間接制冷技術與冷庫效能影響

＊王碩 宋喆 陳巖 張楠楠 張丹丹

（朝陽光達化工有限公司 遼寧 122000）

引言

在現代注重食品多元化及多樣性的社會，人們越來越重視食品的新鮮感，對食品品質的要求亦水漲船高，而食品價值更多也體現在保鮮需求方面。現實中冷藏鏈決定了食品的質量水平。冷藏鏈中最典型的基礎裝備是冷庫，食品保鮮水平高低取決于該設施。冷庫的發展對于我國促進智能制冷和智能保鮮產業發展有重要價值。隨著制冷技術的高速迭代，冷庫行業也獲得了前所未有的迅猛進步，規模和容量均得到了快速健康發展。截止2019年底，我國各類冷庫已擁有約6053萬噸的儲存容量。冷庫的建設規模達到了空前程度，食品、化工、生物等領域都在不斷規劃及建設，冷庫產業的迅速發展帶來高能耗、高污染的問題，如何在提升冷庫制冷能力同時最大程度實現節能降耗，在制冷行業“安全”和“環保”兩大難題之間尋找最佳平衡點，實現制冷行業的綠色發展，是值得我們反思的重要課題。

1.間接制冷技術概念及特征

(1)基本概念

間接制冷技術即二次制冷技術，常規做法是二次冷卻液儲液罐增加放置于制冷系統管路，促使冷量再快捷的傳遞給載冷劑，繼而載冷劑冷量促使冷庫達到制冷效果。間接制冷技術通過常壓的二次冷卻介質進行大循環傳送冷量，在直接制冷劑不易應用的位置或者不可運用直接制冷劑的特殊環境中，常常用載冷劑替代直接制冷劑用來冷卻被冷卻物體。

間接制冷系統有的是依靠制冷劑循環設備實現直接制冷，有的通過載冷劑循環傳遞冷量于冷庫間接制冷。載冷劑儲罐創新的設計在連接蒸發器與冷卻泵端口，這也是間接制冷系統創新點，儲罐中載冷劑的熱量被蒸發器吸收，載冷劑被陸續降溫，冷卻泵將載冷劑運輸到冷庫釋放冷量，實現制冷。同步的是熱交換器及除霜液儲罐設計在壓縮機后，壓縮機放出的熱量可支持儲存在除霜液儲罐中，積霜達到一定程度就需要除霜，除霜液泵送到冷庫間實現熱除霜。該系統中載冷劑與除霜液均為冰河冷媒專利產品，該系統利于解決傳統直接制冷安全隱患問題，余熱除霜支持節能降耗。

二次制冷系統一般設有載冷劑儲罐，其容量為載冷劑循環量的一倍以上，需要冷量時，載冷劑在冷庫間及操作間常壓循環，安全穩定，便于維護，同時當夜間用電成本低的時候，制冷機滿負荷運行，生產過多冷量儲存，白天用電費用高時，制冷機組關閉，從而促使電力移峰填谷，儲存的冷量進行循環。

(2)系統優勢

①制冷劑充注量小、系統安全性高

采用間接冷卻制冷系統，減少了制冷劑系統的管路，降低了制冷劑充注量。對于采用氨的制冷系統，不直接進入庫房，系統一旦泄漏，庫內冷凍冷藏的食品不會受到氨制冷劑泄漏帶來的污染。制冷劑無閃點、不燃不爆、無毒無害，另外隔離冷庫的工作人員，提高了工作安全系數，降低了事故隱患。對于采用鹵代烴的制冷系統，可減少HCFCs類制冷劑的使用率，從而降低溫室效應。

②溫度控制精度高

載冷劑的熱容量大，易于保持冷庫內溫度穩定。間接制冷系統因為溫差遠小于鹵代烴或氨直接制冷系統，減少干耗，溫控精度高、時間長，能滿足小溫差的要求，可保證庫內相對濕度，提高產品質量，特別有利食品保鮮。

③運行狀態好

只有載冷劑進入冷藏車間，常壓循環，壓縮機才不需要頻繁地啟停，這樣可以延長設備的使用期限，降低故障率、減少維修費用。常壓環保型載冷劑在車間循環，有效避免環境污染。

④可進行蓄冷并可降低運行費用

運行費用主要包括制冷系統直接費用、冷庫運行費用和除霜費用等。直接制冷系統頻繁啟動且需除霜，消耗電費、除霜費用均較高。間接制冷系統蒸發溫度相對較低，熱損大、電費高、無需頻繁啟動，產品干耗量小，余熱除霜，綜合運行費用降低。在雙碳背景下，間接制冷系統可靈活利用峰平谷電價移峰填谷降低運行成本。

但間接制冷技術的系統輸送裝置變得更加復雜，增加了輸送乙二醇等水溶液的輸送泵。為取得不同的庫溫，需增設混合泵及三通電動閥，二高頻運行之中三通電動閥容易因結冰而卡住，導致系統運行穩定性下降。

2.間接制冷載冷劑應用及特征

(1)傳統載冷劑

長期以來，無機鹽、乙二醇和醇類改性載冷劑，在制冷系統中統治了多年，而普及推廣的有機物溶液載冷劑冰點都在0℃以下。有機載冷劑雖然容易流動傳熱，具有流傳性佳、易燃的特點，故特別注意防火防燃，其易揮發，使用量損耗太大。常用的有機載冷劑有丙二醇、乙二醇、硅油、甲醇、乙醇等。其中流動性較好的丙三醇較為環保，與被冷卻物直接接觸也可以；硅油穩定性好，乙醇易于流動傳熱；二甲醚易燃易爆；乙二醇和丙二醇性質穩定，溶于水，且凝固點可隨著水溶液濃度變化而變化，溶液質量分數增大到一定范圍，凝固點可達到極值，故合適濃度對于制冷成本尤為重要。這些載冷劑存在銹蝕設備危害性，雖然成分較為常規化，但載冷能力不夠好，長時間工作能耗屢創新高。故導致間接制冷系統的使用期限受限，運維成本居高不下。

(2)改良載冷劑

針對傳統載冷劑通常有性能不佳能耗偏高的情況，通過醇類改性制備一些改良載冷劑大勢所趨。如一種冷庫專用的冰河冷媒載冷劑，由多元醇及多種添加劑改性而成，外觀為淺色液體，無異味、不揮發、載冷能力強、防銹性能好，適用于0℃～5℃保鮮庫、-18℃～-15℃冷藏庫、-25℃～-22℃低溫庫做間接制冷載冷劑。相比于傳統載冷劑，新型醇類改性載冷劑蓄冷力得到空前改觀，且該材料具有優異流動性，材料流動過程之中有效減少了泵耗功率，在材料、除霜、壓力優勢較多，單位容積制冷量大、系統能效高、對管道無腐蝕，故在間接制冷系統應用性價比較高，適合大范圍推廣。

3.間接制冷系統冷庫效能影響分析

間接冷卻制冷系統的制冷循環效率，比直接冷卻模式的效率偏低，這個狀況屢見不鮮，其能耗較多業內人士也見怪不怪。其系統耗功主要包括壓縮機耗功、電磁閥耗功、冷風機耗功、載冷劑循環泵耗功4部分。筆者實踐中通過相關途徑有效減少間接制冷系統的耗功量，實現了最大限度減少間接條件對冷庫效能影響。

(1)庫溫變化對系統耗功的影響

圖1為在頻率30Hz時冷風機間接冷卻制冷系統耗功量隨庫溫的變化情況。

圖1 系統耗功量隨庫溫變化趨勢

載冷劑流量從-20℃庫溫升至-5℃庫溫時，間接冷卻制冷系統的耗功量出現了不同幅度的增長，分別達到0.33kW、0.36kW、0.35kW、0.38kW。庫房溫度升高，載冷劑換熱系數在此狀況下得以同步增大，制冷劑蒸發能耗進而提升。這種狀況下會迫使壓縮機不斷抬升本身的吸氣壓，故其耗功增加。庫房溫度升高會引起系統耗功差值變大，系統承載的載冷劑流量間存在了階梯功差。例如，庫房溫度為-8℃，載冷劑流量2950L/h與流量1500L/h間的制冷量差值比庫房溫度-17℃時增大了0.03kW。庫溫較高制冷模式下，適配高載冷劑流量的傳熱系數變大，壓縮機吸氣壓要提高，這些狀況在庫溫度偏低時候不存在。故壓縮機的耗功增加是庫房溫度變化，導致系統的總耗功空前顯著性加大的必要條件。

(2)載冷劑流量及冷風機頻率變化對系統耗功的影響

圖2為不同庫溫下系統耗功隨載冷劑流量耦合冷風機頻率的變化規律。

間接冷卻系統的耗功隨著載冷劑流量變化也會同步正向呈現一定幅度變化。設定當前冷庫溫度-5℃，載冷劑流量按一定幅度持續增多，冷風機頻率20Hz、30Hz、40Hz、50Hz所對應的系統耗功持續出現了不同幅度增長量，分別為0.14kW、0.16kW、0.13kW、0.13kW。系統循環泵的功耗持續加大，導致循環泵功耗變大的原因是載冷劑所增加的流量。這種工況模式載冷劑的換熱頻率加大，其較高的蒸發溫度促使壓縮機不得不增加吸氣壓，進而壓縮機功耗同步變大。2種工況疊加促使系統總功耗反常規空前提升。根據時間序列變化場景，剖析載冷劑流量及冷風機頻率的關聯度，發現在載冷劑流量為1000L/h時，冷風機頻率30Hz和20Hz之間相差的耗功量僅為載冷劑流量2950L/h時兩者耗功差的一半。且由圖2中可知，載冷劑流量2000L/h為拐點，即系統耗功增速在此出現導向性變化，系統耗功在超過這個拐點后會出現減速增加。當載冷劑流量一定，間接冷卻系統耗功量隨冷風機頻率出現轉折，制冷系統耗功量增加趨勢出現先急后緩形態，且冷風機頻率加大的工況。在庫溫-5℃，流量為1000L/h 時，冷風機頻率20Hz、30Hz、40Hz、50Hz所對應的耗功出現一定幅度的增長，幅度分別為2.09kW、2.11kW、2.17kW、2.2kW；流量1500L/h時，冷風機頻率40Hz、50Hz所對應的系統耗功也帶來一定增長量。幅度為0.06kW、0.02kW。風機風量變大才能使得冷風機頻率加大，但是以消耗電能更大的代價換來的。冷風機貢獻了主要的系統功耗變化調劑量，載冷劑流量為變量，冷風機頻率固定調劑工況下，系統耗功量受流量變化引起的增減更顯著性。當載冷劑流量從最低值增至最高值，驅動系統功耗增加0.25kW，而冷風機頻率從最小值調升到最大值，驅動系統耗功增加了0.05kW，前者改變比后者變化多耗能0.2kW。

圖2 系統耗功量隨載冷劑流量和風機頻率變化情況

4.結語

隨著全球人口的遞增，生活水平的不斷提高，資源的匱乏已經日趨明顯，環境污染日益加劇，在全球范圍內已基本形成保護環境和和節約資源的共識。制冷作為人類生產生活不可或缺的一部分，制冷技術發展面臨最重要的問題在于不斷提高其環保和節能性能。

在“雙碳”為目標驅動的綠色發展大背景下，我國在資源節約型社會的發展路徑上不斷開展節能降耗工作在經濟發展與環境保護之間不斷尋找新的平衡點。新型制冷劑研發事關食品、化工、能源等多個行業節能減排大業，應積極配合節能減排的履約行動。筆者剖析了間接制冷系統的原理、進一步凸顯了新型改良載冷劑的特殊功效，梳理并總結間接制冷系統的應用場景及亮點，當然對其待改進的關鍵點也不能忽視。從系統物理功效和載冷劑理化特征出發，系統梳理相關問題會有事半功倍的效果。總而言之，間接冷卻制冷系統的優化技術在不斷進步，新型優良載冷劑的也在快速更新，可以預見，新型制冷技術的研究發展必將極大地推動工農業生產的發展和人們生活水平的提高，其未來應用前景良好。