杜子崢 謝 晶

DU Zi－zheng 1，2 XIE Jing 1，2

（1.上海海洋大學(xué)食品學(xué)院，上海 201306；2.上海水產(chǎn)品加工與貯藏工程技術(shù)研究中心，上海 201306）

（1.College of Food Science and Technology，Shanghai Ocean University，Shanghai 201306，China；2.Shanghai Engineering Research Center of Aquatic Product Processing ＆ Preservation，Shanghai 201306，China）

改革開(kāi)放以來(lái)，隨著經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，中國(guó)農(nóng)產(chǎn)品總產(chǎn)量在逐年增加。根據(jù)中國(guó)統(tǒng)計(jì)局［1］公布的數(shù)據(jù)，自1978年到2011年，中國(guó)水果產(chǎn)量從657萬(wàn)t增長(zhǎng)到22 768萬(wàn)t，水產(chǎn)品總量由465萬(wàn)t增長(zhǎng)至5 603萬(wàn)t，畜肉類(lèi)產(chǎn)量由1996年4 584萬(wàn)t增長(zhǎng)到2011年7 957萬(wàn)t；截止2010年，中國(guó)蔬菜產(chǎn)量占全球總產(chǎn)量的60%，水果和肉類(lèi)產(chǎn)量占30%，禽蛋和水產(chǎn)品產(chǎn)量占40%。然而中國(guó)冷鏈物流建設(shè)并沒(méi)有跟上農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量迅速增長(zhǎng)的步伐，大部分生鮮產(chǎn)品仍在常溫下流通，造成農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)后損失嚴(yán)重［2］，為解決這一問(wèn)題，未來(lái)中國(guó)應(yīng)逐步完善冷鏈物流，加快冷藏庫(kù)建設(shè)。2010年7月中國(guó)發(fā)改委專(zhuān)門(mén)出臺(tái)了《農(nóng)產(chǎn)品冷鏈物流發(fā)展規(guī)劃》。

冷庫(kù)數(shù)量增長(zhǎng)必將導(dǎo)致冷庫(kù)總的能耗需求提高，國(guó)務(wù)院印發(fā)的《節(jié)能減排“十二五”規(guī)劃》給未來(lái)中國(guó)節(jié)能事業(yè)提出了新要求，規(guī)劃將冷庫(kù)應(yīng)用中的電機(jī)、冷卻塔、余熱余壓利用等系統(tǒng)列入節(jié)能改造重點(diǎn)工程。冷庫(kù)是一個(gè)龐大復(fù)雜的系統(tǒng)，冷庫(kù)設(shè)計(jì)、制冷系統(tǒng)運(yùn)行及管理等方面都擁有節(jié)能改進(jìn)的潛力，在能源日趨緊張的今天，冷庫(kù)節(jié)能是一個(gè)值得關(guān)注的研究領(lǐng)域。

1 冷庫(kù)設(shè)計(jì)中的節(jié)能技術(shù)

1.1 隔熱材料的選擇

20世紀(jì)80年代以前中國(guó)冷庫(kù)隔熱材料以稻殼、軟木、爐渣和膨脹珍珠巖為主，此后巖棉、玻璃棉、聚苯乙烯泡沫塑料和聚氨酯泡沫塑料等開(kāi)始得到廣泛使用［3］，冷庫(kù)圍護(hù)結(jié)構(gòu)、保溫層傳熱量占冷庫(kù)總熱負(fù)荷的20%～35%［4］，選擇合適隔熱材料可有效減少外界熱量進(jìn)入冷庫(kù)。

近年來(lái)，中國(guó)學(xué)者主要圍繞隔熱材料隔熱、隔濕特性，保溫層最佳經(jīng)濟(jì)厚度、新型絕緣隔熱材料展開(kāi)研究。羅金鳳等［5］利用有限差分法對(duì)基于非穩(wěn)態(tài)傳熱傳濕模型進(jìn)行數(shù)值求解，在隔熱材料導(dǎo)熱率為常數(shù)以及導(dǎo)熱率是溫濕度的函數(shù)兩種情況下，對(duì)配備聚苯乙烯泡沫塑料、聚氨酯泡沫塑料、擠塑聚苯乙烯泡沫塑料3種保溫材料的冷庫(kù)全年耗電量進(jìn)行分析。發(fā)現(xiàn)隔熱材料吸濕后熱導(dǎo)率增大將強(qiáng)化墻體導(dǎo)熱，冷庫(kù)全年總耗電量增加。建議使用擠塑乙烯泡沫塑料作為冷庫(kù)隔熱材料，其材料吸水率低，熱導(dǎo)率受溫濕度影響不明顯。

為減少外界熱量滲入冷庫(kù)，增加圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫層厚度和減少圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)外表面溫差是兩種有效途徑。由于外界環(huán)境溫度不可控，升高庫(kù)內(nèi)溫度有可能增加冷庫(kù)內(nèi)貨物損耗，減少圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)外表面溫差實(shí)施很難。增加保溫層厚度是可行辦法，但增加保溫層厚度勢(shì)必導(dǎo)致冷庫(kù)初投資增加，因此在冷庫(kù)建設(shè)中，確定保溫層最佳經(jīng)濟(jì)厚度十分重要。劉斌等［6］利用有限生命周期經(jīng)濟(jì)觀點(diǎn)，推導(dǎo)出微型冷庫(kù)在使用年限不足時(shí)保溫層的最佳經(jīng)濟(jì)厚度公式，計(jì)算發(fā)現(xiàn)延長(zhǎng)冷庫(kù)使用年限會(huì)增加保溫層最佳經(jīng)濟(jì)厚度，由于隨著冷庫(kù)生命周期的延長(zhǎng)，機(jī)組運(yùn)行費(fèi)用在總費(fèi)用中所占比例增大，加厚保溫層有利于減少運(yùn)行費(fèi)用。

冷庫(kù)在設(shè)計(jì)時(shí)往往只考慮投資回報(bào)的最佳經(jīng)濟(jì)厚度，做到冷庫(kù)“節(jié)能”，但從“減排”角度出發(fā)，應(yīng)考慮隔熱材料從制造、運(yùn)輸、買(mǎi)賣(mài)、使用、廢棄、再生整個(gè)過(guò)程可導(dǎo)致的空氣污染、水污染、全球變暖潛力、能耗等，兩者相綜合，才能真正實(shí)現(xiàn)冷庫(kù)“節(jié)能減排”。

Richman等［7］引 用 生 命 周 期 觀 點(diǎn) （life cycle assessment），指出冷庫(kù)應(yīng)用更厚隔熱材料對(duì)環(huán)境造成的負(fù)荷會(huì)消減產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)回報(bào)。為探究?jī)烧哧P(guān)系，作者應(yīng)用eQUEST軟件和ATHENA軟件分別對(duì)冷庫(kù)采用不同厚度隔熱材料的經(jīng)濟(jì)回報(bào)、環(huán)境影響進(jìn)行模擬，試驗(yàn)引入相對(duì)強(qiáng)弱指標(biāo)RSI（relative strength index），RSI值每增加1.41相當(dāng)于增加50.8 mm隔熱材料厚度，模擬以標(biāo)準(zhǔn)冷庫(kù)RSI值5.64為基數(shù)，結(jié) 果 顯 示 采 用 RSI值 分 別 為 RSI－7.54，RSI－8.45，RSI－9.86，RSI－11.27隔熱材料所導(dǎo)致的環(huán)境負(fù)荷均小于冷庫(kù)1年的運(yùn)行節(jié)能，因此對(duì)現(xiàn)代大型冷庫(kù)，設(shè)計(jì)者無(wú)需考慮采用更厚隔熱材料可能導(dǎo)致的環(huán)境影響。

目前，氣凝膠隔熱材料逐漸成為國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究重點(diǎn)。其保溫性、阻燃性、隔濕性均優(yōu)于現(xiàn)應(yīng)用于冷庫(kù)的保溫隔熱材料，氣凝膠有很多種類(lèi)，最常見(jiàn)的有碳?xì)饽z、Al2O3、TiO2和SiO2等。氣凝膠密度小、孔隙率極高、膠體顆粒尺寸僅為3～20 nm、具有多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，對(duì)導(dǎo)熱、對(duì)流傳熱、輻射傳熱均有有效限制［8］，可作為高性能隔熱材料。石崇等［9］對(duì)二氧化硅氣凝膠復(fù)合隔熱材料在船舶冷庫(kù)應(yīng)用進(jìn)行了工藝試驗(yàn)，試驗(yàn)證明氣凝膠復(fù)合隔熱材料可以有效改善船舶冷庫(kù)的保溫性能，節(jié)能效果顯著。近年來(lái)中國(guó)冷庫(kù)及冷藏食品相關(guān)行業(yè)火災(zāi)頻發(fā)［10］，現(xiàn)有新型冷庫(kù)保溫材料雖然能夠隔熱，但大都具有易燃特點(diǎn)，而氣凝膠耐熱性能優(yōu)異，可承受600～1650℃高溫［11］。但由于氣凝膠制備工藝復(fù)雜性，技術(shù)含量較高，目前其應(yīng)用還只局限于航空航天等高端產(chǎn)業(yè)。氣凝膠隔熱材料研究已成為全球熱點(diǎn)，但有關(guān)氣凝膠在冷庫(kù)應(yīng)用的研究報(bào)道鮮見(jiàn)，伴隨著未來(lái)氣凝膠工藝改進(jìn)，氣凝膠工業(yè)產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，氣凝膠隔熱材料將廣泛應(yīng)用工業(yè)建筑各領(lǐng)域，氣凝膠隔熱材料在冷庫(kù)中的應(yīng)用值得關(guān)注。

1.2 空氣幕的優(yōu)化

為阻止室外空氣滲入冷庫(kù)，減少庫(kù)內(nèi)冷負(fù)荷，通常在冷庫(kù)門(mén)處設(shè)立空氣幕?？諝饽皇怯煽諝馓幚碓O(shè)備、通風(fēng)機(jī)、空氣分布器、風(fēng)管系統(tǒng)組成。設(shè)置空氣幕能夠有效地防止外界熱濕氣體滲入冷庫(kù)，空氣幕起源于前蘇聯(lián)，在新中國(guó)初期從蘇聯(lián)援建的“156項(xiàng)”項(xiàng)目引入，20世紀(jì)80年代，隨著中國(guó)工業(yè)的迅速發(fā)展，空氣幕在中國(guó)各行業(yè)得到了廣泛的利用。2010ASHERE手冊(cè)［12］數(shù)據(jù)指出冷庫(kù)空氣滲透負(fù)荷占冷庫(kù)總制冷負(fù)荷的一半以上?？諝饽谎芯恐饕康氖翘岣呖諝饽幻芊庑剩瑴p少冷庫(kù)滲透負(fù)荷，研究主要圍繞射流速度、噴口寬度、噴射角度，以及熱壓對(duì)于空氣幕的影響，通過(guò)試驗(yàn)和計(jì)算機(jī)模擬相結(jié)合的方式進(jìn)行。對(duì)于每一個(gè)具體的冷庫(kù)，都存在使空氣幕效率最高的最優(yōu)射流速度和噴射角度［13－17］，南曉紅等［13］指出空氣幕噴口選擇不宜太寬，噴口寬度達(dá)到一定值時(shí)，空氣幕效率增加不明顯。為提高空氣幕密封效率，空氣幕應(yīng)該安裝在室外，噴射角度應(yīng)該朝向室外15～20°［15－17］。Gonalves等［17］指出空氣幕的密封效率（81%）高于其阻熱效率（75.5%）?？姵康龋?8］利用CFD軟件對(duì)試驗(yàn)冷庫(kù)空氣幕流場(chǎng)進(jìn)行了非穩(wěn)態(tài)模擬，對(duì)冷庫(kù)門(mén)和空氣幕開(kāi)啟60 s內(nèi)冷庫(kù)溫度場(chǎng)和氣流場(chǎng)溫度變化進(jìn)行預(yù)測(cè)，并對(duì)冷庫(kù)溫度場(chǎng)模擬結(jié)果進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)冷庫(kù)空氣幕開(kāi)啟后中心主流速度可達(dá)到冷庫(kù)門(mén)底部，但由于噴口寬度沒(méi)有完全覆蓋門(mén)寬度等原因，外部熱空氣易從入口兩側(cè)和底部滲入庫(kù)內(nèi)，造成冷庫(kù)中心處形成多個(gè)渦旋，影響冷庫(kù)內(nèi)氣流場(chǎng)和溫度場(chǎng)均勻分布。

1.3 余熱回收技術(shù)的應(yīng)用

2012年7月11日，國(guó)務(wù)院印發(fā)的《“十二五”節(jié)能環(huán)保產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》，將余熱余壓利用設(shè)備的制造放入重點(diǎn)發(fā)展的節(jié)能領(lǐng)域中，為余熱利用提供政策保障，冷庫(kù)制冷系統(tǒng)余熱利用將是重點(diǎn)節(jié)能領(lǐng)域。冷庫(kù)制冷系統(tǒng)將冷凝熱排放到室外，這種做法不僅造成環(huán)境的“熱污染”而且還造成能源浪費(fèi)，因此有必要回收冷庫(kù)制冷系統(tǒng)余熱。中國(guó)學(xué)者［20］提出可利用冷凝熱加熱生活用水，但是由于土地價(jià)格等原因，中國(guó)冷庫(kù)大部分建立在人口非密集區(qū)，加熱生活用水無(wú)法充分利用，管道鋪設(shè)也將額外增加企業(yè)的投資成本。國(guó)外利用冷庫(kù)余熱的做法是采取余熱加熱冷庫(kù)地坪，即利用壓縮機(jī)排氣熱量加熱乙二醇溶液，乙二醇溶液在冷庫(kù)地坪下循環(huán)防止土建冷庫(kù)地坪凍臌［21］。

2 冷庫(kù)運(yùn)行中的節(jié)能技術(shù)

2.1 蒸發(fā)器融霜

由于冷庫(kù)門(mén)頻繁開(kāi)啟和貨物冷凍過(guò)程中失水，庫(kù)內(nèi)空氣相對(duì)濕度較高，冷庫(kù)空氣流至蒸發(fā)器時(shí)，空氣被冷卻的同時(shí)也導(dǎo)致蒸發(fā)器結(jié)霜。霜層嚴(yán)重阻礙了蒸發(fā)器與空氣傳熱，降低整個(gè)系統(tǒng)制冷效率，增加冷庫(kù)能耗，因此冷庫(kù)應(yīng)定時(shí)進(jìn)行除霜。制冷系統(tǒng)在有霜層情況下運(yùn)行COP將減少20%～30%［22］。熱電融霜、水沖霜、熱氣融霜、熱氣融霜結(jié)合水沖霜是目前主要采用的融霜方式，水沖霜最常用于冷風(fēng)機(jī)除霜，但因其水耗大，除霜成本高，此外沖霜水外溢還會(huì)使地坪凍臌，已逐漸被熱氣融霜所代替。為實(shí)現(xiàn)冷庫(kù)融霜節(jié)能，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)多種融霜方式進(jìn)行討論并對(duì)融霜系統(tǒng)提出改進(jìn)。

臧潤(rùn)清等［23］針對(duì)冷卻物冷藏間蒸發(fā)器融霜提出可采用“依次除霜法”。劉恩海［24］對(duì)熱氨沖霜方式進(jìn)行改進(jìn)，建議安裝除冰裝置輔助熱氨沖霜。陸佩強(qiáng)等［25］設(shè)計(jì)了一種雙蒸發(fā)器液體冷媒融霜系統(tǒng)，利用液體冷媒對(duì)蒸發(fā)器進(jìn)行融霜，融霜蒸發(fā)器起到冷卻器作用，回收一部分冷量，可實(shí)現(xiàn)不停機(jī)融霜。劉訓(xùn)海等［26］對(duì)電熱融霜和熱氣融霜進(jìn)行對(duì)比研究，指出電熱融霜效率不高，易導(dǎo)致小型冷庫(kù)庫(kù)溫顯著波動(dòng)，建議采用熱氣融霜。Yin等［27］針對(duì)熱電融霜方法融霜效率不高，提出可在冷庫(kù)中加設(shè)電熱融霜?dú)饬餮h(huán)旁通道，試驗(yàn)證明融霜效率明顯提高，并可減少冷庫(kù)內(nèi)溫度波動(dòng)。

延長(zhǎng)結(jié)霜周期減少融霜次數(shù)，也可實(shí)現(xiàn)節(jié)能。抑制霜層增長(zhǎng)和減小蒸發(fā)器回風(fēng)口空氣性相對(duì)濕度可延長(zhǎng)結(jié)霜周期。Yan等［28］利 用 兩 種 不 同 頻 率 的 超 聲 波 （20 k Hz／30 W，15 k Hz／30 W）對(duì)冷風(fēng)機(jī)進(jìn)行抑霜試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過(guò)48 h，冷風(fēng)機(jī)翅片仍未被霜層堵塞。Wang等［29］利用超聲波震動(dòng)對(duì)翅片式蒸發(fā)器進(jìn)行抑制結(jié)霜試驗(yàn)，指出超聲波能夠有效抑制霜層的生長(zhǎng)，但不能完全除霜。Barelli等［30］將壓電板與蒸發(fā)器翅片連接，發(fā)現(xiàn)利用壓電板產(chǎn)生超聲波震顫能夠有效地抑制霜層結(jié)霜，從而延長(zhǎng)融霜周期。Sergio等［31］設(shè)計(jì)了一種利用液體干燥劑延緩蒸發(fā)器結(jié)霜的裝置，通過(guò)液體干燥劑干燥蒸發(fā)器回風(fēng)口的氣流以減少蒸發(fā)器表面結(jié)霜量。

2.2 冷庫(kù)堆放形式的優(yōu)化

冷庫(kù)貨物堆放依托于冷庫(kù)貨架系統(tǒng)，其合理規(guī)劃和布局，不僅能提高冷庫(kù)空間利用率，保持冷庫(kù)內(nèi)氣流流速和溫度分布均勻，而且便于叉車(chē)及人員在庫(kù)內(nèi)作業(yè)。冷庫(kù)目前常采用的貨架系統(tǒng)有：貫通式貨架、穿梭車(chē)式貨架、后推式貨架、雙深度貨架、窄巷道式貨架［32］。不同冷庫(kù)可根據(jù)冷庫(kù)庫(kù)容、貨物種類(lèi)、貨物出入頻率，選擇合適的貨架系統(tǒng)，從而降低冷庫(kù)能耗和投資成本。劉妍玲等［33］利用fluent軟件對(duì)小型果蔬冷庫(kù)進(jìn)行CFD模擬，對(duì)中間有通道和中間無(wú)通道兩種果蔬擺放形式進(jìn)行分析，指出果蔬中間有通道擺放方式可以改善庫(kù)內(nèi)氣流溫度和流速分布；冷庫(kù)近地面易形成高溫區(qū)，不利于貨物保存，因此建議貨物堆放應(yīng)離地面一定高度。胡耀華等［34］在對(duì)獼猴桃冷庫(kù)流場(chǎng)CFD模擬研究中發(fā)現(xiàn)，3跺堆放的獼猴桃散熱效果優(yōu)于2跺堆放的獼猴桃，因此建議在貨物堆放時(shí)應(yīng)盡可能分散堆放。劉永娟［35］在貨物不同擺放形式下冷庫(kù)內(nèi)氣流組織模擬研究中印證了胡耀華提出的建議，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)設(shè)置墊倉(cāng)板均分四堆貨物擺放形式氣流和溫度分布優(yōu)于設(shè)置墊倉(cāng)板均分兩堆、不設(shè)墊倉(cāng)板均分兩堆、不設(shè)墊倉(cāng)板集中放置3種貨物擺放形式，但試驗(yàn)將貨物作為整體進(jìn)行模擬計(jì)算，不符合貨物可視為多孔介質(zhì)的特性，因此試驗(yàn)仍有改進(jìn)余地。

果蔬在貯藏時(shí)存在貯藏?fù)p失問(wèn)題，通過(guò)改進(jìn)果蔬堆垛尺寸和堆垛方式可減少這一損失。Chourasia等［36］對(duì)印度土豆貯藏冷庫(kù)的堆垛尺寸和堆垛方式進(jìn)行試驗(yàn)和模擬研究，圍繞堆垛寬高比、堆垛體積、寬度、高度和堆垛間距對(duì)土豆貯藏品質(zhì)影響展開(kāi)，指出增加土豆堆垛寬高比和垂直間距可以顯著減少土豆冷卻時(shí)間，降低土豆溫度。當(dāng)堆垛高度從1.6 m提高至6.4 m時(shí)，冷卻時(shí)間將提高60%，這是由于庫(kù)內(nèi)冷氣由下向上運(yùn)動(dòng)并不斷吸收沿程土豆呼吸熱，堆垛過(guò)高將弱化冷氣吸熱能力，導(dǎo)致貨物自下至上溫度逐漸增加。Delele等［37］在對(duì)冷庫(kù)噴淋水霧化加濕系統(tǒng)CFD優(yōu)化研究中同樣發(fā)現(xiàn)這一問(wèn)題，在貨架底部，貨物間隙空氣與貨物表面存在0.92℃溫差，但在貨架中部和上部這一溫差可以忽略不計(jì)，冷庫(kù)相對(duì)濕度最低處出現(xiàn)在貨架上部。試驗(yàn)將貨物堆垛在冷庫(kù)中部，迫使氣流渦旋區(qū)域向墻壁處遷移，冷庫(kù)最差冷藏效果往往出現(xiàn)在渦旋區(qū)域，對(duì)貨物合理擺設(shè)可消除渦旋區(qū)域出現(xiàn)或者迫使其遠(yuǎn)離貨物，提高冷庫(kù)冷藏效率［38］，在貯藏貨物時(shí)，貨物堆垛高度不能過(guò)高，堆垛貨物之間也應(yīng)保持一定垂直間距以利于傳熱。湯毅等［39］以尺寸為48 m長(zhǎng)×46 m寬×6 m高某公司一單庫(kù)為模擬對(duì)象，對(duì)不同擺放方式下冷庫(kù)內(nèi)氣流場(chǎng)分布進(jìn)行CFD預(yù)測(cè)，吹風(fēng)速度為3 m／s情況下，3層擺放形式冷庫(kù)平均流速分布與空庫(kù)運(yùn)行相類(lèi)似，貨物區(qū)各層流速均滿足規(guī)定，貨物3層擺放在氣流場(chǎng)均勻程度上優(yōu)于貨物4層擺放，建議冷庫(kù)經(jīng)營(yíng)商家應(yīng)合理選擇貨物擺放高度，不要盲目擴(kuò)大冷庫(kù)貯存率。

2.3 削峰填谷技術(shù)的應(yīng)用

中國(guó)工業(yè)用電高峰時(shí)期和低谷時(shí)期電價(jià)存在很大差異，冷庫(kù)利用谷電進(jìn)行蓄冷消減高峰時(shí)期制冷負(fù)荷，既節(jié)約運(yùn)行成本，又減緩電網(wǎng)系統(tǒng)供電壓力，達(dá)到節(jié)約能源的目的。冷庫(kù)建設(shè)目的是為保持貨物高質(zhì)量、高營(yíng)養(yǎng)和延長(zhǎng)產(chǎn)品貨架期，若利用削峰填谷技術(shù)無(wú)法實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，削峰填谷將毫無(wú)意義。East等［40］利用削峰填谷技術(shù)對(duì)蘋(píng)果在4±2，2.75±1.25，1.6±0.4，0.5±0.3℃4種溫度下進(jìn)行氣調(diào)貯藏，制冷系統(tǒng)對(duì)蘋(píng)果進(jìn)行3 h預(yù)冷降溫后停止工作，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)19 h后蘋(píng)果溫升1℃，品質(zhì)沒(méi)有受到顯著影響，氣調(diào)庫(kù)良好密封性、蘋(píng)果較低的呼吸速率和熱惰性是導(dǎo)致蘋(píng)果溫升較小的主要原因。

為探究將冷凍貨物作為用電高峰時(shí)期冷庫(kù)冷源的可行性，Altwies［41］采用FEHT軟件對(duì)冷凍貨物作為單一冷源的冷庫(kù)14 h溫度波動(dòng)進(jìn)行模擬，引入傳導(dǎo)負(fù)荷、產(chǎn)品負(fù)荷、內(nèi)部負(fù)荷、滲透負(fù)荷、設(shè)備負(fù)荷5種可能導(dǎo)致溫度波動(dòng)的因素作為干擾項(xiàng)，模擬結(jié)果顯示，冷凍貨物溫度從－24.7℃升高至－19.1℃，在庫(kù)溫低于－18℃前提下，5.6℃的溫差并不能明顯影響貨物品質(zhì)。并以美國(guó)中西部一家冷庫(kù)為模型，進(jìn)行節(jié)能效果經(jīng)濟(jì)分析，發(fā)現(xiàn)以凍結(jié)貨物為冷源的削峰填谷技術(shù)每年可節(jié)約8.2萬(wàn)美元的電費(fèi)。溫度波動(dòng)對(duì)于不同食品品質(zhì)影響不同，因此冷庫(kù)在利用谷電進(jìn)行蓄冷時(shí)，應(yīng)考慮貯藏貨物對(duì)溫度波動(dòng)的敏感程度，科學(xué)實(shí)行削峰填谷，將貨物品質(zhì)放在首位。

3 冷庫(kù)中新技術(shù)的應(yīng)用

3.1 變頻調(diào)速技術(shù)

隨著科學(xué)技術(shù)發(fā)展，變頻調(diào)速因其節(jié)能，高效，減噪，可靠等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用到工業(yè)控制的各個(gè)領(lǐng)域，變頻調(diào)速技術(shù)在冷庫(kù)節(jié)能應(yīng)用領(lǐng)域潛力巨大，可應(yīng)用在壓縮機(jī)、冷風(fēng)機(jī)、冷庫(kù)大門(mén)等設(shè)備改造中。陸一飛等［42］指出風(fēng)機(jī)設(shè)備變頻節(jié)能效果可以做到節(jié)能20%～50%，劉訓(xùn)海等［43］對(duì)變頻風(fēng)機(jī)在低溫冷庫(kù)應(yīng)用中節(jié)能效果進(jìn)行研究，在不同工況下，變頻風(fēng)機(jī)的使用節(jié)能效果顯著，庫(kù)內(nèi)工況溫度越低，使用變頻風(fēng)機(jī)節(jié)能效果更顯著。江發(fā)生等［44］對(duì)變頻控制技術(shù)在冷庫(kù)門(mén)運(yùn)行控制中應(yīng)用可行性進(jìn)行討論，認(rèn)為變頻控制技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)冷庫(kù)快速開(kāi)啟，避免因冷庫(kù)門(mén)開(kāi)關(guān)所造成人員夾傷、車(chē)輛損傷等安全問(wèn)題。Yu等［45］對(duì)制冷系統(tǒng)4種控制策略（變頻風(fēng)機(jī)排氣壓力控制、定速風(fēng)機(jī)排氣壓力控制、變頻風(fēng)機(jī)冷凝溫度控制、定速風(fēng)機(jī)冷凝溫度控制）在穩(wěn)定工況下的制冷效率進(jìn)行研究，指出采用變頻風(fēng)機(jī)冷凝溫度控制可以提高制冷系統(tǒng)的COP值4.0%～127.5%。

壓縮機(jī)系統(tǒng)以冷庫(kù)最大制冷負(fù)荷工況設(shè)計(jì)，但大多數(shù)時(shí)間冷庫(kù)在部分負(fù)荷下運(yùn)行，壓縮機(jī)全開(kāi)無(wú)疑造成能源浪費(fèi)，應(yīng)用變頻壓縮機(jī)能有效解決這一問(wèn)題，但因缺少變頻壓縮機(jī)對(duì)整個(gè)制冷系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)影響參數(shù)，無(wú)法充分發(fā)揮其節(jié)能優(yōu)勢(shì)，為此學(xué)者做了大量研究。Tassou等［46］對(duì)半封閉式往復(fù)壓縮機(jī)、開(kāi)放式往復(fù)壓縮機(jī)、開(kāi)放式葉輪壓縮機(jī)的性能進(jìn)行研究，指出額定速率下壓縮機(jī)的性能最高，使用壓縮機(jī)變頻控制可實(shí)現(xiàn)節(jié)能12%～24%。Aprea等［47］對(duì)變頻渦旋式壓縮機(jī)在熱泵循環(huán)和冷卻水循環(huán)兩種工況下節(jié)能效果進(jìn)行研究，與定速渦旋式壓縮機(jī)（工作頻率50 Hz）對(duì)比，采用變頻渦旋式壓縮機(jī)的熱泵循環(huán)節(jié)能30%，冷卻水循環(huán)節(jié)能20%。為建立控制算法實(shí)現(xiàn)壓縮機(jī)變頻連續(xù)調(diào)節(jié)，Aprea等［48］對(duì)往復(fù)式壓縮機(jī)和渦旋式壓縮機(jī)在不同工況下的最優(yōu)轉(zhuǎn)速進(jìn)行研究，給出了不同工況下壓縮機(jī)的最優(yōu)工作頻率及其計(jì)算方程。Buzelin等［49］采用封閉環(huán)控制和開(kāi)關(guān)控制兩種方法，以尺寸為180 cm×380 cm×270 cm的冷凍室為模型，同工況下對(duì)冷凍室24 h室內(nèi)溫度、制冷劑溫度，開(kāi)關(guān)門(mén)室內(nèi)溫度波動(dòng)以及耗能進(jìn)行檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)應(yīng)用變頻壓縮機(jī)的封閉環(huán)控制能夠削減冷庫(kù)溫差，與開(kāi)關(guān)控制相比節(jié)能35.24%。變頻壓縮機(jī)可以匹配庫(kù)內(nèi)逐時(shí)冷負(fù)荷調(diào)節(jié)其轉(zhuǎn)速，避免“大馬拉小車(chē)”現(xiàn)象出現(xiàn)，目前，變頻壓縮機(jī)多用于暖通空調(diào)行業(yè)，在冷庫(kù)中并未獲得廣泛使用，項(xiàng)目初投資過(guò)高；節(jié)能效果不足以收回額外投資；缺少相關(guān)控制策略和運(yùn)行維護(hù)經(jīng)驗(yàn)可能是制約冷庫(kù)應(yīng)用變頻壓縮機(jī)的瓶頸。伴隨變頻調(diào)速技術(shù)運(yùn)行參數(shù)的優(yōu)化、控制策略的完善、投資成本的降低，將逐漸突顯這一技術(shù)的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)，變頻調(diào)速技術(shù)在冷庫(kù)應(yīng)用中將具有無(wú)容置疑的廣闊發(fā)展前景。

3.2 液化天然氣（liquefied natural gas，LNG）冷能在冷庫(kù)中的應(yīng)用

中國(guó)是天然氣進(jìn)口大國(guó)，其中一半左右進(jìn)口天然氣是以液化形式運(yùn)輸至中國(guó)，供給用戶之前，LNG在氣化站進(jìn)行加熱加壓氣化過(guò)程將釋放大量冷量，氣化站通常是將冷量排放至空氣或海水中，既污染環(huán)境又浪費(fèi)資源，根據(jù)中國(guó)石油集團(tuán)經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院發(fā)布的《2012國(guó)內(nèi)外油氣行業(yè)發(fā)展報(bào)告》，2012年中國(guó)LNG進(jìn)口量1 440萬(wàn)t，同比增長(zhǎng)22%，預(yù)計(jì)2013年中國(guó)LNG進(jìn)口量將達(dá)1 650萬(wàn)t，同比增長(zhǎng)14.6%。若以每千克LNG氣化釋放冷能830 kJ計(jì)算，2012年中國(guó)可利用冷能1.19×1013kJ，有必要對(duì)LNG冷能進(jìn)行回收開(kāi)發(fā)利用，LNG冷能可用于發(fā)電、低溫空分、冷庫(kù)、液化二氧化碳、低溫養(yǎng)殖、低溫破碎、冷凍干燥、汽車(chē)?yán)洳?。LNG氣化站往往設(shè)立在港區(qū)，而港區(qū)也是冷庫(kù)集中區(qū)域，將LNG冷能利用到冷庫(kù)應(yīng)用，不僅可獲得良好的投資收益，而且實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排。

LNG大氣壓力下的蒸發(fā)溫度約是－162℃，大多數(shù)冷庫(kù)庫(kù)溫在－30～0℃，一般換熱設(shè)備難以實(shí)現(xiàn)如此巨大的傳熱溫差，因此必須考慮使用中間冷媒吸收LNG氣化冷量，吳集迎等［50］對(duì)冷庫(kù)應(yīng)用LNG冷能系統(tǒng)工藝流程進(jìn)行了設(shè)計(jì)，采用濃度60%的乙二醇水溶液作為中間冷媒進(jìn)行蓄冷，既縮小設(shè)備傳熱溫差又解決了LNG氣化站產(chǎn)出冷量和冷庫(kù)用冷不匹配問(wèn)題。Antonio等［51］建議使用二氧化碳作為冷媒回收LNG氣化冷量用于食品工業(yè)冷物流，指出二氧化碳能夠有效回收冷量，并且對(duì)環(huán)境無(wú)毒無(wú)害，可阻止系統(tǒng)可能的火災(zāi)傳播。

在低溫工程領(lǐng)域，不同低溫工藝需要的溫度不同，將LNG冷能僅應(yīng)用在冷庫(kù)必然導(dǎo)致冷火用損失，這為利用LNG冷能提供了新的思路。吳集迎等［52］針對(duì)單一利用冷能造成高品位冷能冷耗問(wèn)題，建議采用冷能三級(jí)梯度利用，按照制冷工藝要求溫度不同，可先后進(jìn)行空氣分離、液化二氧化碳、冷庫(kù)制冷，實(shí)現(xiàn)LNG冷能充分利用。黃美斌等［53］根據(jù)不同冷庫(kù)庫(kù)溫要求不同的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)一種LNG冷能用于多溫區(qū)冷庫(kù)群技術(shù)方案，方案采用R23作為中間冷媒，以并聯(lián)形式向超低溫冷庫(kù)、中低溫冷凍冷藏庫(kù)、中溫冷藏庫(kù)提供冷量，HYSYS流程模擬分析顯示，方案節(jié)能效果明顯。熊永強(qiáng)等［54］從冷火用分析角度出發(fā)，對(duì)LNG冷能用于串聯(lián)多溫區(qū)冷庫(kù)群制冷系統(tǒng)的冷火用利用效率進(jìn)行計(jì)算，得到低溫冷庫(kù)中冷火用的利用率僅為38.5%，指出由于傳熱溫差過(guò)大，導(dǎo)致大量高品位冷火用被降質(zhì)利用，建議將低溫朗肯循環(huán)與利用LNG冷能冷庫(kù)流程進(jìn)行集成，利用深冷部分冷能進(jìn)行朗肯循環(huán)發(fā)電，改進(jìn)后方案冷火用利用率提高到54%。

4 結(jié)論與展望

（1）選擇隔熱材料不僅要考慮經(jīng)濟(jì)回報(bào)還應(yīng)考慮可能導(dǎo)致的環(huán)境影響，生命周期分析作為有效實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的評(píng)估工具，也可以應(yīng)用在冷庫(kù)設(shè)備選購(gòu)中。

（2）熱氣融霜是目前冷庫(kù)最佳融霜方式，冷庫(kù)系統(tǒng)蒸發(fā)器結(jié)霜不可避免，超聲波抑霜和液體干燥劑抑霜可延長(zhǎng)結(jié)霜周期，減少融霜系統(tǒng)開(kāi)啟次數(shù)，為冷庫(kù)融霜節(jié)能提供了新思路。

（3）通過(guò)使用變頻調(diào)速技術(shù)和余熱利用技術(shù)有助于冷庫(kù)系統(tǒng)節(jié)能運(yùn)行。

（4）在LNG冷能資源豐富區(qū)域建立LNG冷庫(kù)是回收冷能有效方式，但是單一利用冷能存在冷火用利用率不高問(wèn)題，通過(guò)集成其他冷能利用技術(shù)可實(shí)現(xiàn)冷能多梯度應(yīng)用。

未來(lái)冷庫(kù)的節(jié)能研究可以圍繞以下幾方面進(jìn)行深入：

（1）目前研究人員主要聚焦貨物堆垛方式對(duì)冷庫(kù)內(nèi)氣流分布的影響，未來(lái)可關(guān)注冷庫(kù)貨物內(nèi)部降溫過(guò)程的溫度分布，對(duì)貨物包裝的材料、開(kāi)孔、堆放方式進(jìn)行改進(jìn)。

（2）研究多種食品在冷庫(kù)應(yīng)用削峰填谷技術(shù)所造成溫度波動(dòng)對(duì)貨物品質(zhì)的影響，完善控制策略為冷庫(kù)應(yīng)用削峰填谷技術(shù)保駕護(hù)航。

（3）未來(lái)可更多關(guān)注冷風(fēng)機(jī)冷庫(kù)和排管冷庫(kù)溫度分布、氣流分布、能耗等對(duì)比研究。

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