冷庫制冷系統及其自動化研究進展

劉 寒謝 晶王金鋒

(1. 上海海洋大學食品學院，上海 201306；2. 上海水產品加工及貯藏工程技術研究中心，上海 201306；3. 上海冷鏈裝備性能與節能評價專業技術服務平臺，上海 201306；4. 食品科學與工程國家級實驗教學示范中心﹝上海海洋大學﹞，上海 201306)

冷庫是廣泛應用于果蔬、肉類、水產、化工品、醫藥、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期[1]。冷庫也可以為一些科學試驗提供低溫環境[2]。近幾年隨著冷庫應用領域的不斷增多，中國冷庫規模逐年擴大。中物聯冷鏈委發布2014年中國冷庫總量達到3.320×107t，且“十三五”期間中國冷庫需求有望呈年均15%～20%趨勢穩健增長。而冷庫也是耗電的大戶，冷庫運行的節能降耗將是未來冷庫行業綠色發展所要面臨的首要問題。據統計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]。導致中國冷庫運行耗電量大的主要原因有以下兩點：① 冷庫建造過程中制冷系統選擇不合理，造成冷庫運行時的過載或冷量浪費；② 冷庫自動化程度低下，不能對冷藏溫度實時調控，從而導致電能浪費。本文擬從節能的角度，綜述制取不同低溫時選取高效制冷系統的方法，并對自動化技術應用于冷庫節能的重要性及未來發展趨勢進行展望。

1 冷庫用制冷系統

一般冷庫多由制冷機制冷，利用汽化溫度很低的液體作為制冷劑，使其在低壓下汽化，吸收冷庫內的熱量，從而達到冷卻降溫的目的。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就顯得尤為重要了。有統計[4]表明：壓縮機耗能占系統總能耗2/3左右，對于冷藏溫度要求較低的系統，冷庫系統的性能很大程度上決定于制冷壓縮機的功效。由于不同領域對低溫要求不同，分別對環境溫度以下到-18 ℃，-18～-60 ℃，-60～-100 ℃ 3個常用溫度段的溫度制取方式進行論述。

1.1 環境溫度以下到-18 ℃冷庫制冷系統

生活中常見的食品、藥品、疫苗等物品的存儲運輸一般需要-18 ℃及以上溫度，此溫度相對較高，制冷系統壓縮比一般小于8，宜采用單級蒸氣式壓縮制冷循環。喬明琦[5]從工藝角度，對溫度要求為2～8 ℃，內含有冷鏈包裝區、成品冷庫等功能間的綜合藥品倉庫制冷方式進行了探討，結果表明：首先利用單級壓縮制冷系統制取冷量，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，又能有效節約能源。單級蒸氣式壓縮制冷循環常采用容積式制冷壓縮機，如活塞式壓縮機和螺桿式壓縮機[6]。輸氣量和功率消耗作為衡量壓縮機最主要的2個性能指標，馬麟等[7]通過活塞式與螺桿式的性能對比研究，得出當螺桿式壓縮機和活塞式壓縮機輸入相同功率時，前者能夠獲得較高的輸氣量，即冷庫中采用螺桿式壓縮機會更加節能。在性能特點方面，螺桿式壓縮機具有制冷量范圍大，自動化程度高，運行可靠性好等優點[8]。馬一太等[9]對幾類常用容積式壓縮機電效率進行分析，活塞式壓縮機電效率一般為0.50～0.65，而螺桿壓縮機電效率為0.65～0.75，因此螺桿式壓縮機在制冷循環中有更高的效率。在經濟性方面，分別對比活塞式和螺桿式2種壓縮制冷系統的初投資、運行維護、使用效率及壽命得出：當制冷量大且長時間運行時，宜選擇螺桿機；當制冷量較小，運行時間較短時，更宜選擇活塞式壓縮機[10]。綜上所述：在溫度要求為環境溫度以下至-18 ℃的冷庫制冷中，宜選用單級壓縮制冷系統。而對于單級壓縮制冷系統壓縮機的選擇，大中型冷庫選擇螺桿式制冷壓縮機更加節能高效，小型及運行時間較短的冷庫選擇活塞式制冷壓縮機會更加經濟節能。

1.2 -18～-60 ℃冷庫制冷系統

對于-18～-60 ℃溫度區間的制冷，理論上可供選擇的制冷壓縮系統包括：單級系統、雙級系統、復疊式系統。由于一些食品特別是水產品等在冷藏中對溫度要求較低，欲達到-18～-60 ℃的溫度區間，就要求蒸發器蒸發溫度較低，而且這種冷庫制冷系統壓縮比既可能出現小于8的情況，又有可能出現大于8的情況。孫志高等[11]打破了傳統設計模式限制，利用共沸工質R404a充注單級壓縮制冷系統并進行保存箱制冷試驗探究，最終在1.7 h內使箱內溫度下降至-43 ℃，并且系統在運行過程中安全、穩定。與單級壓縮相比，將制冷劑分2個階段進行壓縮，以制取更低溫度的循環系統被稱為雙級壓縮系統，其蒸發溫度可以低至-60 ℃[12-13]。張建一等[14]通過工程實例，從技術經濟角度對單級和雙級2種壓縮方式進行了分析論證，結果表明：在蒸發溫度低于-18 ℃，且不管壓縮比小于8還是大于8的工況下，采用雙級壓縮時理論制冷系數都比采用單級壓縮有很大提高。由于螺桿制冷壓縮機具有吸氣、壓縮、排氣單向進行的特點，在單級壓縮制冷系統中加入經濟器，且在壓縮機壓縮過程中設置一個能夠吸入經濟器閃發蒸氣的中間補氣孔口，那么單級壓縮就具有了和雙級壓縮一樣的工作過程[15]。帶經濟器的螺桿式制冷壓縮系統(即準雙級運行)與活塞式雙級壓縮制冷系統相比，既降低了運行成本，又便于操作管理[16]。帶經濟器的螺桿式系統通常用于蒸發溫度高于-45 ℃的場合。復疊式制冷系統由低溫和高溫兩部分組成，在兩部分分別充注沸點不同的制冷工質[17]。NH3/CO2復疊系統是利用NH3作為高溫制冷劑，CO2作低溫制冷劑，由于NH3/CO2良好的物理性質與經濟性，此系統既能滿足經濟要求又能滿足環境要求[18]。國內外研究[19-21]表明：相比于常規制冷劑復疊循環與雙級循環，NH3/CO2制冷循環有一定的特殊性，即當蒸發溫度在-40 ℃以下時，NH3/CO2復疊式循環性能系數高于NH3雙級壓縮循環系統；但當蒸發溫度在-40 ℃以上時，NH3雙級循環的性能優于NH3/CO2復疊循環。又由于NH3/CO2是一對環保高效的制冷工質，因此在-30～-40 ℃食品冷凍冷藏中具有廣闊的應用前景和巨大的發展潛力[22-23]。因此，對于-15～-30 ℃制冷區間，特別是在系統運轉時間較少的場合，如冷藏船、冷藏車、小型冷庫以及一些試驗裝置等，在能夠滿足工藝性生產和經濟性運行的前提下，為了簡化系統，可以選擇合適的單級壓縮制冷系統；在-30～-60 ℃制冷區間中，既可以選擇雙級壓縮制冷系統又可以選擇不同制冷劑組合的復疊制冷系統，具體選擇可根據冷藏物性質及運行費用綜合考慮。為了簡化系統，-45 ℃低溫時也推薦采用帶經濟器的螺桿式單級系統。

1.3 -60～-100 ℃冷庫制冷系統

對于制冷溫度為-60～-100 ℃的區間，理論上可供選擇的制冷壓縮系統包括：雙級系統、復疊式系統和自復疊式系統等。通過對雙級壓縮和復疊式制冷系統的吸氣壓力、制冷系數等參數進行技術經濟分析得出：在相同工況下，-60 ℃ 以下低溫的制取，復疊式壓縮更加節能，更具有應用前景[24-25]。更多研究[26-27]得出：在溫度低于-60 ℃時，復疊制冷系統優于雙級壓縮制冷系統。自復疊系統是利用一臺壓縮機對多種沸點不同的工質進行多級復疊壓縮的制冷循環系統，因其結構上所具有的特點，自復疊式循環系統也是制取-60～-80 ℃溫度區間的常用方式之一[28]。以上研究結論表明：-60～-100 ℃區間溫度的制取，使用復疊制冷系統將更加經濟節能。

2 冷庫的自控

目前，中國大多數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電約5%～15%，而且由于前者溫、濕度控制精準，冷凍冷藏出來的食品質量更高。因此冷庫自控水平的提高及完善將有利于改善冷庫運行現狀，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控、分散控制的原則將自控系統分為三部分：控制層、監控層、設備層。

2.1 控制層

傳統冷庫控制大多采用繼電器、邏輯電路及單片機控制，但隨著冷庫自控化程度要求越來越高，當前，冷庫的自動控制大多是利用基于現場工業總線PLC(Programer Logic Controller，可編程式控制器)的集散式控制系統[31]。黃榮雪[32]通過對PLC控制與傳統控制2種方式的對比，得出用PLC控制系統不僅會大大減少接線數量，而且也將縮小控制電路所占用控制系統的空間，有效提高工作效率。PLC系統與傳統單片機相比，具有編程簡單，易于掌握等優點。PLC的工作過程是通過內部存儲器編寫的程序，進行邏輯、順序和算術運算，計時、計數等操作的指令，再通過控制器工業控制元件相連接的接口，輸入和輸出模擬式數字數據，控制各種類型的機械或生產過程[33]。通過對采用PLC自控系統的小型冷庫進行制冷性能研究，發現PLC控制下的小型冷庫相比于傳統控制，不僅能耗有所降低，而且能夠實現在無人值守情況下的高效運行[34-36]。孟大偉等[37]通過對采用PLC自控系統的大型冷庫進行分析研究，得出該冷庫既能滿足安全環保要求，又能節約冷庫運營成本和提高冷庫運行效率。丁莉君[38]通過對基于PLC的立體冷庫自控系統進行設計研究，實現了冷藏物完全自動化的入庫和出庫，該實踐表明PLC自控技術對現代化立體冷庫自動控制的實現具有重大意義。因此，PLC技術在冷庫自控方面的應用將有效提高冷庫運行效率，降低冷庫運行能耗。

2.2 監控層

監控層是集中管理與操作的核心層。控制層的PLC與監控層的人機交互頁面通過網絡進行信號傳遞，控制人員通過人機界面上所安裝的組態軟件進行設備狀態的查看、設置、報警等管理，生成報表，設備運行各項數據采集與管理等，因此人機界面的組態軟件是實現設備控制智能化的關鍵部分。徐旻晟等[39]通過LABVIEW軟件，設計出一套超低溫冷庫監控系統，經試驗表明該系統能夠對冷庫進行實時、高精度監控，且該系統人工交互界面友好、操控簡單、功能完善。王帥[40]通過上位機軟件King view與PLC的搭配，通過設置計算機與人機界面同時控制冷庫，不僅能夠實現冷庫的監測控制等自動化功能，而且即使當計算機發生故障時，也能有效避免整個冷庫系統癱瘓。Sousa等[41]通過開發一種嵌入式監測系統安裝于冷庫，實現了冷庫各運行參數的采集、分析與調節。如今上位機組態軟件功能模塊越來越完善，相對于傳統編程其優勢在于能夠利用通俗易懂圖形構件，以數據流的形式搭配計算機完成儀器的編程、數據的采集[42]。而且隨著大數據時代的到來，數據的存儲與分析與深度挖掘將顯得尤為重要，對于冷庫系統來說，監控層是對整個冷庫運行數據收集功能的重要部分，通過人機界面組態軟件所保存的設備運行參數，技術人員能夠通過其對隱藏于生產過程的相關規律性知識、控制人員的操作經驗與決策進行深度挖掘，從而幫助用戶發現制冷設備所存在的問題，方便用戶進行在線故障診斷，并能夠有效為用戶提供在線故障解決方案，而且為以后的系統及設備維護和升級改造提供依據，進而提高制冷系統運行效率，減少能源浪費。

2.3 設備層

先進的軟件只是實現冷庫自控的一個重要部分，另一個重要部分是能夠傳輸軟件命令對冷庫進行溫濕度控制與信息采集的硬件設施。常安裝于自動化冷庫中的感應部件有溫度傳感器、壓力傳感器、質量流量傳感器、電力儀表、各種電磁閥及接觸器等[43]。自控冷庫溫度的調控是通過溫度傳感器自動將采集值與設定值進行比對，比對信息傳輸到監控層，隨后系統智能調節供液閥，回氣閥，以及冷風機的順序延時開停；對于冷風機蒸發器來說，自動除霜功能是通過程序設定好除霜時間與周期，根據設定系統智能關閉或開啟熱氨閥，蒸發器進口端的供液電磁閥、回氣電磁閥和庫內冷風機[44]。若冷卻物冷藏庫中二氧化碳濃度也需要實時監測，則可以安裝二氧化碳傳感器[45]。對于適配于各種微機控制的數字溫度傳感器，能輸出即時溫度監測數據及溫度相關量，可以使冷庫在無人值守的情況下全自動正常運行[46-47]。兀偉等[48]通過數字式溫濕度傳感器對一大型冷庫進行多點溫濕度參數監測，并將采集數據傳輸至上位機，長時間的監測結果表明通過傳感器監測控制的冷庫運行更加安全、穩定和高效。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，壓力等各種信息進行采集，再結合船只控制系統，方便船員實時控制冷庫運行并實現自動化[49]。旋轉編碼器常應用于立體式冷庫測量位移，處理轉動，也利用微動開關對立體式冷庫庫位是否上貨進行檢測[50]。設備層的各種傳感器在整個冷庫自控系統中屬于金字塔最低端，但是又屬于核心部分。因此制冷系統中各種傳感器、電磁閥的應用對未來冷庫自控的發展至關重要。

3 結論與展望

制冷能耗在各行業中占很大比重，有統計[51-52]稱制冷設備用電約占中國總耗電的1/7。隨著中國能源日益緊張，節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，因此在制冷系統中壓縮機及壓縮方式的選取對于冷庫節能顯得尤為重要。而且為了追求冷庫控制更加高效節能，冷庫控制完全自動化必然將成為未來冷庫發展的一大趨勢；現今互聯網、人工智能等先進科技蓬勃發展，將為冷庫的完全智能化控制提供更大機遇。