基于带能量回收功能的恒温恒湿空调系统的大型超市节能研究

李帅琦，晋欣桥

（上海交通大学机械与动力工程学院，上海 200240）

基于带能量回收功能的恒温恒湿空调系统的大型超市节能研究

李帅琦*，晋欣桥

（上海交通大学机械与动力工程学院，上海 200240）

针对空气温湿度对大型超市冷冻冷藏陈列柜能耗影响较大的问题，提出了在冷冻冷藏陈列柜区域设置带能量回收功能的恒温恒湿空调系统，以达到降低制冷与空调系统能耗的目的。实证研究表明本文提出的空调系统有明显的节能效果。

大型超市；空调系统；冷冻冷藏区域；恒温恒湿；节能

0 引言

从 2009年至今，大型超市的模式在中国得到了飞速的发展。仅就目前国内零售巨头-华润万家而言，截止 2013年，华润万家目前在全国共计拥有4,425家门店，每年到店顾客人次达到25亿次，VIP顾客数达到1,560万人。在高速发展的同时，由于大型超市属于高耗能的大型公共建筑，大型超市占社会总能耗的比重也越来越高。在国家大力推动节能减排工作的今天，降低大型超市的能耗已是每个大型超市所面临的重点问题。与别的大型公共建筑不同，冷冻冷藏系统作为大型超市中具有特殊性的机电系统，在大型超市总体能耗中占有相当大的比例。图1为某大型超市2012年的实测耗电量分布。

图1 某超市2012年实测耗电量分布图

由图1可见，在大型超市中，冷冻冷藏系统约占总能耗的三分之一，因此降低冷冻冷藏系统能耗是大型超市节能工作的重点之一。大型超市的冷冻冷藏系统主要由各类型中、低温陈列柜和冷库等冷冻冷藏设备组成，其中陈列柜作为食品冷冻冷藏链的末端装置自1922年[1]出现在美国之后，由于它的展示效果好、方便拿取等特点给超市行业带来了可观收益。但同时陈列柜是能源消耗非常大的设备，是冷藏链中的最薄弱的环节。研究表明，美国每年平均用于超市制冷的电能约为1×l06kW·h～1.5×106kW·h[2]。根据笔者的实际工作经验来看，在中国超市中，冷冻冷藏陈列区域的占比正在不断加大中，因此陈列柜占冷冻冷藏系统总能耗的比重也在不断增加。降低陈列柜的能耗已是超市冷冻冷藏节能乃至超市整体节能的关键部分。

本文首先分析冷冻冷藏陈列柜区域的温、湿度对制冷系统功耗的影响，针对现有的中央空调系统在冷冻冷藏陈列柜区域的不足，提出在该区域建立一个具有能量回收功能的独立制冷除湿空调系统，从而达到超市空调和制冷两个系统总体能耗降低的目的，并用实测数据进行了实证研究。

1 温湿度对超市冷冻冷藏系统的能耗影响分析

周边环境对冷冻冷藏陈列柜的影响主要体现在陈列柜风幕的回风温度和回风湿度两个方面[3]。风幕出口射流与环境空气进行混合，随着环境温湿度的提高，回风温度和回风湿度也会相应提高。大量实验已经证实敞开式陈列柜50%以上的能耗是由环境空气从风幕中渗透的，而立式敞开式陈列柜70%以上的能耗由周围环境的渗透造成的[4]。HOWELL R H[5]研究了相对湿度对陈列柜性能的影响，发现当环境空气的相对湿度从55%降到35%时，对大多数不同类型的陈列柜而言，可以节能5%～29%。由此可见周边环境空气的温度和相对湿度对冷冻冷藏陈列柜系统的能耗影响。

根据HOWELL R H的研究，冷冻冷藏区域陈列柜的冷负荷可由式(1)表示

式中：

Q——陈列柜总冷负荷；

QA——陈列柜壁面与环境传导冷负荷；

QB——陈列柜与外界的辐射冷负荷；

QC——陈列柜与外界渗透冷负荷；

QD——陈列柜照明发热负荷；

QE——陈列柜防露加热冷负荷；

QF——陈列柜除霜加热冷负荷；

QG——陈列柜装货引起的冷负荷。

在所有冷负荷中起决定作用的依次是渗透冷负荷、辐射冷负荷、防露除霜冷负荷、照明冷负荷及传导冷负荷。与环境温度有关的是渗透冷负荷、辐射冷负荷和传导冷负荷，与环境湿度有关的是渗透冷负荷和防露除霜冷负荷。

由以上分析可知，周边环境的温湿度对冷冻冷藏系统的能耗影响显著。若能分别控制温湿度，则可根据相应的工况调节系统运行，从而节约能耗。因此，在大型超市的冷冻冷藏陈列柜区域使用独立恒温恒湿空调系统将能有效降低陈列柜系统，尤其是低温陈列柜系统的冷负荷，继而降低冷冻冷藏系统的整体能耗。

HOWELL R H用大量实验数据得出了一系列温湿度参数与负荷的经验模型：

式中：

TC——冷柜的平均温度；

RH——相对湿度；

LP——计算环境湿度下冷柜渗入潜热负荷与环境湿度55%条件下冷柜渗入潜热负荷比值；

DP——计算环境湿度下冷柜融霜负荷与环境湿度55%条件下冷柜融霜负荷比值；

TP——计算环境湿度下冷柜总渗入负荷与环境湿度55%条件下冷柜总渗入负荷比值；

D、E、F、G——经验系数，如表1所示。

表1 Howell模型中的系数值

根据HOWELL模型，可对已知温度的陈列柜的LP、DP和TP进行估算。为了验证经验系数的精度，HOWELL R H将估算值和理论计算值进行了比较[6]，比较结果如表2所示。

由表2中数据对比可以看出，估算值与理论计算值很接近，说明HOWELL模型是可靠的，可以用于对系统能耗的分析。同时由式(1)也可看出相对湿度对制冷负荷的巨大影响，表明降低环境湿度将能大幅降低冷冻冷藏系统的能耗。

表2 HOWELL模型估算值和理论计算值的比较

2 带能量回收功能的恒温恒湿空调系统理论研究

冷冻冷藏陈列柜区域由于超市人员流动密度高，加上各种冷冻冷藏开放式货架散湿，特别是当室外环境湿度高时，尽管空调系统运转不停，但商场内空气相对湿度仍然偏大。在对上海的部分超市进行抽样测试时发现，一般湿度都达到65%～75%以上。在这种高湿度环境下，该区域的人员容易感觉不适，食品易变质，低温货柜冷柜玻璃门及货物经常结霜。如采用中央空调供冷，由于中央空调供冷系统目前大多采用冷水机组，末端空气处理机组的冷却盘管的机器露点较高、除湿能力不强，而且在一般情况下，超市空调都具有独立的自动控制系统，根据单一的干球温度进行控制，一旦达到相对设定值，就会减少冷冻水的循环量，以防干球温度过低，除湿效果又进一步减弱。因此，空气相对湿度将始终维持在较高水平，大大增加了冷冻冷藏系统的运行能耗。

出于节能考虑，本文提出了一个既能同时控制空气干球温度与相对湿度，又具有能量回收功能的再热式空调系统。该空调系统的原理如图2所示。

空调系统运转前，在控制器中设定好所需的干球温度和相对湿度参数。当超市内干球温度未能达到设定值，系统中电磁阀V1打开，V2关闭，按常规循环进行降温除湿运转。当干球温度接近设定值，但相对湿度偏差较大，则电磁阀V1关闭，V2打开，冷凝器的制冷剂先进入再热盘管，然后再进入膨胀阀。这样回风先经过蒸发器冷却除湿后，再进入再热盘管加热后送入商场内，不间断除湿同时也不至于使干球温度过低。这里需要指出的是在空调工况下，冷凝器出来的液态制冷剂一般在35 ℃以上，足以加热经蒸发器冷却后的空气，不仅省去电加热能耗，液态制冷剂又回收了被加热空气的冷量，进一步过冷后进入膨胀阀。当干球温度与相对湿度都达到设定值后，机组卸载运转。

图2 带能量回收功能的恒温恒湿空调系统原理图

图3表示了系统循环的压-焓图。当V1开启，V2关闭，机组按1’-2-3-4循环，当V1关闭，V2开启，机组按1-2-3-4循环，其中4’-4是冷凝器出来的制冷剂4’过冷至4。经膨胀阀节流到点1，可见制冷剂的单位制冷量增加了Δq，压缩机功耗不变，提高了循环效率。

图3 系统循环的压-焓图

从系统运行原理可以看出，该空调系统属于直接蒸发式制冷系统，相对效率较高，且负责区域小，水泵管路阻力损失比较小，同时又具有能量回收功能，因此除湿效率要远高于使用中央冷水机组进行除湿的效率，且减少了能量的损失。

3 带能量回收功能的恒温恒湿空调系统节能效果实证研究

本节将以实际工作的某大型超市的冷冻冷藏系统作为该独立恒温恒湿空调系统的节能效果实例研究。

实测超市位于上海，处于地下一层，相对环境湿度为60%，化霜次数为6次，其冷冻冷藏陈列柜区域设备平均日耗电量见表3。

表3 冷冻冷藏陈列柜区域系统日耗电量清单

根据长期收集数据发现，湿度的变化对整体能耗影响较大，且从数据采集中心实际数据显示，冷柜化霜次数明显增加，能耗、化霜次数与湿度变化的关系如表4所示。图4表示了能耗随湿度变化的趋势。需注明的是表4中数据是根据每天平均湿度得出的冷冻冷藏系统耗电量数据。

实测数据表明，当湿度从60%提高到70%时，首先整个陈列柜系统温度将无法达到标准要求；其次，敞开式陈列柜系统由于渗透冷负荷影响较大，其能耗变化最大，能耗将增加20%以上，其它封闭式或半封闭式陈列柜系统由于渗透冷负荷的增加及除露化霜次数的增加，能耗约增加10%～15%。如湿度提高到80%，则整个冷冻冷藏系统总能耗将增加30%左右。由于超市内冷冻冷藏系统基本上为24 h工作，其耗能是相当可观的。

表4 冷冻冷藏系统运行与能耗受湿度影响情况

图4 冷冻冷藏系统能耗随湿度的变化趋势图

上海等区域夏季湿度较高，超市冷冻冷藏陈列柜区域湿度普遍在60%～80%之间，如采用该带能量回收系统的独立恒温恒湿空调系统对冷冻冷藏系统进行独立制冷除湿，能将区域湿度控制在50%～60%乃至更低，将可降低约25%的能耗。假设该独立空调系统把区域湿度从75%降低到55%，则保守估计可节电20%，结合表3的日平均耗电量值可推得平均每天可以节省耗电量为1,552.0 kW·h×20%=310.4 kW·h。由此可见，在冷冻冷藏陈列柜区域设置独立制冷除湿设备的必要性及其节能的可观性。

4 结论

本文在分析大型超市室内环境温、湿度对冷冻冷藏陈列柜功耗影响的基础上，提出在该区域设置一个独立的具有能量回收的恒温恒湿高效节能空调系统，降低了空调和制冷系统的整体能耗，达到节能的目的，并以一个应用实例验证了其有效性。

[1]武俊梅,黄翔,颜苏芊,等．敞开式陈列柜的主要节能措施[J].西北纺织工学院学报,2001,12(4): 74-79.

[2]余克志,丁国良,陈天及.陈列柜研究现状及分析[J].制冷空调与电力机械,2004,25(1): 8-12.

[3]张文慧,龚毅,吕彦力.环境温湿度对冷藏陈列柜空气预冷器性能的影响[J].制冷学报,2008,29(6): 58-60.

[4]CHANDRASEKHARAN R,BULLARD C.Design tool for display case evaporators[J].ASHRAE Transactions,2005,16(1): 1071-1082.

[5]HOWELL R H.Calculation of the humidity effects on energy requirements of refrigerated display case[J].ASHRAE Transactions,1993,99(1): 667-678

[6]管天,陈天及.空气相对湿度对陈列柜能耗影响的估算方法[J].冷藏技术,2005,12(4): 38-40.

Energy Saving Research for the Supermarkets Based on Constant Temperature and Humidity Air Conditioning System with Energy Recovery

LI Shuai-qi*,JIN Xin-qiao
(School of Mechanical and Power Engineering,Shanghai Jiao Tong University,Shanghai 200240,China)

It is found that the temperature and humidity of the surrounding air have significant impacts on the energy consumption of the freeze and refrigerate cabinets in the supermarkets.The heat-recovery-based constant temperature and humidity air conditioning system is proposed to reduce the energy consumption of the refrigeration and air conditioning system in the supermarkets.A case study is carried out and the results show that the proposed system is feasible for the supermarkets since it can significantly reduce the energy consumption of the system.

Supermarket;Air conditioning system;Freeze and refrigerate cabinet area;Constant temperature and humidity;Energy saving

10.3969/j.issn.2095-4468.2014.06.202

*李帅琦(1980-)，男，在读在职研究生。研究方向：动力工程。联系地址：上海市瞿溪路1072弄1号907室，邮编：200023。联系电话：13817068285。E-mail：mikelee1728@163.com。