冷库节能技术的探讨

仲维勤

(中国制冷学会,北京100142)

1 引言

近些年,随着速冻食品工业及冷链物流业的发展,国内冷库有了很大的发展,同时,随着国家对节能减排的日益重视以及整个世界对于绿色节能的追求,在冷库的设计和运行中采取一些新的节能技术和理念显得越发重要。结合冷库发展的一些最新技术和趋势,对冷库的节能设计以及运行管理作一概述及探讨。

2 冷库节能设计

2.1 保温材料及厚度设计

对于冷库用保温隔热材料应满足下列要求:热导率小,密度小,吸湿性小,耐火和抗冻性,耐久性好,无异味,易于加工,价格适中等。冷库中常用的隔热材料有:聚氨酯 (PU)、发泡聚苯乙烯(EPS)、挤塑聚苯乙烯板 (XPS)。

聚氨酯由于其优异的隔热性能,较低的吸水率,良好的板体强度而自然成为最佳的库体保温材料,目前大型的低温冷库绝大多数采用聚氨酯作为冷库墙体及吊顶保温材料。

挤塑聚苯乙烯板 (XPS)由于其良好的隔热及抗压性能及尺寸大小的灵活性,多用于基础、地面保温和防冷桥处理,在外保温库中,XPS也比较多的用于屋面保温,与柔性防水结合使用。

保温材料的热力学性能见表1。

表1 保温材料的热力学性能

表2为国内冷库规范给出的热阻R(m2·K/W)与热流量及室内外温差的关系[1]。

表2 热阻值表

在以往的冷库设计中,面积热流量一般按照10～11选取,虽然保温的厚度可以下降,但是以后长期的运行费用会高一些。在国外的冷库设计中,一般会倾向于选择较低的面积热流量以利于以后的长期运行。

表3、表4为ASHARE推荐的不同温度下的热阻值[2]以及作者根据热阻值换算的聚氨酯的保温厚度。

对于冷库的保温厚度,国内新修订的冷库设计规范有了更严格的要求,更倾向于采用更厚的保温以获得以后较低的长期运营费用。

表3 ASHARE推荐热阻值

表4 ASHARE推荐热阻值换算成聚氨酯保温厚度

2.2 制冷剂选择

氨作为制冷剂的历史可以追溯到1850年。作为制冷剂来说,氨有着无可比拟的优势,主要体现在[3]:

1)热物性非常好,主要表现在标准沸腾温度低(-33.4℃),在冷凝器和蒸发器中的压力适中(-15℃时的蒸发压力为0.24MPa,30℃时的冷凝压力为1.17MPa),单位容积制冷量大,并且其导热系数大,蒸发潜热也大 (-15℃时的蒸发潜热是R12的8.12倍,R22的6.04倍),节流损失小;

2)能溶解水,对系统的干燥要求度没有氟利昂那么严格;

3)空气中含有非常微量的氨气也很容易被察觉,有漏气现象时易被发现;

4)价格低廉:氨的价格大约只有R22的1/10左右,相比较一些更为昂贵的混合制冷剂如R404A,R410A更是有非常大的价格优势。

5)对环境无害,它的臭氧层消耗潜能 (ODP)为0,全球变暖潜能 (GWP)也为 0。这是 R12、R22以及用作它们过渡性替代物的R123、R134A和R404A等所无法比拟的。

但氨制冷剂有毒,与空气混合浓度在16%～25%时遇明火有爆炸危险。这也是它的应用受到限制的主要原因。由于氨具有毒性和潜在的爆炸危险,在ANSI/ASHRAE34-1992的安全级别中,被列为B2级。其使用也受到了一定的限制。

氨系统由于自身特性,一般采用集中式制冷,设专门机房,多应用于大型制冷系统。在我国,目前绝大多数的大型冷库采用氨作为制冷剂,但大多数以手动控制为主。在欧美等西方发达国家,绝大多数的大型冷库也是采用氨作为制冷剂,制冷系统以自动控制为主。日本在20世纪60～70年代曾经一度禁止采用氨作为制冷剂,但随着氟利昂环保问题的日益突出以及氨本身优越的制冷热物理性能,在90年代后也逐渐开始继续在冷库中采用氨作为制冷剂。对于冷库,特别是中型,大型冷库,从绿色节能的角度考虑,氨应该是制冷剂的最佳选择。

2.3 冷风机排管布置方式

冷风机的盘管排列有两种方式:顺排和叉排。一般而言,顺排换热弱于叉排,但是风通过顺排管的压降较小,因此所需的冷风机功率也较小,同时叉排管间最小间距小于顺排,因此更易结霜,对气流组织及换热的影响更大,所需的融霜次数也相应增大。国内冷风机目前以叉排为主,这样的排列方式在相同冷量的前提下,风机尺寸可以做的比较小,节省材料,初期投资也会相应减少,但是日后的运行由于风机所需的电机功率增大及融霜次数的增多,节省的投资会很快被增加的电费所抵消。因此目前在欧美,冷风机的排管布置方式一般更倾向于顺排 (见图1)。国内目前在一些较为高端的冷库项目中也采用这一排管布置方式。

图1 不锈钢管铝翅片冷风机(顺排)

2.4 冷风机融霜方式

由于蒸发器表面温度低于室内空气温度,空气内的水蒸气会在蒸发器表面凝结为霜。霜层会影响蒸发器的换热效果,并增大了空气通过蒸发器的阻力,导致制冷能力的下降。因此,当蒸发器表面的霜层达到一定的厚度时候,需要考虑除霜,除霜的方法很多,通常采用的方法有热气融霜、电融霜、水冲霜等。

目前大多数的冷库中采用热气融霜的方式,相比较电融霜和水冲霜,具有节能,同时对库内的影响小的优点。此外空气融霜作为一种新型、节能的融霜方式在国内正处于试验阶段。文献 [1]给出了采用空气融霜与热氨融霜的一个比较,可以看出,在有些情况下,相比较于热氨融霜,空气融霜还是有很大的节能优势。

2.5 冷风机蒸发温差

在以往冷库的设计中,低温下的蒸发温差一般会取8～10℃。在冷凝温度一定的情况下,制取相同冷量时,提高蒸发温度能使压缩机的功率消耗减少。通常而言,当蒸发温度每升高1℃,系统产冷量将提高2.4%左右,节能效果显著。此外,过大的蒸发温差会导致冷风机结霜速度加快,增加了融霜的频次,因此,目前在设计冷风机时,倾向于采取增大冷风机的蒸发面积,减小蒸发温差 (5～7℃),提高制冷系统的蒸发温度以达到节能的目的,这样的做法虽然在初期冷风机的投资上会增大一些,但是增加的成本很快就会由后期压缩机运行所节省的电量而收回。

2.6 冷风机变频控制

冷风机在设计中,选配电机时往往是考虑到能满足最大负荷要求,实际的运行过程中,相当长的时间内是处于低负荷运行状态,这时电机的功率过大,导致风量也一直维持在最大工况状态下,不仅消耗了电能,而且增加了库内的干耗。冷风机风量与转速成正比,风压与转速的平方成正比,轴功率与转速的立方成正比。

表5列出了不同风量下对应的风机轴功率。由表可知,当系统实际运行风量与设计风量相差很大时,其节电效果是相当显著的。因此风机采用变频控制风量是非常有意义的。

表5 风机轴功率与风量、转速关系

2.7 冷库门

冷库门是冷库进出货物的通道。由于冷库门经常开启和关闭,是冷库最容易跑冷和损坏的部位。冷藏门的性能不良或管理不善,不仅直接增加了系统的热负荷,而且由于增加了蒸发器的霜层厚度而降低了系统的运行效率,并且增加了冲霜的次数而增加了能耗。据文献报道,冷库门的性能不良可使能耗增加15%或者更多。

同时,由于库内外的冷热空气在门洞的周围进行剧烈的交换,产生大量的雾气,门洞周围的墙壁、地面、天棚等处易出现结露滴水、结霜、结冰等现象。经多次反复冻融循环,冷库门周围的建筑构造极易损坏。

因此,冷库要实现经济有效的运行,冷藏门是关键的因素之一。

在满足使用要求的前提下,冷库的大门应当尽可能的小,以减少冷量损失。因此在设计冷库大门时,在满足使用要求的前提下,尽可能的减少门的尺寸可以起到降低冷量损失的效果。

对于普通多层冷库,采用普通叉车或托盘车存取货物,冷库门高2.5～2.7m比较合适。对于采用高位叉车的冷库,冷库门4.5～5.0m的高度是比较合适的。冷库门宽2.2～2.5m可以满足一般叉车的通行。

2.8 低温穿堂

相比较常温穿堂,低温冷库采用封闭式低温穿堂有如下优点[4]:

1)低温穿堂能保证冷链不中断,最大限度地保证冻品的质量。

2)低温穿堂能大大地减少进入低温空间的热负荷。由外界进入封闭式低温穿堂的热负荷由设置在低温穿堂的蒸发器吸收了。由于低温穿堂的蒸发器相比较冷库内蒸发器工作在较高的蒸发温度下。获得同样的冷量,显然较高的蒸发温度下运行费用会降低一些。因此看似增加了低温穿堂增加了耗电,但实际低温穿堂的风机每消耗1度电则库内的冷风机会节约超过1度电。

3)外界空气中大部分水蒸气将在低温穿堂的蒸发器凝结成为水,这样就大大地减少了进入低温库内的水分。否则,这些水分将进入低温库内,在低温库内的蒸发器处凝结成为霜。这一方面使蒸发器效率下降,另一方面使除霜的频率明显增加。这两方面都将使运行的能耗增加。

目前在国外的低温冷藏库设计中,采用封闭穿堂已经成为公认的选择,国内近些年设计的冷库也越来越多的采用低温穿堂的设计。需要说明的是封闭穿堂中控制的温度也不应该过低,否则,设置在低温穿堂的蒸发器将很快结霜,低温库内的问题就转移到了穿堂。一般来说,冷库封闭穿堂中温度多控制在4～10℃。

2.9 冷库照明

目前应用于冷库的灯具主要有三种:

1)金属卤素灯:金属卤素灯具有发光效率高、显色性好,特别适合于大空间的照明,在大型装配式冷库中有着非常广泛的应用,但是金属卤素灯关闭后再启动的时间比较长,特别是在低温环境下,可能达到5～10分钟。

2)低温荧光灯:低温荧光灯相比较金属卤素灯要更节能一些,同时冷光源的荧光灯对库内温度的影响较小,而且相比较金属卤素灯,荧光灯占用的高度比较少,节省了库内空间,同时对库内气流组织的影响比较小。

3)LED灯:LED灯应用于冷库也是近些年来刚刚起步,国内处于刚刚起步试验的阶段。相比较传统照明,LED照明具有发光效率高,耗电少,使用寿命长的优点。

以一个刚完成的9660m2(155m×60m)库内面积的冷库为例,库内净高13m,要求达到200Lux的照度,设计采用金属卤素灯,共18列,每列8盏400W卤素灯。表6列出分别采用荧光灯和LED灯的耗能情况。

表6 不同灯具能耗比较

LED灯在冷库中的应用还处于起步阶段,价格也略高于传统的金属卤素灯,但随着人们对节能的日愈重视,以及LED灯本身优越的性能,相信在冷库中的应用会越来越广泛。

3 结语

随着速冻食品工业及冷链物流业的发展、国家对节能减排的日益重视以及整个世界对于绿色节能的追求,冷库的设计和运行中采取新的节能技术显得更加重要。

通过对冷库的保温材料及厚度设计、制冷剂选择、冷风机排管布置方式、冷风机融霜方式、冷风机蒸发温差、冷风机变频控制、冷库门、低温穿堂和冷库照明等9个方面的分析,探讨了冷库的节能设计与运行管理。

[1] GB50072—2001,冷库设计规范[S].

[2] ASHRAE Refrigeration Handbook,1998,13.12

[3] 杨一凡.氨制冷技术的应用现状及发展趋势 [J].制冷学报,2007,(8):12-18

[4] 张建一.冷藏库采用封闭式月台的技术经济分析[J].冷藏技术,2006,(3):14-18

(1)王斌等.空气融霜系统在冷库中的应用[C].会议论文,2010