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(yè)及冷鏈物流業(yè)的發(fā)展,國內(nèi)冷庫有了很大的發(fā)展,同時,隨著國家對節(jié)能減排的日益重視以及整個世界對于綠色節(jié)能的追求,在冷庫的設(shè)計和運行中采取一些新的節(jié)能技術(shù)和理念顯得越發(fā)重要。結(jié)合冷庫發(fā)展的一些最新技術(shù)和趨勢,對冷庫的節(jié)能設(shè)計以及運行管理作一概述及探討。

2 冷庫節(jié)能設(shè)計

2.1 保溫材料及厚度設(shè)計

對于冷庫用保溫隔熱材料應(yīng)滿足下列要求:熱導(dǎo)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(fā)泡聚苯乙烯(EPS)、擠塑聚苯乙烯板 (XPS)。

聚氨酯由于其優(yōu)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(shù)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(chǔ)、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(jié)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(nèi)冷庫規(guī)范給出的熱阻R(m2·K/W)與熱流量及室內(nèi)外溫差的關(guān)系[1]。

表2 熱阻值表

在以往的冷庫設(shè)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(shè)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(jù)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(nèi)新修訂的冷庫設(shè)計規(guī)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(yōu)勢,主要體現(xiàn)在[3]:

1)熱物性非常好,主要表現(xiàn)在標準沸騰溫度低(-33.4℃),在冷凝器和蒸發(fā)器中的壓力適中(-15℃時的蒸發(fā)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(dǎo)熱系數(shù)大,蒸發(fā)潛熱也大 (-15℃時的蒸發(fā)潛熱是R12的8.12倍,R22的6.04倍),節(jié)流損失小;

2)能溶解水,對系統(tǒng)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(xiàn)象時易被發(fā)現(xiàn);

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(yōu)勢。

5)對環(huán)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(yīng)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(tǒng)由于自身特性,一般采用集中式制冷,設(shè)專門機房,多應(yīng)用于大型制冷系統(tǒng)。在我國,目前絕大多數(shù)的大型冷庫采用氨作為制冷劑,但大多數(shù)以手動控制為主。在歐美等西方發(fā)達國家,絕大多數(shù)的大型冷庫也是采用氨作為制冷劑,制冷系統(tǒng)以自動控制為主。日本在20世紀60～70年代曾經(jīng)一度禁止采用氨作為制冷劑,但隨著氟利昂環(huán)保問題的日益突出以及氨本身優(yōu)越的制冷熱物理性能,在90年代后也逐漸開始繼續(xù)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(jié)能的角度考慮,氨應(yīng)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(jié)霜,對氣流組織及換熱的影響更大,所需的融霜次數(shù)也相應(yīng)增大。國內(nèi)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(jié)省材料,初期投資也會相應(yīng)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(shù)的增多,節(jié)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(nèi)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(fā)器表面溫度低于室內(nèi)空氣溫度,空氣內(nèi)的水蒸氣會在蒸發(fā)器表面凝結(jié)為霜。霜層會影響蒸發(fā)器的換熱效果,并增大了空氣通過蒸發(fā)器的阻力,導(dǎo)致制冷能力的下降。因此,當蒸發(fā)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(shù)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(jié)能,同時對庫內(nèi)的影響小的優(yōu)點。此外空氣融霜作為一種新型、節(jié)能的融霜方式在國內(nèi)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(jié)能優(yōu)勢。

2.5 冷風機蒸發(fā)溫差

在以往冷庫的設(shè)計中,低溫下的蒸發(fā)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(fā)溫度能使壓縮機的功率消耗減少。通常而言,當蒸發(fā)溫度每升高1℃,系統(tǒng)產(chǎn)冷量將提高2.4%左右,節(jié)能效果顯著。此外,過大的蒸發(fā)溫差會導(dǎo)致冷風機結(jié)霜速度加快,增加了融霜的頻次,因此,目前在設(shè)計冷風機時,傾向于采取增大冷風機的蒸發(fā)面積,減小蒸發(fā)溫差 (5～7℃),提高制冷系統(tǒng)的蒸發(fā)溫度以達到節(jié)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(jié)省的電量而收回。

2.6 冷風機變頻控制

冷風機在設(shè)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(nèi)是處于低負荷運行狀態(tài),這時電機的功率過大,導(dǎo)致風量也一直維持在最大工況狀態(tài)下,不僅消耗了電能,而且增加了庫內(nèi)的干耗。冷風機風量與轉(zhuǎn)速成正比,風壓與轉(zhuǎn)速的平方成正比,軸功率與轉(zhuǎn)速的立方成正比。

表5列出了不同風量下對應(yīng)的風機軸功率。由表可知,當系統(tǒng)實際運行風量與設(shè)計風量相差很大時,其節(jié)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(zhuǎn)速關(guān)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(jīng)常開啟和關(guān)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(tǒng)的熱負荷,而且由于增加了蒸發(fā)器的霜層厚度而降低了系統(tǒng)的運行效率,并且增加了沖霜的次數(shù)而增加了能耗。據(jù)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(nèi)外的冷熱空氣在門洞的周圍進行劇烈的交換,產(chǎn)生大量的霧氣,門洞周圍的墻壁、地面、天棚等處易出現(xiàn)結(jié)露滴水、結(jié)霜、結(jié)冰等現(xiàn)象。經(jīng)多次反復(fù)凍融循環(huán),冷庫門周圍的建筑構(gòu)造極易損壞。

因此,冷庫要實現(xiàn)經(jīng)濟有效的運行,冷藏門是關(guān)鍵的因素之一。

在滿足使用要求的前提下,冷庫的大門應(yīng)當盡可能的小,以減少冷量損失。因此在設(shè)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(yōu)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(zhì)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(shè)置在低溫穿堂的蒸發(fā)器吸收了。由于低溫穿堂的蒸發(fā)器相比較冷庫內(nèi)蒸發(fā)器工作在較高的蒸發(fā)溫度下。獲得同樣的冷量,顯然較高的蒸發(fā)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(nèi)的冷風機會節(jié)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(fā)器凝結(jié)成為水,這樣就大大地減少了進入低溫庫內(nèi)的水分。否則,這些水分將進入低溫庫內(nèi),在低溫庫內(nèi)的蒸發(fā)器處凝結(jié)成為霜。這一方面使蒸發(fā)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(shè)計中,采用封閉穿堂已經(jīng)成為公認的選擇,國內(nèi)近些年設(shè)計的冷庫也越來越多的采用低溫穿堂的設(shè)計。需要說明的是封閉穿堂中控制的溫度也不應(yīng)該過低,否則,設(shè)置在低溫穿堂的蒸發(fā)器將很快結(jié)霜,低溫庫內(nèi)的問題就轉(zhuǎn)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(yīng)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(fā)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(yīng)用,但是金屬鹵素燈關(guān)閉后再啟動的時間比較長,特別是在低溫環(huán)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(jié)能一些,同時冷光源的熒光燈對庫內(nèi)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(jié)省了庫內(nèi)空間,同時對庫內(nèi)氣流組織的影響比較小。

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

以一個剛完成的9660m2(155m×60m)庫內(nèi)面積的冷庫為例,庫內(nèi)凈高13m,要求達到200Lux的照度,設(shè)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(yīng)用還處于起步階段,價格也略高于傳統(tǒng)的金屬鹵素燈,但隨著人們對節(jié)能的日愈重視,以及LED燈本身優(yōu)越的性能,相信在冷庫中的應(yīng)用會越來越廣泛。

3 結(jié)語

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

通過對冷庫的保溫材料及厚度設(shè)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(fā)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(jié)能設(shè)計與運行管理。

[1] GB50072—2001,冷庫設(shè)計規(guī)范[S].

[2] ASHRAE Refrigeration Handbook,1998,13.12

[3] 楊一凡.氨制冷技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)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(shù)經(jīng)濟分析[J].冷藏技術(shù),2006,(3):14-18

(1)王斌等.空氣融霜系統(tǒng)在冷庫中的應(yīng)用[C].會議論文,2010