商用敞开式冷藏陈列柜节能技术研究进展.pdf

59第46卷第2期2023年6月Vol.46,No.2June.2023冷 藏 技 术Journal of Refrigeration Technology商用敞开式冷藏陈列柜节能技术研究进展盖若男 矫佳伟 王天娜 杨大恒(哈尔滨商业大学能源与建筑工程学院 哈尔滨 150028)摘 要 本文分别从风幕优化、结构设计、系统改进及蓄冷材料应用方面综述了商用敞开式冷藏陈列柜的研究进展，分析了上述四种节能技术对商用敞开式冷藏陈列柜性能方面的影响及优化改进的方法，为实现商用敞开式冷藏陈列柜节能降耗，推动商用冷链设备的发展提供帮助。关键词 商用敞开式冷藏陈列柜；风幕优化；结构设计；系统改进；节能技术Research Progress of Energy Saving Technology for Open Commercial Refrigerated Display CabinetsGai Ruonan Jiao Jiawei Wang Tianna Yang Daheng(Energy and Architectural Engineering Institute,Harbin University of Commerce,Harbin,150028,China)Abstract This paper summarized the research progress of commercial open refrigerated display cabinets from the aspects of air curtain optimization,structure design,system improvement and application of cold storage materials.The influence of the above four energy saving technologies on the performance of commercial open refrigerated display cases is cabinets,and the optimization and improvement methods are put forward.This provides help for realizing energy saving and consumption reduction of commercial open refrigerated display cabinets and promoting the development of commercial cold chain equipment.Keywords open commercial refrigerated display cabinet;air curtain optimization;structure design;system improvement;energy-saving technology 通讯作者：盖若男，女，硕士研究生，从事食品冷冻冷藏研究。由于展示效果直观，便于顾客选取，商用敞开式冷藏陈列柜备受青睐1。但在实际使用中，敞开式的结构会使大量环境热空气被风幕卷吸进入柜内，造成冷负荷增加而增加能耗2。因此对影响商用敞开式冷藏陈列柜能耗方面的因素进行研究，可为实现商用敞开式冷藏陈列柜节能降耗，推动商用冷链设备的发展提供帮助。光照、环境温湿度、风幕性能、制冷系统等众多因素影响着商用敞开式冷藏陈列柜的能耗。为此，国内外研究学者在冷藏陈列柜的节能技术方面进行了大量研究工作。本文分别从风幕优化、结构设计、系统改进三个方面对商用敞开式冷藏陈列柜在节能技术方面的研究进展进行了总结，为今后的研究提供参考。1 商用敞开式冷藏陈列柜风幕优化研究风幕作为商用敞开式冷藏陈列柜内减缓食品与外界热环境交换的屏障，其性能的好坏对柜内换热效率有较大影响，进而影响冷藏柜能耗。为此，国内外众多学者对于陈列柜的风幕性能进行了大量的研究。1.1 风幕出风口参数的影响在冷藏陈列柜实际应用过程中，为了减弱风幕的紊流强度，其出风口常采用蜂窝状结构3。Vengalis T.等4研究了蜂窝倾角对敞开式冷藏陈列柜内风幕性能的影响。数值模拟结果表明，改变蜂窝角度可以降低出风口气流温度，提高冷热比。与未改进的冷藏陈列柜相比，其柜内食品包平均温度降低了1.2，仿真结果对提高产品存储质量和降低能耗具有重要的指导意义。贾晓东等5将实验与仿真结合，在工况为3M1（温度25、相对湿度60%）的条件下，依据 GB/T-21001.2-2007 实验要求，对蜂窝状出风口孔径、角度、厚度及速度等参数进行研究，结果显示：当上述四项参数分别为5 mm、40、30 mm、0.9 m/s时风幕性能最佳。doi:10.20094/j.issn.1674-0548.2023.02.05960第46卷第2期2023年6月Vol.46,No.2June.2023冷 藏 技 术Journal of Refrigeration Technology1.2 不同风幕出风速度的影响不同风幕出风速度会对柜内温度分布和风幕性能造成一定程度的影响，进而影响商用敞开式冷藏陈列柜的能耗。陈彦康等6研究了不同风幕出风速度及层数对柜内温度分布的均匀性及冷藏陈列柜性能的影响，研究表明当出风速度在0.8 m/s左右时，单层风幕性能最好。在此基础上通过增加风幕层数发现双层风幕能够有效减少冷量外溢，改善柜内温度分布，提高冷藏陈列柜整体性能。图1为双风幕冷藏陈列柜风幕循环原理图，由图可知该风幕循环分为冷风道和非冷风道。在风机的抽吸作用下，风幕末端的空气流入回风口并分为两部分，其中一部分经蒸发器降温冷却后送入冷风道，而进入冷风道后的气流一部分通过背板通孔向搁架送风从而冷却产品，另一部分通过出风口与非冷风道内的气流一同送出，最后经由回风口送至蒸发器，从而形成封闭的风幕。图 1 双风幕冷藏陈列柜风幕循环原理图Fig.1 Principle diagram of air curtain circulation of double air curtain refrigerated display cabinet由于各层风幕出风速度以及不同风幕间的速度配比均会对商用敞开式冷藏陈列柜能耗方面产生影响，为使其具有更好的节能效果，众多学者进行了相关研究。管天等7通过实验发现合理降低内层风幕出风速度或增加外层风幕出风速度均会降低冷量的外溢程度。Li X.Q.等8对双风幕敞开式冷藏陈列柜合适的容积流量和容积流量比进行研究。最终得出结论：在容积流量范围为0.08 0.1 m3/s，容积流量比范围为1 2时，柜内平均温度和热卷吸系数最低。2 商用敞开式冷藏陈列柜结构设计研究目前国内外学者主要从安装导流装置和背风板结构的改进两个方面分析了其对冷藏陈列柜性能及能耗的影响。2.1 安装导流装置Foster等9为了达到节能的目的，在商用敞开式冷藏陈列柜搁架前端安装了导流装置，研究表明通过在搁架前安装翼型导流装置，可使风幕性能显著提高。袁培等10比较了安装导流格栅前后商用冷藏陈列柜性能变化情况，研究表明在陈列柜搁架安装导流格栅后可以有效减小柜内食品的温度波动，且节省了约23%的电能消耗。袁培等11进一步研究了翼型结构加装位置对风幕性能的影响，研究表明当安装的翼型结构距离搁架前端为90 mm时，风幕具有较低的热卷吸系数，可显著提高风幕效率。这与曾庆辉12采用实验与数值计算相结合的方法得出的结论一致。Sun J.和Tsamos K.M.等13-14在这种模型的基础上又对于空气在每个单独货架上的气流循环进行了测试。在测试过程中，空气进入每个货架，货架底部的穿孔部分向其下方的产品提供冷空气，而货架的顶部通过热传导将能量传递给其上方的产品，冷藏陈列柜日耗电量从42 kWh/24 hrs降低到25.3 kWh/24 hrs，具有显著的节能效果。2.2 背风板结构的改进背板通孔送风与风幕出风风量平衡与否，可显著影响冷藏陈列柜的性能。众多学者通过改变背板通孔进而改变出风口的速度和气流分布，从而提升冷藏陈列柜整体性能，达到节约能耗的目的。Nikitin M.N.14对冷藏陈列柜背板是否均匀通孔送风进行了对比分析，结果表明非均匀通孔冷藏柜的效率较均匀通孔冷藏柜提高了18%。马秋阳16研究了背风板通孔率对商用敞开式冷藏陈列柜柜内温度分布的影响，研究表明当背风板通孔率为2%3%时，柜内温度分布更为均匀。Nascimento S.M.17等在干球温度25，相对湿度60%的气候条件下研究了背风板通孔率及排气格栅的宽度对立式敞开冷藏陈列柜性能的影响，结果表明二者显著影响着冷藏陈列柜的热卷吸系数及能耗高低，其最佳配置可达到10%的节能效果。3 商用敞开式冷藏陈列柜制冷系统改进研究据不完全统计，超市超过50%的能耗用于冷藏61第46卷第2期2023年6月Vol.46,No.2June.2023冷 藏 技 术Journal of Refrigeration Technology陈列柜18。因此，可通过改进商用敞开式冷藏陈列柜制冷系统来达到其节能降耗的目的，目前国内外学者主要从蒸发器优化设计、送风系统等方面进行研究。3.1 蒸发器性能优化对于蒸发器优化方面，Gustav等19研究了不同蒸发器翅片布置方式对商用敞开式冷藏陈列柜整体性能的影响，研究表明较小的翅片间距可使空气充分冷却。Stignor等20在对比了不同管状蛇形翅片蒸发器对商用敞开式冷藏陈列柜运行能耗的影响，研究表明使用扁管型蛇形翅片蒸发器较使用圆管型蛇形翅片蒸发器的冷藏陈列柜系统总运行能耗降低了15%。由于蒸发器表面结霜会降低蒸发器换热效率，且严重时会导致压缩机液击现象的产生，因此需定期对蒸发器进行融霜处理。由于融霜期间商用敞开式冷藏陈列柜内温度有所升高，故容易引起细菌滋生和食品变质的问题21-22。针对上述问题，Cao等23引入改良的双流体模型（MTF模型）以及自适应向量机算法（ASVM算法），对商用敞开式冷藏陈列柜蒸发器结霜量进行预测。研究表明采用该算法可使其蒸发器除霜水量及柜体总能耗/总展示面积(TEC/TDA)分别比原陈列柜降低了39.2%和19.3%。张文慧等24指出在冷藏陈列柜的制冷系统增设减湿预冷器，能够降低通过蒸发器气流的含湿量及温度，进而提升蒸发器的换热效率，延长融霜周期。3.2 集中式送风系统为防止冷藏陈列柜结霜量过大，通常采用增大蒸发器空间的方法进行处理，但该方法会减少陈列柜的存货面积。因此考虑将柜内的蒸发器移出，与风机一起组成低温风处理器。风处理器的冷风通过送风管道送到陈列柜内形成风幕吹出，通过回风管道送回低温风处理器，形成空气流通循环，其基本原理如图2所示25。此系统蒸发器可通过采用较大的翅片片距和较小的迎风速度，以降低结霜量，减小柜温波动，同时可以利用室外冷空气作为自然冷源直接为冷藏陈列柜供冷，以利用可再生能源，降低商用敞开式冷藏陈列柜能耗。袁培等26-28研究了自然冷源对商用敞开式冷藏陈列柜性能的影响，并与制冷机组单独供冷模式进行比较，研究表明当室内温度低于22、室外温度低于3，且冷藏陈列柜出风速度为1.1 m/s 时，自然冷源冷藏陈列柜的运行能耗降低了34%。林文松29发现相比于传统陈列柜，引入自然冷源供风的联合供风方式可节约大约43%的能耗，节能效果显著。在此基础上，曾庆辉30研究了带有储能功能的自然冷源冷藏陈列柜系统，在5种运行模式下对柜内温度分布及运行能耗进行研究，结果表明5种模式均可满足食品冷藏需求，且相比于制冷系统单独供冷，采用自然冷源供冷模式和蓄冷罐释冷模式可分别降低46.92%和68.45%系统运行能耗。图 2 集中式送风系统基本原理图Fig.2 Basic schematic diagram of centralized air supply system综上可知，将自然冷源直接应用于冷藏陈列柜内虽然可以节约一部分运行能耗，但同时会受到室外温度和室外空气品质的限制。同时，风道等设备占地面积较大等问题也会限制其进一步的推广，针对以上问题有待学者进一步展开研究。3.3 蓄冷型商用敞开式冷藏陈列柜研究在冷藏陈列柜中应用相变蓄冷材料，待压缩机停机之后相变蓄冷材料释放储存的冷量，以维持柜内低温环境，延缓柜内温度波动，利用其相变特性延长压缩机停机时间，达到节能的目的31。王春熙32在冷藏陈列柜搁架内添加RT4-3%MWCNT复合相变材料，对比分析了其对柜内温度分布的影响。结果表明：复合搁架能有效降低柜内食品包温度，减缓融霜期间柜内食品包的温度波动，具有较好的蓄冷性能。Alzuwaid F.A.等33研究了应用添加相变材料的换热器对于敞开式冷藏陈列柜的效率、空气温度分布、产品温度和柜内空气流动模式的影响，研究表明与传统冷藏陈列柜相比，改进后的机柜除霜间隔和压缩机停机间隔分别提高了约98%和50%，压缩机的启/停次数减少了27%。通过上述研究可知将相变蓄冷材料应用在冷藏62第46卷第2期2023年6月Vol.46,No.2June.2023冷 藏 技 术Journal of Refrigeration Technology陈列柜内可以减缓柜内温度波动，减少能源消耗。但相变蓄冷材料长时间使用会导致其性能衰减，而此时冷藏陈列柜所需的冷却能力超过设计的冷却能力，柜内食品温度升高从而增加电力消耗34。因此，有必要跟踪相变蓄冷材料性能的退化过程，以防止压缩机负担增加。4 结束语从上述分析可以看出，目前对于商用敞开式冷藏陈列柜节能技术的研究主要集中在风幕优化、柜体结构的优化设计、制冷系统的改进以及相变蓄冷材料的应用等方面。为使商用敞开式冷藏陈列柜具有更好的节能潜力与发展前景，本文提出了以下几点建议：（1）在运行过程中，冷藏陈列柜的性能会受到许多参数的共同影响，但目前对于商用敞开式冷藏陈列柜节能技术的研究大多限于单一方面的研究，因此，需要多参数综合分析来提高其性能进而最大限度减少能源消耗。（2）在现有的研究中，学者大多对于风幕出风口及柜体结构进行优化设计，而对于敞开式冷藏陈列柜风幕回风口处结构改进关注不高，因此需对回风口处速度分布及温度分布展开研究，综合考虑各结构参数对商用敞开式冷藏陈列柜性能及能耗的影响。（3）目前，双温区敞开式冷藏陈列柜逐渐进入市场，但由于双温运行的要求，使得机柜在全制冷模式下运行时不可避免地产生不均匀风幕，这是现有系统中尚未遇到的新问题，需要给予更多关注。参考文献1 韩美顺.2020年度中国制冷设备市场分析J.制冷技术,2021,41(S1):67-86,94.2 Chaomuang N.,Flick D.,Laguerre O.Experimental and numerical investigation of the performance of retail refrigerated display cabinetsJ.Trends in Food Science&Technology,2017(70):95-104.3 吴学红,王春煦,李伟平,等.敞开式食品冷藏陈列柜研究进展J.食品与机械,2016,32(6):208-214.4 Vengalis T.,Mokin V.2D CFD simulation of dynamic heat transfer in an open-type refrigerated display cabinet.Appl.Sci.2022(12):6916.5 贾晓东.立式冷藏陈列柜蜂窝出风口优化设计的CFD仿真分析J.内燃机与配件,2018(16):200-202.6 陈彦康,张华,王子龙.超市冷藏陈列柜的风幕模拟研究C/上海市制冷学会.上海市制冷学会2017年学术年会论文集.2017:152-157.7 管天,陈天及.立式开式陈列柜风幕送风速度对其温度分布影响的实验研究J.制冷与空调(北京),2006,6(2):64-67.8 Li X.Q.,Liu H.,Zhang Z.Y.,et al.Performance optimization of open refrigerated display cabinet based on response surface methodJ.Applied Thermal Engineering,2023(219):119608.9 Foster A.,Mcandrew P.,Evans J.Novel aerofoils used for reducing energy consumption and improving temperature performance for multi-deck refrigerated display cabinetsC/Conference:3rd IIR International Conference on the Cold Chain and SustainabilityAt:Twickenham,UK.2014.10 袁培,徐瑞聪,王谦,等.导流格栅对冷藏陈列柜性能影响的试验研究J.热科学与技术,2020,19(4):327-331.11 袁培,曾庆辉,雷正霖,等.翼型结构对冷藏陈列柜风幕性能的影响研究J.低温与超导,2021,49(2):78-82,88.12 曾庆辉.自然冷源食品冷藏陈列柜节能及风幕优化研究D.郑州:郑州轻工业大学,2021.13 Sun J.,Tsamos K.M.,Tassou S.A.CFD comparisons of open-type refrigerated display cabinets with/without air guiding stripsC/International Conference on Sustainable Energy and Resources Use in Food Chains.2017:54-61.14 Tsamos K.M.,Mroue H.,Sun J.,et al.Energy savings potential in using cold-shelves innovation for multi-deck open front refrigerated cabinetsJ.Energy Procedia,2019(161):292-299.15 Nikitin M.N.Numerical analysis of refrigerated display designs in terms of cooling efficiencyJ.International Journal of Thermal Sciences,2020(148):106157.16 马秋阳.立式冷藏陈列柜柜内空气流动与传热性能研究D.郑州:郑州轻工业学院,2013.17 Nascimento S.M.,Heidinger G.G.,Gaspar P.D.,et al.Experimental and numeric quantitative evaluation of thermal performance in refrigerated display cabinets with variation of air curtain thickness and porosity of the back panelC/16th International Refrigeration and Air Conditioning Conference.Purdue University,West Lafayette,Indiana,USA.2016.18 邱雪君,赵宜范,樊博玮,等.敞开式冷藏陈列柜研究进展J.冷藏技术,2020,43(2):55-59.19 Gustavo G.H.,Samuel M.N.,Pedro D.G.,et al.Experimental study of the fins arrangement pattern of refrigerated display cabinet evaporator towards thermal performance improvementJ.Applied Thermal Engineering,2018(138):246-253.20 Stignor C.H.,Sundn B.,Fahln P.Energy-efficient flat-tube heat exchangers for indirectly cooled display cabinetsJ.International Journal of Refrigeration,2009,32(6):1460-1471.21 陈天及,马敏,谢堃,等.立式敞开式冷藏陈列柜蒸发器结霜特性的实验研究J.制冷,2007,26(2):11-13.22 Bahman A.,Rosario L.,Rahman M.Analysis of energy 63第46卷第2期2023年6月Vol.46,No.2June.2023冷 藏 技 术Journal of Refrigeration Technologysavings in a supermarket refrigeration/HVAC systemJ.Applied Energy,2012(98):11-21.23 Cao Z.K.,Gu B.,Mills G.,et al.A novel strategy for predicting the performance of open vertical refrigerated display cabinets based on the MTF model and ASVM algorithmJ.International Journal of Refrigeration,2010,33(7):1413-1424.24 张文慧,龚毅,吕彦力.冷藏陈列柜减湿预冷器对蒸发器性能的影响分析J.制冷学报,2012,33(1):57-59.25 余克志.立式敞开式集中送风式陈列柜模拟与实验研究D.上海:上海交通大学,2009.26 袁培,刘键,付云飞,等.室内环境对自然冷源陈列柜冷藏性能影响实验研究J.热科学与技术,2018,17(3):179-184.27 袁培,刘键,常宏旭,等.供冷条件对自然冷源冷藏陈列柜性能影响的试验研究J.制冷与空调,2019,19(1):41-45.28 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):18-23,43.29 林文松.商用陈列柜制冷系统优化及柜内贮藏食品温度波动的仿真模拟D.上海:上海海洋大学,2019.30 曾庆辉.自然冷源食品冷藏陈列柜节能及风幕优化研究D.郑州:郑州轻工业大学,2021.31 Ben-Abdallah R.,Hoang H.M.,Leducq D.,et al.Analysis of phase change material integration in retail display cabinets for energy managementJ.Applied Thermal Engineering,2020(187):116459.32 王春煦.石蜡基碳纳米管复合相变材料的制备及在冷藏陈列柜中的应用研究D.郑州:郑州轻工业学院,2017.33 Alzuwaid F.A.,Ge Y.T.,Tassou S.A.,et al.The novel use of phase change materials in an open type refrigerated display cabinet:A theoretical investigationJ.Applied Energy,2016(180):76-85.34 Purohit N.,Dasgupta M.S.Thermal storage material enhanced refrigerated display cabinetC/Thermal Storage Material Enhanced Refrigerated Display Cabinet.Dubai:2019.国家标准委等十一部门印发碳达峰碳中和标准体系建设指南4月21日，国家发改委、国家能源局、国家标准委、工业和信息化部、自然资源部、生态环境部、住房和城乡建设部、交通运输部、中国人民银行、中国气象局、国家林草局发布通知，印发碳达峰碳中和标准体系建设指南（简称指南）。指南指出，围绕基础通用标准，以及碳减排、碳清除、碳市场等发展需求，基本建成碳达峰碳中和标准体系。到2025年，制修订不少于1000项国家标准和行业标准（包括外文版本），与国际标准一致性程度显著提高，主要行业碳核算核查实现标准全覆盖，重点行业和产品能耗能效标准指标稳步提升。实质性参与绿色低碳相关国际标准不少于30项，绿色低碳国际标准化水平明显提升。指南提出的碳达峰碳中和标准体系包含基础通用标准、碳减排标准、碳清除标准和市场化机制标准4个一级子体系、15个二级子体系和63个三级子体系，细化了每个二级子体系下标准制修订工作的重点任务。该体系覆盖能源、工业、交通运输、城乡建设、水利、农业农村、林业草原、金融、公共机构、居民生活等重点行业和领域碳达峰碳中和工作，满足地区、行业、园区、组织等各类场景的应用。在基础通用标准领域，主要包括碳排放核算核查、低碳管理和评估、碳信息披露等标准，推动解决碳排放数据“怎么算”“算得准”的问题。在碳减排标准领域，主要推动完善节能降碳、非化石能源推广利用、新型电力系统、化石能源清洁低碳利用、生产和服务过程减排、资源循环利用等标准，重点解决碳排放“怎么减”的问题。在碳清除标准领域，主要加快固碳和碳汇、碳捕集利用与封存等标准的研制，重点解决碳排放“怎么中和”的问题。在市场化机制标准领域，主要加快制定绿色金融、碳排放交易和生态产品价值等标准，推动解决碳排放可量化可交易的问题，支持充分利用市场化机制减少碳排放，实现碳中和。为推动指南有效实施，主要采取三个方面的措施：一是坚持统筹协调，发挥碳达峰碳中和标准化总体组的技术协调作用，加强相关技术组织的协作配合。二是强化任务落实，组织各行业协会、标准化技术委员会等按照标准体系建设内容，加快推进各级标准制修订，推动各方加大投入力度。三是加强宣贯实施，推动广泛开展“双碳”标准化宣传，适时组织开展碳达峰碳中和标准体系建设评估，优化工作任务。信息动态