表2 熱阻值表

在以往的冷庫設計中,面積熱流量一般按照10～11選取,雖然保溫的厚度可以下降,但是以后長期的運行費用會高一些。在國外的冷庫設計中,一般會傾向于選擇較低的面積熱流量以利于以后的長期運行。

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

對于冷庫的保溫厚度,國內新修訂的冷庫設計規范有了更嚴格的要求,更傾向于采用更厚的保溫以獲得以后較低的長期運營費用。

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。作為制冷劑來說,氨有著無可比擬的優勢,主要體現在[3]:

1)熱物性非常好,主要表現在標準沸騰溫度低(-33.4℃),在冷凝器和蒸發器中的壓力適中(-15℃時的蒸發壓力為0.24MPa,30℃時的冷凝壓力為1.17MPa),單位容積制冷量大,并且其導熱系數大,蒸發潛熱也大 (-15℃時的蒸發潛熱是R12的8.12倍,R22的6.04倍),節流損失小;

2)能溶解水,對系統的干燥要求度沒有氟利昂那么嚴格;

3)空氣中含有非常微量的氨氣也很容易被察覺,有漏氣現象時易被發現;

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

5)對環境無害,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以及用作它們過渡性替代物的R123、R134A和R404A等所無法比擬的。

但氨制冷劑有毒,與空氣混合濃度在16%～25%時遇明火有爆炸危險。這也是它的應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,在ANSI/ASHRAE34-1992的安全級別中,被列為B2級。其使用也受到了一定的限制。

氨系統由于自身特性,一般采用集中式制冷,設專門機房,多應用于大型制冷系統。在我國,目前絕大多數的大型冷庫采用氨作為制冷劑,但大多數以手動控制為主。在歐美等西方發達國家,絕大多數的大型冷庫也是采用氨作為制冷劑,制冷系統以自動控制為主。日本在20世紀60～70年代曾經一度禁止采用氨作為制冷劑,但隨著氟利昂環保問題的日益突出以及氨本身優越的制冷熱物理性能,在90年代后也逐漸開始繼續在冷庫中采用氨作為制冷劑。對于冷庫,特別是中型,大型冷庫,從綠色節能的角度考慮,氨應該是制冷劑的最佳選擇。

2.3 冷風機排管布置方式

冷風機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,但是風通過順排管的壓降較小,因此所需的冷風機功率也較小,同時叉排管間最小間距小于順排,因此更易結霜,對氣流組織及換熱的影響更大,所需的融霜次數也相應增大。國內冷風機目前以叉排為主,這樣的排列方式在相同冷量的前提下,風機尺寸可以做的比較小,節省材料,初期投資也會相應減少,但是日后的運行由于風機所需的電機功率增大及融霜次數的增多,節省的投資會很快被增加的電費所抵消。因此目前在歐美,冷風機的排管布置方式一般更傾向于順排 (見圖1)。國內目前在一些較為高端的冷庫項目中也采用這一排管布置方式。

圖1 不銹鋼管鋁翅片冷風機(順排)

2.4 冷風機融霜方式

由于蒸發器表面溫度低于室內空氣溫度,空氣內的水蒸氣會在蒸發器表面凝結為霜。霜層會影響蒸發器的換熱效果,并增大了空氣通過蒸發器的阻力,導致制冷能力的下降。因此,當蒸發器表面的霜層達到一定的厚度時候,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。

目前大多數的冷庫中采用熱氣融霜的方式,相比較電融霜和水沖霜,具有節能,同時對庫內的影響小的優點。此外空氣融霜作為一種新型、節能的融霜方式在國內正處于試驗階段。文獻 [1]給出了采用空氣融霜與熱氨融霜的一個比較,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能優勢。

2.5 冷風機蒸發溫差

在以往冷庫的設計中,低溫下的蒸發溫差一般會取8～10℃。在冷凝溫度一定的情況下,制取相同冷量時,提高蒸發溫度能使壓縮機的功率消耗減少。通常而言,當蒸發溫度每升高1℃,系統產冷量將提高2.4%左右,節能效果顯著。此外,過大的蒸發溫差會導致冷風機結霜速度加快,增加了融霜的頻次,因此,目前在設計冷風機時,傾向于采取增大冷風機的蒸發面積,減小蒸發溫差 (5～7℃),提高制冷系統的蒸發溫度以達到節能的目的,這樣的做法雖然在初期冷風機的投資上會增大一些,但是增加的成本很快就會由后期壓縮機運行所節省的電量而收回。

2.6 冷風機變頻控制

冷風機在設計中,選配電機時往往是考慮到能滿足最大負荷要求,實際的運行過程中,相當長的時間內是處于低負荷運行狀態,這時電機的功率過大,導致風量也一直維持在最大工況狀態下,不僅消耗了電能,而且增加了庫內的干耗。冷風機風量與轉速成正比,風壓與轉速的平方成正比,軸功率與轉速的立方成正比。

表5列出了不同風量下對應的風機軸功率。由表可知,當系統實際運行風量與設計風量相差很大時,其節電效果是相當顯著的。因此風機采用變頻控制風量是非常有意義的。

表5 風機軸功率與風量、轉速關系

2.7 冷庫門

冷庫門是冷庫進出貨物的通道。由于冷庫門經常開啟和關閉,是冷庫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的熱負荷,而且由于增加了蒸發器的霜層厚度而降低了系統的運行效率,并且增加了沖霜的次數而增加了能耗。據文獻報道,冷庫門的性能不良可使能耗增加15%或者更多。

同時,由于庫內外的冷熱空氣在門洞的周圍進行劇烈的交換,產生大量的霧氣,門洞周圍的墻壁、地面、天棚等處易出現結露滴水、結霜、結冰等現象。經多次反復凍融循環,冷庫門周圍的建筑構造極易損壞。

因此,冷庫要實現經濟有效的運行,冷藏門是關鍵的因素之一。

在滿足使用要求的前提下,冷庫的大門應當盡可能的小,以減少冷量損失。因此在設計冷庫大門時,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。

對于普通多層冷庫,采用普通叉車或托盤車存取貨物,冷庫門高2.5～2.7m比較合適。對于采用高位叉車的冷庫,冷庫門4.5～5.0m的高度是比較合適的。冷庫門寬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,低溫冷庫采用封閉式低溫穿堂有如下優點[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量。

2)低溫穿堂能大大地減少進入低溫空間的熱負荷。由外界進入封閉式低溫穿堂的熱負荷由設置在低溫穿堂的蒸發器吸收了。由于低溫穿堂的蒸發器相比較冷庫內蒸發器工作在較高的蒸發溫度下。獲得同樣的冷量,顯然較高的蒸發溫度下運行費用會降低一些。因此看似增加了低溫穿堂增加了耗電,但實際低溫穿堂的風機每消耗1度電則庫內的冷風機會節約超過1度電。

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

目前在國外的低溫冷藏庫設計中,采用封閉穿堂已經成為公認的選擇,國內近些年設計的冷庫也越來越多的采用低溫穿堂的設計。需要說明的是封閉穿堂中控制的溫度也不應該過低,否則,設置在低溫穿堂的蒸發器將很快結霜,低溫庫內的問題就轉移到了穿堂。一般來說,冷庫封閉穿堂中溫度多控制在4～10℃。

2.9 冷庫照明

目前應用于冷庫的燈具主要有三種:

1)金屬鹵素燈:金屬鹵素燈具有發光效率高、顯色性好,特別適合于大空間的照明,在大型裝配式冷庫中有著非常廣泛的應用,但是金屬鹵素燈關閉后再啟動的時間比較長,特別是在低溫環境下,可能達到5～10分鐘。

2)低溫熒光燈:低溫熒光燈相比較金屬鹵素燈要更節能一些,同時冷光源的熒光燈對庫內溫度的影響較小,而且相比較金屬鹵素燈,熒光燈占用的高度比較少,節省了庫內空間,同時對庫內氣流組織的影響比較小。

3)LED燈:LED燈應用于冷庫也是近些年來剛剛起步,國內處于剛剛起步試驗的階段。相比較傳統照明,LED照明具有發光效率高,耗電少,使用壽命長的優點。

以一個剛完成的9660m2(155m×60m)庫內面積的冷庫為例,庫內凈高13m,要求達到200Lux的照度,設計采用金屬鹵素燈,共18列,每列8盞400W鹵素燈。表6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燈在冷庫中的應用還處于起步階段,價格也略高于傳統的金屬鹵素燈,但隨著人們對節能的日愈重視,以及LED燈本身優越的性能,相信在冷庫中的應用會越來越廣泛。

3 結語

隨著速凍食品工業及冷鏈物流業的發展、國家對節能減排的日益重視以及整個世界對于綠色節能的追求,冷庫的設計和運行中采取新的節能技術顯得更加重要。

通過對冷庫的保溫材料及厚度設計、制冷劑選擇、冷風機排管布置方式、冷風機融霜方式、冷風機蒸發溫差、冷風機變頻控制、冷庫門、低溫穿堂和冷庫照明等9個方面的分析,探討了冷庫的節能設計與運行管理。

[1] GB50072—2001,冷庫設計規范[S].

[2] ASHRAE Refrigeration Handbook,1998,13.12

[3] 楊一凡.氨制冷技術的應用現狀及發展趨勢 [J].制冷學報,2007,(8):12-18

[4] 張建一.冷藏庫采用封閉式月臺的技術經濟分析[J].冷藏技術,2006,(3):14-18

(1)王斌等.空氣融霜系統在冷庫中的應用[C].會議論文,2010