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冷库节能与应用
（郑州轻工业学院 热能与动力工程11-02 xx 5411020202xx）

摘要：冷库作为耗能大户，一直受到人们的关注，如何实现节能，关系到冷库行业的发展和社会竞争力的提升。本文概述了目前我国冷库的发展状况及存在的问题,着重同国外同行业能耗现状做了对比，指出了存在的差异，从技术角度和管理层面指出了冷库的节能方向，提出了冷库节能途径，对企业降低能耗具有一定的实际指导意义。
关键词：冷库 能耗 管理 节能
引言：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。根据中国统计局公布的数据，自1978年到2011年，中国水果产量从657万ｔ增长到22768万ｔ，水产品 总量由465万ｔ增长至5603万ｔ，畜肉类产量由1996年4584万ｔ增长到2011年7957万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，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，冷库围护结构、 保温层传热量占冷库总热负荷的20％～35％，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”。
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值每增加1.41相当于增加50.8mm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、Ａｌ ２Ｏ３、 ＴｉＯ２ 和ＳｉＯ２ 等。气凝胶密度小、孔隙率极高、胶体颗粒尺寸仅为３～２０ｎｍ、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，可作为高性能隔热材料。石崇等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，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。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等指出空气幕的密封效率（８１％）高 于其阻热效率（７５．５％）。缪晨等利用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 ６０ｓ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。 Ｇｏｎｖｅｓ等分别对３种空气幕（上送式空气幕、侧送 式空气幕、双空气幕）的密封效率进行 ＣＦＤ 模拟，指出采用 空气循环系统可以改善空气幕密封效率，对于上送式空气 幕，密封效率从７１．３％提高至８０．４％，对于侧送式空气幕， 密封效率从５５．５％提高至６１．４％。冷库大门开启后，冷库 门上下空气密度不同会造成侧送式空气幕射流弯曲，降低空 气幕密封效率，通过改变侧送式空气幕上中下３个区域射流 角度可以提高其密封效率，但是不同冷库射流角度和射流速 度难以确定，因此冷库仍优先采用上送式空气幕。
2 冷库运行中的节能技术
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。
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％。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等利用两种不同频率的超声波（２０ｋＨｚ ／３０ Ｗ，１５ｋＨｚ ／３０Ｗ）对冷风机进行抑霜试验，发现经过４８ｈ，冷风 机翅片仍未被霜层堵塞。Ｗａｎｇ等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。
3 冷库中新技术的应用
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。陆一飞等指出风机设备变频节能 效果可以做到节能２０％～５０％，刘训海等对变频风机在 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％。
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。

参考文献
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