冷库低碳供冷技术探讨.pdf

22第46卷第2期2023年6月Vol.46,No.2June.2023冷 藏 技 术Journal of Refrigeration Technology冷库低碳供冷技术探讨尹从绪1 包职刚2 刘 斌2(1 华商国际工程有限公司 北京 100069；2 天津市制冷技术重点实验室 天津商业大学 天津 300134)摘 要 冷库作为高能耗建筑，实现低碳环保发展是必然选择，这对我国实现双碳目标具有重要意义。本文提出了冷库低碳供冷的3种模式，并分析了三种模式的社会经济效益。结果表明在西北地区利用自然冷风作为冷源的高温库相比于传统机械制冷，节能率达到70%以上；在太阳能供冷模式中，太阳能光伏发电储冷模式具有最好的经济性；在蓄冷冷库中，随着冷库用冷的增大，蓄冷更具有优势。关键词 冷库；低碳；自然冷源Discussion of Low Carbon Refrigeration Technologies Used in Cold StoreYin Congxu1 Bao Zhigang2 Liu Bin2(1.Huashang International Engineering Co.Ltd.,Beijing,100069,China;2.Tianjin Key Lab of Refrigeration Technology,Tianjin University of Commerce,Tianjin,300134,China)Abstract As a high energy consumption building,the realization of low-carbon environmental protection development is the inevitable choice of cold storage,which is important for the carbon peaking and carbon neutrality goals in our country.In this paper,three low-carbon models of the cooling technologies are provided and the social and economic interesting are analyzed.The results show that the energy consumption of the cold store cooled by the nature cold wind is 70%less than that of the cold store cooled by the mechanical refrigeration technology in west-north China.Among the cooling methods by the solar energy,the method of the combination of the photovoltaic and the cool store is the best.As for the cool storage,it shows a greater advantage with the increase of the volume of the cold store.Keywords cold store;low carbon;nature cold source通讯作者：尹从绪，高级工程师，从事冷链技术咨询、标准制定等工作。随着我国对冷链建设的重视，冷库发展迅速，目前全国冷库总容量超过8000万吨，使用的电能达到国民用电量的1左右，对我国的“3060”双碳目标的实现具有重要的影响。因此在“十四五”冷链物流发展规划明确指出“加强冷链产品品质劣变腐损的生物学原理及其与物流环境之间耦合效应、高品质低温加工、高效节能与可再生能源利用、环保制冷剂及安全应用、冷链安全消杀等基础性研究，夯实冷链物流发发展基础”。可再生能源利用是实现冷链低碳高效发展的重要途径。针对目前冷库利用低碳能源的现状，本文分析了自然冷风冷源、分布式太阳能和蓄冷供冷系统在冷库中使用的可行性。1 自然冷风冷源的利用自然冷源指的是自然界中存在的可以直接提供冷量用于环境、设施降温的资源，如地下水、天然冰、北方地区冬季室外的低温空气等。对于利用自然冷源，人类已经有了很长久的历史1-5。随着人类科学技术的发展，自然冷源的使用范围和应用领域越来越广，如今在冷藏陈列柜、冷库、数据中心、食用菌生产、粮食储藏等领域都有研究和应用。1.1 我国自然冷风在冷库中的利用范围各种果蔬的储存温度要求不同，有些果蔬，最佳储存温度在0 左右，如苹果、梨、萝卜、芹菜和大多数叶菜类蔬菜等。但有一部分果蔬，需要在10 甚至高于10 的环境下进行贮藏，如红薯、山药、青椒、番茄、芒果，西瓜、香蕉等。因此，当环境温度低于所需的储存温度，就可以利用自然冷风为其提供冷源。根据我国气候气温条件、温度带的划分以及果蔬贮藏温度要求，可以用5 作为判定是否适用自然冷风的温度。以全年日均气温5 的天数是否多于90天来判定自然冷风作为冷源的依据。可以doi:10.20094/j.issn.1674-0548.2023.02.02223第46卷第2期2023年6月Vol.46,No.2June.2023冷 藏 技 术Journal of Refrigeration Technology发现，沿着秦岭淮河一线，将自然冷风利用的区域分成2个部分。该线以北的地区符合利用自然冷风温度标准且天数大于或等于90天，秦岭淮河一线以南的地区可以利用自然冷风温度天数小于或等于90天。在冬春温度较低时间较长的北方区域，也是我国果蔬的主要产区，此地区室外空气温度低，自然冷风冷源丰富，适合进行自然冷风的开发和利用。综合我国不同区域的温度，在我国的西北方地区，月平均气温有一半的时间低于5，意味着一年有近一半的时间该地区可以利用自然冷风进行果蔬等的贮藏。根据2018的水果生产量分析，华北、东北、西南和西北地区是我国10大水果生产基地的地区，因此有广阔地利用自然冷风进行水果贮藏的发展前景6,7。1.2 冷库自然冷源的利用模式利用自然冷风为果蔬冷库提供冷源具有季节性。在不满足气温条件的季节，仍需要用机械制冷系统为冷库提供冷源。这就需要冷库在设计和建设阶段进行特殊处理，做好2套系统的设计和安装。图1为一种典型冷库中利用自然冷源的结构模式8。整个系统包括冷库排风系统、自然冷风引入系统、机械制冷系统、温湿度测量系统和控制系统。控制系统逻辑结构图如图2。1）自然冷源均匀送风风管；2）机械制冷装置；3）自然冷源均匀回风风管；4）通风风机；5）温湿度传感器；6）PLC智能控制柜；7）通风风阀；8）加湿机；9）主进风管；10）排风管；11）热交换器图 1 自然冷风利用冷库结构示意图Fig.1 Structure diagram of cold store with natural cold air在结构设计中，为了保证室外低温的空气直接进入冷库内，造成冷库内贮藏果蔬的冷害，室外冷风先进入穿堂进行回热，再进入贮藏间。当室外冷风温度更低时，在排风和进风之间设置了显热交换器，利用冷库的排风对引入的过低的室外冷风加热，加热后的室外冷风再进入穿堂，然后进入贮藏间。现有的贮藏实验结果表明8，自然冷源和机械制冷双向自动切换库可以在保证库内贮藏温度的条件下，比单一的采用机械制冷的方式节约能耗76.34%。图 2 自然冷风冷库的控制逻辑Fig.2 Control logic of cold store with natural cold air2 太阳能在冷库的应用太阳能作为一种可再生能源，具有分布广泛，容易获取，且取之不尽，用之不竭的特点。目前，国内越来越多的冷库利用屋顶安装太阳能光伏板进行发电。所发的电可以销售给电力公司并入市网，也可直接用于冷库园区，如照明等。本文主要关注分布式太阳能在冷库中的应用，包括太阳能集热吸附式制冷储冷系统、太阳能光伏发电储电系统和太阳能光伏发电储冷系统三种类型。2.1 太阳能集热吸附式制冷储冷冷库系统太阳能用于吸附制冷的技术较多9-10，但是用于冷库的系统较少。在这提出了一种太阳能集热吸附式制冷储冷系统，如图3所示。太阳能集热吸附式制冷储冷系统主要包括集热器、工质对（活性炭-甲醇）、吸附床、冷凝器、蒸发器以及水系统等。太阳能光伏发电组件产生的电能用于供应电加热器加热水，使水温升至指定温度并利用保温水箱储存热量。在早晨光照强度较弱时，通过储存的热量和集热器吸收太阳能加热水的热量，共同为系统循环供应热量，驱动活性炭-甲醇吸附式制冷系统来获取-3 的蒸发温度。将吸附式制冷系统与冷库、蓄冰槽相连，通过控制系统将冷量供应冷库，多余冷量储存于蓄冰槽中。24第46卷第2期2023年6月Vol.46,No.2June.2023冷 藏 技 术Journal of Refrigeration Technology 图 3 太阳能集热吸附式制冷储冷系统示意图Fig.3 Schematic diagram of solar heat collection adsorption refrigeration and cold standby system2.2 太阳能光伏发电储电冷库系统太阳能光伏发电储电冷库系统示意图如图4。图 4 太阳能光伏发电储电冷库系统示意图Fig.4 Schematic diagram of solar photovoltaic power generation and storage system in cold store光伏组件将太阳能转化为电能，通过控制系统和逆变器向冷库提供所需电能，冷库制冷机组消耗电能生产制冷量。白天制冷机组不工作时，将产生的电能存储在蓄电池中备用。2.3 太阳能光伏发电储冷冷库系统太阳能光伏发电储冷冷库系统示意图如图5。图 5 太阳能光伏发电储冷冷库系统示意图Fig.5 Schematic diagram of solar photovoltaic generation ice storage system in cold store制冷系统运行时，利用光伏组件将太阳能转化为电能，并通过逆变器将全部电能供应冷库，冷库制冷机组消耗电能产生冷量，通过控制系统将所需冷量供应冷库。当冷库不需要供冷时，将产生的冷量储存于蓄冰槽中。通过对甘肃省一座小型的90 m3的冷库用能和投资进行分析，发现三种光伏发电系统中，吸附式制冷系统和光伏发电储冷系统的投资回收周期基本相同，分别为5.19、5.26年，而光伏储电系统为7.39年。吸附式制冷系统和光伏发电储冷系统的投资回收周期相较于光伏发电储电系统低37%、40%，经济效益较好。需要说明的是，太阳能光伏的使用，首先要考虑当地的太阳能资源是否丰富，其次要考虑用能的匹配。对于大型立体冷库和多层土建冷库，由于其冷负荷较大，太阳能光伏组件占用的面积有限，所提供的能源不足以支撑制冷系统的需求。但对于产地小型冷库，如当地太阳能资源丰富，单位冷库容量的太阳能光伏组件占比高，利用太阳能光伏发电是有效减少冷库能耗的重要手段。3 蓄冷冷库分析我国跨省电力系统的负荷峰谷差一般约为最大负荷的30%40%11，减小负荷峰谷差，常采取负荷管理办法，如对低谷时用电的用户在电价上予以优惠的鼓励办法12-13。冷库作为一个高能耗产业，采用蓄冷的方式可以实现电网调峰，同时利用低谷电价，减少冷库运行费用，实现社会效益和企业效益的共赢，其系统结构图如图6。图 6 蓄冷冷库系统示意图Fig.6 Schematic diagram of ice storage system in cold store 蓄冷冷库系统有2种运行方式。第一种方式：外界气温较高时，制冷系统用于维持载冷剂箱1内的低温载冷剂温度。当冷库需要制冷时，通过载冷25第46卷第2期2023年6月Vol.46,No.2June.2023冷 藏 技 术Journal of Refrigeration Technology剂箱1向翅片排管组提供低温载冷剂，流回的载冷剂一部分直接回到载冷剂箱1，另一部分流入三通阀与载冷剂箱1来的载冷剂混合后供入翅片排管。当排管结霜时，载冷剂箱2内的载冷剂被输送至需要化霜的翅片排管，吸热融霜后通过空气换热器提升温度，再流回载冷剂箱2。第二种方式：外界气温较低时，板换蒸发器通过四通换向阀变为冷凝器，向载冷剂箱1内提供热量。此时外界气温低，冷库内需要冷量较少，可由载冷剂通过空气换热器降温后再送入翅片排管，进行降温，实现自然冷源利用。同时化霜时，则由载冷剂箱1内的热载冷剂实现。表1和表2分别为2021年我国部分地区的电价差和需求侧响应激励补贴。表 1 我国部分地区的峰谷电价差Tab.1 Peak and valley electricity price differences in some areas of china峰电价(元/千瓦时)谷电价(元/千瓦时)峰谷差(元/千瓦时)上海市0.9910.2780.713江苏省1.06970.31390.7558浙江省1.33770.50970.828天津市1.11740.46610.6513安徽省1.00390.37160.6323表 2 需求侧响应激励补贴Tab.2 Demand side response incentive subsidy需求侧响应激励补贴山东30 元/千瓦次河南补贴价格为18 元/千瓦次浙江削峰：4 元/千瓦时江苏8 元/千瓦广东20 元/千瓦天天津填谷：1.22 元/千瓦时江西0.9 元/千瓦时基于表1和表2的数据，以浙江省为例，分别计算了高温库（0）和低温库（-18）不同冷量下和不同蓄冷时间下的节能的运行费，如图7。从图7中可以看出，蓄冷温度越低，蓄冷冷库制冷系统的节省费用越大，可回收的周期就越短。a)0 高温库 b)-18 低温库图 7 浙江省不同蓄冷量每年节省费用随蓄冷时间变化Fig.7 Variation of annual cost savings with storage time for different cold store capacity in Zhejiang Province4 结论通过冷库中3种低碳高效的供冷方式分析和比较，可以得到以下结论：（1）对于自然冷风冷源而言，在我国主要的果蔬产区可以推广应用，可以取得明显的节能效果。（2）对于分布式太阳能辅助供冷的冷库，太阳能光伏发电储冷冷库系统具有较好的发展前景。对于太阳能资源丰富地区的产地小型冷库，太阳能光伏发电是有效减少冷库能耗的重要手段。（3）蓄冷冷库具有较低的运行费用，具有明显的削峰填谷效益，可以推广应用。参考文献1 袁培,武宜霄,曾庆辉,等.自然冷源冷藏陈列柜运行试验研究J.流体机械,2023,51(1):18-23.（下转第39页）39第46卷第2期2023年6月Vol.46,No.2June.2023冷 藏 技 术Journal of Refrigeration Technology图 5 预应力张拉后变形图Fig.5 Deformation diagram of prestress after tensioning（5）预应力线型的选取要充分考虑大跨度无梁楼板的受力特点。为了充分发挥预应力的作用，采用水平直线段加四段抛物线的线型5，详见图6。水平段的选取直接影响结构的承载力及裂缝，因此水平段长度（L1）要控制在柱帽宽度的4/5左右。在裂缝控制过程中采用名义拉应力限值法计算6。图 6 预应力曲线线型Fig.6 Prestress curve4 结束语本文通过大跨度预应力平板在土建冷库实际应用分析得出以下结论：（1）大跨度预应力平板土建冷库的上部结构土建成本较高，但其库容能大大增加。并且在投产运营时，由于无梁格影响，冷风机送风均匀，对储存货物品质有保证。因此，多高层土建冷库采用大跨度预应力平板结构具有较高的推广价值。（2）计算预应力混凝土平板内力时要采用等代框架法或有限元法；计算板柱节点抗冲切承载力时须考虑由于活荷载的不利布置而引起的不平衡弯矩作用。参考文献1 华商国际工程有限公司.冷库设计标准:GB 50072-2021 S.北京:中国计划出版社,2021.2 住房和城乡建设部工程质量安全监管司.全国民用建筑工程设计技术措施（2009年版）（混凝土结构）.北京:中国计划出版社,2012.3 中国建筑科学研究院有限公司.混凝土升板结构技术标准:GB/T 50130-2018S.北京:中国建筑工业出版社,2018.4 中华人民共和国住房和城乡建设部.建筑抗震设计规范（2016年版）:GB 50011-2010S.北京:中国建筑工业出版社,2016.5 同济大学.预应力混凝土结构设计规范:JGJ 369-2016S.北京:中国建筑工业出版社,2016.6 中华人民共和国住房和城乡建设部.混凝土结构设计规范（2015年版）:GB 50010-2010S.北京:中国建筑工业出版社,2015.2 刘宇轩,陆婷婷,王鲁平,等.可变风道自然冷源-压缩机机房空调的试验研究及节能评价J.流体机械.2022,50(3):1-5,18.3 冀翠莲,刘晓鹏,甘信广,等.地下空间冷源在电梯机房新型节能系统的研究与应用J.工程建设与设计,2022(5):44-46.4 牛建会,步秋军.空气源热泵自然冷源过冷制热性能实验研究J.制冷学报.2021,42(6):45-50.5 孟俣,刘斌,陈爱强,等.自然冷源在家用冰箱系统应用及性能分析J.低温与超导,2020,48(4):85-89,99.6 刘斌,尹从绪,石胜强,等.自然冷源在冷库中的应用可行性分析J.冷藏技术,2020,43(3):1-9.7 郑佳,张蕊,于晋泽,等.自然冷源与机械制冷相结合的冷库改造研究J.冷藏技术,2020,43(3):36-41.8 张蕊.自然冷源和机械制冷双向切换节能型制冷装置的研究D.天津:天津商业大学,2020.9 陆紫生,王如竹,夏再忠,等.太阳能吸附空调的全性能实验研究及其应用J.制冷学报,2010,31(2):1-6.10 陈恒,李廷贤,王丽伟,等.太阳能吸附式空调固化复合吸附剂性能J.化工学报,2009,60(5):1097-1103.11 阿同别克,加玛力汗库马什,任明明.新疆某地区电网负荷特性分析J.科技创新导报,2012(35):16-18.12 滕跃,刘钊,王文科,等.冰蓄冷空调技术在电网调峰中的应用J.科技创新与应用,2023,13(12):166-169.13 田子豪,王怡,杨知方.考虑冰蓄冷空调投资效益的分时电价优化设计J.东北电力大学学报,2022,42(6):19-27.14 曹建伟,黄申,孙毅,等.冰蓄冷空调群参与风光本地消纳的微网随机经济调度策略J.南方电网技术,2022,16(8):68-78.（上接第25页）