相变蓄冷商超冷柜的性能研究

韦自妍 刘霞 刘忠宝

北京工业大学环境与生命学部 北京 100124

1 引言

冷柜广泛应用于超市、酒店和餐厅等行业，起到冷藏保鲜、延长食物保存期限的作用。由于海外疫情蔓延，人们居家隔离的需求给冰箱和冷柜的出口带来了新的机遇，出口增量明显[1]。冷柜产品在2020年累计收入在由疫情受到冲击的家电市场中实现了正增长，线上市场销量为451万台，同比增长22.8%。在冷柜得到广泛应用时，其能耗带来的影响也不能被忽略。与冰箱相比，商超冷柜具有展示性好、耗电量大、冷冻温度低等特点。目前我国碳排放总量居全球第一，为了减少二氧化碳的排放，实现“碳中和”，研究商超冷柜的节能问题具有重要意义。相变蓄冷技术能实现能量的时间和空间的转移，在可持续能量使用方面有关键作用，故将相变蓄冷技术与冷柜结合利用能起到较好的节能效果。关于相变蓄冷技术的研究大多是基于空调和冰箱方面，在商超冷柜的应用研究基本没有。而商用冷柜与冰箱的工作原理类似，故关于相变蓄冷技术在冰箱方面的研究[2,3]，应用在冷柜方面有一定的借鉴意义。陈英姿[4]在冰箱上采用了两种蓄冷材料作为组合式相变蓄冷材料的蓄冷方法，有效的延长了冰箱的保温时间。张月[5]选取相变温度在-3℃的蓄冷材料，测试分析冰箱运行阶段以及化霜期间温度波动对比，结果表明蓄冷剂能有效地减缓冰箱温度波动。

所以本文在商超冷柜应用相变蓄冷材料，将相变蓄冷材料集成在蒸发器侧。当系统运行时蓄冷材料储存冷量，压缩机停机时，由蓄冷材料释冷，使蒸发器侧由于压缩机启停的间歇换热变为连续换热，提高了换热能力，并能在压缩机停机期间保持冷柜内部温度的稳定，保证冷柜内部食品的储藏效果。本文在不同运行模式下进行停机温升实验和连续运行的温度波动实验和能耗测试，从而进行分析。

2 实验方案

2.1 相变蓄冷材料的选取

对实验用冷柜运行时柜内温度进行采集，室温下冷柜柜内设定温度为-25℃且冰箱空载，运行时蒸发器平均温度在-23.8℃左右。由于试验测试温度传感器与冷柜自带温度传感器放置位置不同，在冷柜温控器设置-25℃时，测得柜内温度范围在-23℃～-18℃之间。

为了使蓄冷材料可以完全冻结相变，考虑传热温差等因素，选取浓度为15%的NaCl溶液，其相变温度为-11℃，相变潜热为153 kJ/kg。无机盐溶液作为蓄冷材料时，在长期重复使用的过程中会出现结晶盐析出的现象，从而会降低蓄冷材料的浓度，影响使用效果，添加适量的增稠剂可以起到减小蓄冷材料流动的作用，故添加5%的高吸水树脂SAP。同时为了降低蓄冷材料的过冷度，添加0.03%的成核剂硅藻土。对实验所用相变蓄冷材料进行冻结实验，将质量为550 g相变材料置于环境温度-25℃条件下，降温冻结相变，如图1a）和b）所示。测得相变过程中溶液的温度变化曲线，其结果如图2所示。从图2可以看出，15%的NaCl溶液从4000 s后达到过冷最低温度-11.4℃，实验经过5250 s后到达相变温度-11℃，其过冷度为0.4℃。相变初始温度为-10.1℃，相变温度平均值为-10.9℃。

图1 相变蓄冷材料冻结实验

图2 15%NaCl溶液降温曲线

冷柜停机期间的热损失Q，主要是冷柜的漏热量包括绝热保温层的漏热量、门封条的漏热量和箱体结构热桥的漏热量。根据箱体结构参数，通过计算得出绝热层漏热量为16.49 W；门封条漏热量为1.73 W；总热负荷为q=18.22 W。根据前期对原机的测试，常温下冷柜连续稳定运行12小时，在此期间压缩机停机时间按4小时计算，所以冷柜停机期间的热损失Q可由式（1）计算：

根据式（1）计算得出冰箱停机期间热损失为262.368 kJ。前文所述选取用在冷柜里的蓄冷材料的相变潜热值为153 kJ/kg，所以为了满足停机期间冷柜的热负荷，需要使用相变蓄冷材料的质量m计算如式（2）：

根据式（2）算出需要满足停机时长所需的蓄冷材料质量至少为2.175 kg。

2.2 相变材料的放置

冷柜装有管翅式蒸发器，蒸发器和风机安装在柜内顶部的舱室内。冷柜内的制冷方式为风冷，因此为了避免蓄冷材料占据冷柜内的有效容积，将蓄冷材料放置在冷柜后壁与竖直搁架挡板之间，从而保证所放的蓄冷材料不会堵塞风道，整体放置如图3所示。采用550 g为一包封装，根据前文对所需蓄冷材料质量的计算，总共需要在柜里放置四个蓄冷材料包。

图3 蓄冷材料的放置

2.3 实验样机

实验样机是青岛海容公司型号SD-460W-H2E的冷冻展示柜，如图4所示。主要性能参数如表1。

表1 冷柜主要参数

图4 商超冷柜外观

3 相变蓄冷商超冷柜的性能研究

冷柜正常运行时，制冷剂离开压缩机流经蒸发器，蒸发器位于冷柜内部上方，在蒸发器侧的风扇的运转下，冷柜内部空气流动与蒸发器表面换热降温，从而使得冷柜内部温度降低。当压缩机停机后，风扇关闭，无制冷剂流经蒸发器为柜内提供冷源，冷柜内部温度逐渐升高，到设定值后压缩机重新开启，制冷系统开始运转。添加相变蓄冷材料后，压缩机开启时，冷柜内部温度降低的同时，相变蓄冷材料冻结。压缩机停机后，蓄冷材料释冷与冷柜内部环境换热，从而保持柜内温度稳定，减缓温度上升幅度。据此理论分析展开以下实验，对相变蓄冷商超冷柜的性能进行研究。

根据GB/T 21001.2-2015布置冷柜内部试验包及测温点，用于测试添加蓄冷材料前后冷柜的性能，如图5。添加蓄冷材料组的测温点编号为M1～M3，未添加蓄冷材料组的测温点编号为M4～M6。

图5 测温点的布置

3.1 原机温升实验

为了保证蓄冷材料在不同运行工况下完全冻结，需要使冷柜连续运行，柜内温度趋于稳定后再进行数据采集。以冷柜稳定运行一段时间后停机60 min内温度回升作为标准。根据此标准测试蓄冷温升效果，观察停机后放置与未放置蓄冷材料的冷柜内温度回升情况对比。

在室温25℃工况下，冷柜稳定运行一段时间后，图6中M1～M3是柜内放置蓄冷材料的测温点温升曲线，M4～M6是未放置蓄冷材料的温升曲线。

从图6中发现添加蓄冷材料的冷柜内部，经过60 min后测点M1和测点M2的平均温度为-14.1℃和-14.3℃，测点M3的温度回升最快，平均温度为-12.8℃，温升幅度为4.8℃。未放置蓄冷材料的柜内测点M4和测点M5的平均温度为-11.2℃和-11.8℃，测点M6的温度回升最快，该点平均温度为-9.8℃，温升幅度为8.3℃。

图6 25℃放置/未放置蓄冷材料柜内温度回升

经过60 min之后不放置蓄冷材料的温度整体回升速度快于放置蓄冷材料的柜内温度回升，相同测点的温度测量值平均相差3℃。因此，放置蓄冷材料使得温度回升幅度减缓可达42.17%。此外，放置蓄冷材料组的稳定温度明显低于未放置蓄冷材料组，即放置蓄冷材料组的温度稳定性更好。

在环境温度0℃下连续稳定运行，观察停机60 min后是否添加相变蓄冷材料的冷柜内温升情况。如图7中M1～M3是放置蓄冷材料冷柜内温升曲线，M4～M6是不放置蓄冷材料时柜内温升曲线。从图7中发现添加蓄冷材料的冷柜内，测点M1的温度回升到-15.2℃，测点M2和M3的温度上升到-14.7℃和-14.3℃，三个测点平均温度最高是M3，为-15.32℃。温升最快的点仍为M3，温升幅度4.3℃。不添加蓄冷材料的冷柜内，测点M4和M5的温度上升到-11.9℃和-11.5℃，测点M6的温度回升到-11℃，温度升高了6.5℃。三个测点平均温度最高M6点，为-13.66℃。由此可见添加蓄冷材料最高可使得在环境温度0℃下温升幅度减缓33.85%。

图7 0℃放置/未放置蓄冷材料柜内温度回升

3.2 连续运行实验

由于冷柜达到设定温度-25℃后压缩机会停机，一段时间后温度回升到温控器显示-19℃时压缩机会重新启动，这样的启停会对冷柜内的负载的温度产生波动。对有无放置蓄冷材料冷柜内温度波动进行测量，观察不同环境温度下连续运行过程中压缩机启停对冷柜内各测温点的温度波动的影响情况。将实验结果对比分析得出结论。

在环境温度25℃情况下，冷柜运行达到设定温度且稳定运行后，记录120 min内测温点温度与输入功率的变化。

图8是柜内放置/不放置蓄冷材料的测温点温度波动曲线图。从图8中可以看出，经过120 min之后，放置蓄冷材料组的最高温度为-18.86℃，未放置蓄冷材料组的最高温度为-18.05℃，放置蓄冷材料组的最高温度低于未放置蓄冷材料组的最高温度。

对比图8各点可以发现添加蓄冷材料和不添加蓄冷材料的冷柜在连续稳定运行120 min的过程中，添加蓄冷材料组测点温度波动范围在2.5℃以内，三个测点平均温度为-19.12℃；未添加蓄冷材料组三个测点温度波动范围在3.05℃以内，三个测点平均温度-18.79℃。两组相比相差不大，但添加蓄冷材料组的温度整体偏低，因此看出冷柜在添加蓄冷材料后的连续运行过程中，冷柜内温度更低，有利于冷柜内部食品的保存。

图8 25℃连续运行测温点温度波动

从图9的功率对比可以看出，添加蓄冷材料后在压缩机开机运行时功率相对不添加蓄冷材料有所升高，但是由于蓄冷材料更能稳定内部的温度，使得温度回升速率减慢，从而减少压缩机启停次数，延长停机时间。在120 min内压缩机启停次数减少1次。添加蓄冷材料组的单次压缩机停机时长6.17 min，未添加蓄冷材料组的压缩机单次停机时长4.5 min。由此可见添加蓄冷材料使得压缩机停机时长平均增加37.11%。添加了蓄冷材料组的压缩机启停运转周期更加稳定，减小了因压缩机频繁启停过程造成的能耗，对延长压缩机使用寿命有利。

图9 25℃连续运行功率变化

在环境温度0℃情况下，冷柜运行达到设定温度后稳定运行120 min后，测定在此期间温度波动和功率变化曲线。如图10是柜内添加/不添加蓄冷材料的测温点温度波动曲线图。对比图10各点可以发现添加蓄冷材料和不添加蓄冷材料的冷柜在连续稳定运行两个小时的过程中，添加蓄冷材料的这一组测点的温度波动相对比较均匀，温度波动范围在1.6℃以内，三点的平均温度为-19.59℃；未添加蓄冷材料组三个测点的平均温度-18.38℃，温度波动范围在2.9℃以内。因此看出冷柜在添加蓄冷材料后的连续运行过程中，冷柜内温度更低，温度波动更小，在保存食物方面更有优势。

图10 0℃放置/未放置冷柜负载温度波动

从实验测得数据计算对比不同环境温度下两组的输入功率，其结果如图11所示。添加蓄冷材料组的功率与未添加蓄冷材料组的功率相比，虽然压缩机启停次数相同均为7次，但是显然添加蓄冷材料的工况下停机时间稍长一些。放置蓄冷材料平均停机时长6.35 min，未放置蓄冷材料组平均停机时长4.64 min，二者相比，放置蓄冷材料组的停机时间延长了36.8%。

图11 0℃连续运行功率变化

根据实验测得数据，计算对比两组的耗电量，其结果如表2所示。由表2可知，在环境温度25℃时添加蓄冷材料的冷柜连续运行的耗电量与未添加蓄冷材料的冷柜连续运行的耗电量相比减少了2.02%。在环境温度0℃时添加蓄冷材料的冷柜连续运行的耗电量与未添加蓄冷材料的冷柜连续运行的耗电量相比减少了4.87%。

表2 耗电量对比

4 结论

随着节能减排技术的发展，在冷柜蓄冷可以有效的降低冷柜的运行成本，因此本文通过分析总结国内外蓄冷技术和蓄冷材料的研究现状，设计蒸发蓄冷系统实验方案，并通过冷柜样机进行实验测试。得出以下结论：

（1）停机温升实验表明，环境温度25℃和0℃时，相同时长内放置蓄冷材料组的冷柜温度回升幅度比未放置蓄冷材料组分别减缓42.17%和33.85%。

（2）连续运行实验发现添加蓄冷材料可以有效减缓温度波动，同时在环境温度25℃和环境温度0℃中分别减少2.02%和4.87%的耗电量，停机时间分别延长37.11%和36.8%。

（3）在实验中发现冷柜内温度测点存在一定的温差，据此需要改进蓄冷材料的布置方式，使得冷柜内温度更加均匀。

（3）蓄冷材料的封装容器可以加以改进，减少蓄冷材料的泄漏。