冷库节能减排研究进展

杜子峥 谢 晶

DU Zi－zheng 1，2 XIE Jing 1，2

（1.上海海洋大学食品学院，上海 201306；2.上海水产品加工与贮藏工程技术研究中心，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）

改革开放以来，随着经济快速发展，中国农产品总产量在逐年增加。根据中国统计局［1］公布的数据，自1978年到2011年，中国水果产量从657万t增长到22 768万t，水产品总量由465万t增长至5 603万t，畜肉类产量由1996年4 584万t增长到2011年7 957万t；截止2010年，中国蔬菜产量占全球总产量的60%，水果和肉类产量占30%，禽蛋和水产品产量占40%。然而中国冷链物流建设并没有跟上农产品产量迅速增长的步伐，大部分生鲜产品仍在常温下流通，造成农产品产后损失严重［2］，为解决这一问题，未来中国应逐步完善冷链物流，加快冷藏库建设。2010年7月中国发改委专门出台了《农产品冷链物流发展规划》。

冷库数量增长必将导致冷库总的能耗需求提高，国务院印发的《节能减排“十二五”规划》给未来中国节能事业提出了新要求，规划将冷库应用中的电机、冷却塔、余热余压利用等系统列入节能改造重点工程。冷库是一个庞大复杂的系统，冷库设计、制冷系统运行及管理等方面都拥有节能改进的潜力，在能源日趋紧张的今天，冷库节能是一个值得关注的研究领域。

1 冷库设计中的节能技术

1.1 隔热材料的选择

20世纪80年代以前中国冷库隔热材料以稻壳、软木、炉渣和膨胀珍珠岩为主，此后岩棉、玻璃棉、聚苯乙烯泡沫塑料和聚氨酯泡沫塑料等开始得到广泛使用［3］，冷库围护结构、保温层传热量占冷库总热负荷的20%～35%［4］，选择合适隔热材料可有效减少外界热量进入冷库。

近年来，中国学者主要围绕隔热材料隔热、隔湿特性，保温层最佳经济厚度、新型绝缘隔热材料展开研究。罗金凤等［5］利用有限差分法对基于非稳态传热传湿模型进行数值求解，在隔热材料导热率为常数以及导热率是温湿度的函数两种情况下，对配备聚苯乙烯泡沫塑料、聚氨酯泡沫塑料、挤塑聚苯乙烯泡沫塑料3种保温材料的冷库全年耗电量进行分析。发现隔热材料吸湿后热导率增大将强化墙体导热，冷库全年总耗电量增加。建议使用挤塑乙烯泡沫塑料作为冷库隔热材料，其材料吸水率低，热导率受温湿度影响不明显。

为减少外界热量渗入冷库，增加围护结构保温层厚度和减少围护结构内外表面温差是两种有效途径。由于外界环境温度不可控，升高库内温度有可能增加冷库内货物损耗，减少围护结构内外表面温差实施很难。增加保温层厚度是可行办法，但增加保温层厚度势必导致冷库初投资增加，因此在冷库建设中，确定保温层最佳经济厚度十分重要。刘斌等［6］利用有限生命周期经济观点，推导出微型冷库在使用年限不足时保温层的最佳经济厚度公式，计算发现延长冷库使用年限会增加保温层最佳经济厚度，由于随着冷库生命周期的延长，机组运行费用在总费用中所占比例增大，加厚保温层有利于减少运行费用。

冷库在设计时往往只考虑投资回报的最佳经济厚度，做到冷库“节能”，但从“减排”角度出发，应考虑隔热材料从制造、运输、买卖、使用、废弃、再生整个过程可导致的空气污染、水污染、全球变暖潜力、能耗等，两者相综合，才能真正实现冷库“节能减排”。

Richman等［7］引 用 生 命 周 期 观 点 （life cycle assessment），指出冷库应用更厚隔热材料对环境造成的负荷会消减产生的经济回报。为探究两者关系，作者应用eQUEST软件和ATHENA软件分别对冷库采用不同厚度隔热材料的经济回报、环境影响进行模拟，试验引入相对强弱指标RSI（relative strength index），RSI值每增加1.41相当于增加50.8 mm隔热材料厚度，模拟以标准冷库RSI值5.64为基数，结 果 显 示 采 用 RSI值 分 别 为 RSI－7.54，RSI－8.45，RSI－9.86，RSI－11.27隔热材料所导致的环境负荷均小于冷库1年的运行节能，因此对现代大型冷库，设计者无需考虑采用更厚隔热材料可能导致的环境影响。

目前，气凝胶隔热材料逐渐成为国内外学者研究重点。其保温性、阻燃性、隔湿性均优于现应用于冷库的保温隔热材料，气凝胶有很多种类，最常见的有碳气凝胶、Al2O3、TiO2和SiO2等。气凝胶密度小、孔隙率极高、胶体颗粒尺寸仅为3～20 nm、具有多孔网络结构，对导热、对流传热、辐射传热均有有效限制［8］，可作为高性能隔热材料。石崇等［9］对二氧化硅气凝胶复合隔热材料在船舶冷库应用进行了工艺试验，试验证明气凝胶复合隔热材料可以有效改善船舶冷库的保温性能，节能效果显著。近年来中国冷库及冷藏食品相关行业火灾频发［10］，现有新型冷库保温材料虽然能够隔热，但大都具有易燃特点，而气凝胶耐热性能优异，可承受600～1650℃高温［11］。但由于气凝胶制备工艺复杂性，技术含量较高，目前其应用还只局限于航空航天等高端产业。气凝胶隔热材料研究已成为全球热点，但有关气凝胶在冷库应用的研究报道鲜见，伴随着未来气凝胶工艺改进，气凝胶工业产业化发展，气凝胶隔热材料将广泛应用工业建筑各领域，气凝胶隔热材料在冷库中的应用值得关注。

1.2 空气幕的优化

为阻止室外空气渗入冷库，减少库内冷负荷，通常在冷库门处设立空气幕。空气幕是由空气处理设备、通风机、空气分布器、风管系统组成。设置空气幕能够有效地防止外界热湿气体渗入冷库，空气幕起源于前苏联，在新中国初期从苏联援建的“156项”项目引入，20世纪80年代，随着中国工业的迅速发展，空气幕在中国各行业得到了广泛的利用。2010ASHERE手册［12］数据指出冷库空气渗透负荷占冷库总制冷负荷的一半以上。空气幕研究主要目的是提高空气幕密封效率，减少冷库渗透负荷，研究主要围绕射流速度、喷口宽度、喷射角度，以及热压对于空气幕的影响，通过试验和计算机模拟相结合的方式进行。对于每一个具体的冷库，都存在使空气幕效率最高的最优射流速度和喷射角度［13－17］，南晓红等［13］指出空气幕喷口选择不宜太宽，喷口宽度达到一定值时，空气幕效率增加不明显。为提高空气幕密封效率，空气幕应该安装在室外，喷射角度应该朝向室外15～20°［15－17］。Gonalves等［17］指出空气幕的密封效率（81%）高于其阻热效率（75.5%）。缪晨等［18］利用CFD软件对试验冷库空气幕流场进行了非稳态模拟，对冷库门和空气幕开启60 s内冷库温度场和气流场温度变化进行预测，并对冷库温度场模拟结果进行试验验证，发现冷库空气幕开启后中心主流速度可达到冷库门底部，但由于喷口宽度没有完全覆盖门宽度等原因，外部热空气易从入口两侧和底部渗入库内，造成冷库中心处形成多个涡旋，影响冷库内气流场和温度场均匀分布。

1.3 余热回收技术的应用

2012年7月11日，国务院印发的《“十二五”节能环保产业发展规划》，将余热余压利用设备的制造放入重点发展的节能领域中，为余热利用提供政策保障，冷库制冷系统余热利用将是重点节能领域。冷库制冷系统将冷凝热排放到室外，这种做法不仅造成环境的“热污染”而且还造成能源浪费，因此有必要回收冷库制冷系统余热。中国学者［20］提出可利用冷凝热加热生活用水，但是由于土地价格等原因，中国冷库大部分建立在人口非密集区，加热生活用水无法充分利用，管道铺设也将额外增加企业的投资成本。国外利用冷库余热的做法是采取余热加热冷库地坪，即利用压缩机排气热量加热乙二醇溶液，乙二醇溶液在冷库地坪下循环防止土建冷库地坪冻臌［21］。

2 冷库运行中的节能技术

2.1 蒸发器融霜

由于冷库门频繁开启和货物冷冻过程中失水，库内空气相对湿度较高，冷库空气流至蒸发器时，空气被冷却的同时也导致蒸发器结霜。霜层严重阻碍了蒸发器与空气传热，降低整个系统制冷效率，增加冷库能耗，因此冷库应定时进行除霜。制冷系统在有霜层情况下运行COP将减少20%～30%［22］。热电融霜、水冲霜、热气融霜、热气融霜结合水冲霜是目前主要采用的融霜方式，水冲霜最常用于冷风机除霜，但因其水耗大，除霜成本高，此外冲霜水外溢还会使地坪冻臌，已逐渐被热气融霜所代替。为实现冷库融霜节能，国内外学者对多种融霜方式进行讨论并对融霜系统提出改进。

臧润清等［23］针对冷却物冷藏间蒸发器融霜提出可采用“依次除霜法”。刘恩海［24］对热氨冲霜方式进行改进，建议安装除冰装置辅助热氨冲霜。陆佩强等［25］设计了一种双蒸发器液体冷媒融霜系统，利用液体冷媒对蒸发器进行融霜，融霜蒸发器起到冷却器作用，回收一部分冷量，可实现不停机融霜。刘训海等［26］对电热融霜和热气融霜进行对比研究，指出电热融霜效率不高，易导致小型冷库库温显著波动，建议采用热气融霜。Yin等［27］针对热电融霜方法融霜效率不高，提出可在冷库中加设电热融霜气流循环旁通道，试验证明融霜效率明显提高，并可减少冷库内温度波动。

延长结霜周期减少融霜次数，也可实现节能。抑制霜层增长和减小蒸发器回风口空气性相对湿度可延长结霜周期。Yan等［28］利 用 两 种 不 同 频 率 的 超 声 波 （20 k Hz／30 W，15 k Hz／30 W）对冷风机进行抑霜试验，发现经过48 h，冷风机翅片仍未被霜层堵塞。Wang等［29］利用超声波震动对翅片式蒸发器进行抑制结霜试验，指出超声波能够有效抑制霜层的生长，但不能完全除霜。Barelli等［30］将压电板与蒸发器翅片连接，发现利用压电板产生超声波震颤能够有效地抑制霜层结霜，从而延长融霜周期。Sergio等［31］设计了一种利用液体干燥剂延缓蒸发器结霜的装置，通过液体干燥剂干燥蒸发器回风口的气流以减少蒸发器表面结霜量。

2.2 冷库堆放形式的优化

冷库货物堆放依托于冷库货架系统，其合理规划和布局，不仅能提高冷库空间利用率，保持冷库内气流流速和温度分布均匀，而且便于叉车及人员在库内作业。冷库目前常采用的货架系统有：贯通式货架、穿梭车式货架、后推式货架、双深度货架、窄巷道式货架［32］。不同冷库可根据冷库库容、货物种类、货物出入频率，选择合适的货架系统，从而降低冷库能耗和投资成本。刘妍玲等［33］利用fluent软件对小型果蔬冷库进行CFD模拟，对中间有通道和中间无通道两种果蔬摆放形式进行分析，指出果蔬中间有通道摆放方式可以改善库内气流温度和流速分布；冷库近地面易形成高温区，不利于货物保存，因此建议货物堆放应离地面一定高度。胡耀华等［34］在对猕猴桃冷库流场CFD模拟研究中发现，3跺堆放的猕猴桃散热效果优于2跺堆放的猕猴桃，因此建议在货物堆放时应尽可能分散堆放。刘永娟［35］在货物不同摆放形式下冷库内气流组织模拟研究中印证了胡耀华提出的建议，试验发现设置垫仓板均分四堆货物摆放形式气流和温度分布优于设置垫仓板均分两堆、不设垫仓板均分两堆、不设垫仓板集中放置3种货物摆放形式，但试验将货物作为整体进行模拟计算，不符合货物可视为多孔介质的特性，因此试验仍有改进余地。

果蔬在贮藏时存在贮藏损失问题，通过改进果蔬堆垛尺寸和堆垛方式可减少这一损失。Chourasia等［36］对印度土豆贮藏冷库的堆垛尺寸和堆垛方式进行试验和模拟研究，围绕堆垛宽高比、堆垛体积、宽度、高度和堆垛间距对土豆贮藏品质影响展开，指出增加土豆堆垛宽高比和垂直间距可以显著减少土豆冷却时间，降低土豆温度。当堆垛高度从1.6 m提高至6.4 m时，冷却时间将提高60%，这是由于库内冷气由下向上运动并不断吸收沿程土豆呼吸热，堆垛过高将弱化冷气吸热能力，导致货物自下至上温度逐渐增加。Delele等［37］在对冷库喷淋水雾化加湿系统CFD优化研究中同样发现这一问题，在货架底部，货物间隙空气与货物表面存在0.92℃温差，但在货架中部和上部这一温差可以忽略不计，冷库相对湿度最低处出现在货架上部。试验将货物堆垛在冷库中部，迫使气流涡旋区域向墙壁处迁移，冷库最差冷藏效果往往出现在涡旋区域，对货物合理摆设可消除涡旋区域出现或者迫使其远离货物，提高冷库冷藏效率［38］，在贮藏货物时，货物堆垛高度不能过高，堆垛货物之间也应保持一定垂直间距以利于传热。汤毅等［39］以尺寸为48 m长×46 m宽×6 m高某公司一单库为模拟对象，对不同摆放方式下冷库内气流场分布进行CFD预测，吹风速度为3 m／s情况下，3层摆放形式冷库平均流速分布与空库运行相类似，货物区各层流速均满足规定，货物3层摆放在气流场均匀程度上优于货物4层摆放，建议冷库经营商家应合理选择货物摆放高度，不要盲目扩大冷库贮存率。

2.3 削峰填谷技术的应用

中国工业用电高峰时期和低谷时期电价存在很大差异，冷库利用谷电进行蓄冷消减高峰时期制冷负荷，既节约运行成本，又减缓电网系统供电压力，达到节约能源的目的。冷库建设目的是为保持货物高质量、高营养和延长产品货架期，若利用削峰填谷技术无法实现上述目标，削峰填谷将毫无意义。East等［40］利用削峰填谷技术对苹果在4±2，2.75±1.25，1.6±0.4，0.5±0.3℃4种温度下进行气调贮藏，制冷系统对苹果进行3 h预冷降温后停止工作，试验发现19 h后苹果温升1℃，品质没有受到显著影响，气调库良好密封性、苹果较低的呼吸速率和热惰性是导致苹果温升较小的主要原因。

为探究将冷冻货物作为用电高峰时期冷库冷源的可行性，Altwies［41］采用FEHT软件对冷冻货物作为单一冷源的冷库14 h温度波动进行模拟，引入传导负荷、产品负荷、内部负荷、渗透负荷、设备负荷5种可能导致温度波动的因素作为干扰项，模拟结果显示，冷冻货物温度从－24.7℃升高至－19.1℃，在库温低于－18℃前提下，5.6℃的温差并不能明显影响货物品质。并以美国中西部一家冷库为模型，进行节能效果经济分析，发现以冻结货物为冷源的削峰填谷技术每年可节约8.2万美元的电费。温度波动对于不同食品品质影响不同，因此冷库在利用谷电进行蓄冷时，应考虑贮藏货物对温度波动的敏感程度，科学实行削峰填谷，将货物品质放在首位。

3 冷库中新技术的应用

3.1 变频调速技术

随着科学技术发展，变频调速因其节能，高效，减噪，可靠等优点，广泛应用到工业控制的各个领域，变频调速技术在冷库节能应用领域潜力巨大，可应用在压缩机、冷风机、冷库大门等设备改造中。陆一飞等［42］指出风机设备变频节能效果可以做到节能20%～50%，刘训海等［43］对变频风机在低温冷库应用中节能效果进行研究，在不同工况下，变频风机的使用节能效果显著，库内工况温度越低，使用变频风机节能效果更显著。江发生等［44］对变频控制技术在冷库门运行控制中应用可行性进行讨论，认为变频控制技术可以实现冷库快速开启，避免因冷库门开关所造成人员夹伤、车辆损伤等安全问题。Yu等［45］对制冷系统4种控制策略（变频风机排气压力控制、定速风机排气压力控制、变频风机冷凝温度控制、定速风机冷凝温度控制）在稳定工况下的制冷效率进行研究，指出采用变频风机冷凝温度控制可以提高制冷系统的COP值4.0%～127.5%。

压缩机系统以冷库最大制冷负荷工况设计，但大多数时间冷库在部分负荷下运行，压缩机全开无疑造成能源浪费，应用变频压缩机能有效解决这一问题，但因缺少变频压缩机对整个制冷系统动力学影响参数，无法充分发挥其节能优势，为此学者做了大量研究。Tassou等［46］对半封闭式往复压缩机、开放式往复压缩机、开放式叶轮压缩机的性能进行研究，指出额定速率下压缩机的性能最高，使用压缩机变频控制可实现节能12%～24%。Aprea等［47］对变频涡旋式压缩机在热泵循环和冷却水循环两种工况下节能效果进行研究，与定速涡旋式压缩机（工作频率50 Hz）对比，采用变频涡旋式压缩机的热泵循环节能30%，冷却水循环节能20%。为建立控制算法实现压缩机变频连续调节，Aprea等［48］对往复式压缩机和涡旋式压缩机在不同工况下的最优转速进行研究，给出了不同工况下压缩机的最优工作频率及其计算方程。Buzelin等［49］采用封闭环控制和开关控制两种方法，以尺寸为180 cm×380 cm×270 cm的冷冻室为模型，同工况下对冷冻室24 h室内温度、制冷剂温度，开关门室内温度波动以及耗能进行检测，发现应用变频压缩机的封闭环控制能够削减冷库温差，与开关控制相比节能35.24%。变频压缩机可以匹配库内逐时冷负荷调节其转速，避免“大马拉小车”现象出现，目前，变频压缩机多用于暖通空调行业，在冷库中并未获得广泛使用，项目初投资过高；节能效果不足以收回额外投资；缺少相关控制策略和运行维护经验可能是制约冷库应用变频压缩机的瓶颈。伴随变频调速技术运行参数的优化、控制策略的完善、投资成本的降低，将逐渐突显这一技术的经济优势，变频调速技术在冷库应用中将具有无容置疑的广阔发展前景。

3.2 液化天然气（liquefied natural gas，LNG）冷能在冷库中的应用

中国是天然气进口大国，其中一半左右进口天然气是以液化形式运输至中国，供给用户之前，LNG在气化站进行加热加压气化过程将释放大量冷量，气化站通常是将冷量排放至空气或海水中，既污染环境又浪费资源，根据中国石油集团经济技术研究院发布的《2012国内外油气行业发展报告》，2012年中国LNG进口量1 440万t，同比增长22%，预计2013年中国LNG进口量将达1 650万t，同比增长14.6%。若以每千克LNG气化释放冷能830 kJ计算，2012年中国可利用冷能1.19×1013kJ，有必要对LNG冷能进行回收开发利用，LNG冷能可用于发电、低温空分、冷库、液化二氧化碳、低温养殖、低温破碎、冷冻干燥、汽车冷藏。LNG气化站往往设立在港区，而港区也是冷库集中区域，将LNG冷能利用到冷库应用，不仅可获得良好的投资收益，而且实现节能减排。

LNG大气压力下的蒸发温度约是－162℃，大多数冷库库温在－30～0℃，一般换热设备难以实现如此巨大的传热温差，因此必须考虑使用中间冷媒吸收LNG气化冷量，吴集迎等［50］对冷库应用LNG冷能系统工艺流程进行了设计，采用浓度60%的乙二醇水溶液作为中间冷媒进行蓄冷，既缩小设备传热温差又解决了LNG气化站产出冷量和冷库用冷不匹配问题。Antonio等［51］建议使用二氧化碳作为冷媒回收LNG气化冷量用于食品工业冷物流，指出二氧化碳能够有效回收冷量，并且对环境无毒无害，可阻止系统可能的火灾传播。

在低温工程领域，不同低温工艺需要的温度不同，将LNG冷能仅应用在冷库必然导致冷火用损失，这为利用LNG冷能提供了新的思路。吴集迎等［52］针对单一利用冷能造成高品位冷能冷耗问题，建议采用冷能三级梯度利用，按照制冷工艺要求温度不同，可先后进行空气分离、液化二氧化碳、冷库制冷，实现LNG冷能充分利用。黄美斌等［53］根据不同冷库库温要求不同的特点，设计一种LNG冷能用于多温区冷库群技术方案，方案采用R23作为中间冷媒，以并联形式向超低温冷库、中低温冷冻冷藏库、中温冷藏库提供冷量，HYSYS流程模拟分析显示，方案节能效果明显。熊永强等［54］从冷火用分析角度出发，对LNG冷能用于串联多温区冷库群制冷系统的冷火用利用效率进行计算，得到低温冷库中冷火用的利用率仅为38.5%，指出由于传热温差过大，导致大量高品位冷火用被降质利用，建议将低温朗肯循环与利用LNG冷能冷库流程进行集成，利用深冷部分冷能进行朗肯循环发电，改进后方案冷火用利用率提高到54%。

4 结论与展望

（1）选择隔热材料不仅要考虑经济回报还应考虑可能导致的环境影响，生命周期分析作为有效实现节能减排的评估工具，也可以应用在冷库设备选购中。

（2）热气融霜是目前冷库最佳融霜方式，冷库系统蒸发器结霜不可避免，超声波抑霜和液体干燥剂抑霜可延长结霜周期，减少融霜系统开启次数，为冷库融霜节能提供了新思路。

（3）通过使用变频调速技术和余热利用技术有助于冷库系统节能运行。

（4）在LNG冷能资源丰富区域建立LNG冷库是回收冷能有效方式，但是单一利用冷能存在冷火用利用率不高问题，通过集成其他冷能利用技术可实现冷能多梯度应用。

未来冷库的节能研究可以围绕以下几方面进行深入：

（1）目前研究人员主要聚焦货物堆垛方式对冷库内气流分布的影响，未来可关注冷库货物内部降温过程的温度分布，对货物包装的材料、开孔、堆放方式进行改进。

（2）研究多种食品在冷库应用削峰填谷技术所造成温度波动对货物品质的影响，完善控制策略为冷库应用削峰填谷技术保驾护航。

（3）未来可更多关注冷风机冷库和排管冷库温度分布、气流分布、能耗等对比研究。

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