楊智康 楊大章,3,4 謝 晶,3,4 霍昳琳

(1.上海海洋大學食品學院，上海 201306；2.上海冷鏈裝備性能與節(jié)能評價專業(yè)技術服務平臺，上海 201306；3.上海海洋大學食品科學與工程國家級實驗教學示范中心，上海 201306；4.上海水產品加工及貯藏工程技術中心，上海 201306)

冷庫在食品行業(yè)中承擔著食品冷凍保鮮、儲藏加工及冷藏運輸等重要功能。近年來，中國冷庫建設飛速發(fā)展，預計在2021年總容量將突破1.95億/m3。隨著冷庫規(guī)模的急劇增長，冷庫建筑高能耗成為了一個不可忽視的問題。文章介紹冷庫的低碳量化指標及能耗評價標準，并歸納應用于冷庫的低碳新技術，以期為今后新型冷庫的建設提供理論依據。

1 冷庫低碳量化指標及能耗評價標準

為了解決冷庫能耗高的問題，在建設冷庫時引入了低碳新技術，同時對該技術效果進行檢驗，制定相關的低碳量化指標和能耗評價標準也是十分必要的。然而目前關于冷庫低碳量化指標的研究較少，未形成有效的能耗評價體系，由于中國幅員遼闊，各地區(qū)間氣候條件差異較大，并且冷庫根據貯藏貨物的類型及功能不同，分為高溫庫、低溫庫和冰溫庫。因此，應根據不同地區(qū)的氣候情況及冷庫的類型制定相應的評價標準[1]。以上海為例，按不同的產品與冷加工方式制定了相應的耗電定額[1](表1)。另外，可依據產品單位耗電量與產品單位耗電定額之比(η)將冷庫能效分為5個等級(表2)，其中5級為入門級別，2級以上則代表節(jié)能低碳[2]。

表1 上海市冷庫耗電定額?

表2 冷庫能源效率等級

2 冷庫低碳制冷新技術

制冷是冷庫能源消耗和電網負荷增加的主要因素之一，在冷庫中約70%的能耗源于制冷系統(tǒng)。在節(jié)約能源與保護環(huán)境的雙重要求下，世界各國的研究人員都在不斷地對制冷系統(tǒng)及技術進行改進，研發(fā)應用高效能、低污染的制冷方式。

2.1 CO2制冷系統(tǒng)

氨具有良好的熱力學性能、天然、零污染等優(yōu)點，因而被廣泛應用于全球冷庫的制冷系統(tǒng)中。但是氨具有毒性，氨的泄漏可能會引發(fā)重大的安全事故。在環(huán)保和安全的雙重要求下，CO2制冷劑因無毒、不易燃、價格低廉、單位容積制冷量較高、運動黏度較低，尤其是不會破壞臭氧層等優(yōu)點，使CO2制冷劑成為了氨制冷劑的最佳替代品[3]。特別是劉軍等[4]將CO2/NH3復疊制冷系統(tǒng)運用于大型冷庫中，盡管設備的初投資成本較純氨制冷系統(tǒng)提高了約16.6%，但減少了制冷劑氨的充注量，提升了安全性，降低了后續(xù)的管理運行成本。

但是CO2的臨界溫度為31.1 ℃，在大多數制冷系統(tǒng)中處于超臨界狀態(tài)，故當CO2制冷系統(tǒng)在溫暖或炎熱的氣候區(qū)運行時，其性能會下降[3]。此外，由于CO2制冷系統(tǒng)高壓側壓力較高，需要設計能夠承受極高工作壓力的部件[5]，并且由于氣體冷卻過程中CO2的平均溫度較高，膨脹裝置前后壓差較大，系統(tǒng)會產生較大的熱損失和節(jié)流損失，因此在相同條件下，CO2制冷系統(tǒng)能效比(COP)低于傳統(tǒng)壓縮式制冷循環(huán)系統(tǒng)[6]。

針對上述問題，許多學者對CO2制冷系統(tǒng)進行了改進。周成君等[7]將地源熱泵技術運用于冷庫的CO2制冷系統(tǒng)中，讓系統(tǒng)始終維持在亞臨界范圍內運行，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。Belusko等[8]提出了露點冷卻技術概念，研究結果表明在高溫氣候條件下，該技術與CO2制冷系統(tǒng)耦合可減少16%的年能耗和47%的峰值需求。使用省煤器能降低氣體冷卻器后的溫度，從而提高跨臨界CO2循環(huán)能效。Catalan-Gil等[9]分析比較了帶省煤器的不同增壓器結構，發(fā)現省煤器與附加壓縮機的組合能給氣候溫暖的國家節(jié)省高達8.5%的能源，其在氣候寒冷的國家節(jié)省高達4%的能源。

2.2 光伏制冷技術

光伏制冷技術是將可再生能源太陽能轉換為電能和/或熱能從而實現制冷的技術，光伏制冷良好地匹配了太陽能資源與制冷的需求[10]。李澤宇等[11]將太陽能吸收—過冷壓縮式復合制冷系統(tǒng)運用于冷庫制冷中，利用太陽能直驅吸收子系統(tǒng)為壓縮子系統(tǒng)提供冷量，模擬結果表明采用該系統(tǒng)的冷庫，單位面積年節(jié)約電量可達63 kW/h，不到7年就可回收投資成本。

然而，若想要充分利用光伏制冷技術，就必須解決太陽能固有的間歇性問題。因此，在光伏制冷系統(tǒng)中，能量的存儲是不可缺少的一環(huán)。目前常見的儲存方法是利用電池來儲存太陽能板產生的剩余電力，或者利用蓄冷的方式來儲存冷水機組產生的過剩冷量。Han等[12]提出了一種光伏直驅冰蓄冷系統(tǒng)，該系統(tǒng)COP為1.028，太陽能利用效率為7.1%。Lillo-Bravo等[13]介紹了一種獨立光伏冷卻裝置的新型存儲系統(tǒng)，該系統(tǒng)在蒸汽壓縮冷卻循環(huán)中使用飽和混合相氨的隔熱儲罐，是一種經濟可行的替代電池的方案。Sarafoji等[14]對集成相變材料的太陽能光伏冷庫進行了性能分析，測試結果表明引入相變材料能使冷庫系統(tǒng)保持設定溫度的時間增加約35%，降低了約16%的總功耗。

光伏制冷壓縮機由于受到間歇性太陽輻射的影響，長期處于不穩(wěn)定的工作狀態(tài)，因此需要對其進行控制。Zhou等[15]將最大功率點跟蹤與恒頻電壓相結合的控制方法應用于光伏冷庫中，提高了直驅模式下的壓縮機利用率，系統(tǒng)性能也提高了9.18%。周曉艷等[16]提出了動態(tài)等效阻抗匹配控制方法，該方法控制的系統(tǒng)將光電轉換效率、制冰量和制冷系統(tǒng)利用率都分別提升了41.0%，64.1%，63.5%。

2.3 液化天然氣制冷技術

液化天然氣(Liquid Natural Gas，LNG)制冷技術是指在大氣壓力下將天然氣脫酸、脫水，并冷卻至-162 ℃，利用LNG運送至終端后的再汽化過程所釋放的冷能實現冷庫制冷。每立方米LNG含有約625 m3的天然氣，具有很高的能量密度[17]，可釋放約830 kJ/kg的冷能[18]。利用這部分冷能作為冷庫的冷源，則既能節(jié)省制冷設備的投資，又能降低制冷能耗，有很高的經濟和環(huán)保收益。但常規(guī)冷庫無法充分利用LNG的全部冷能，為了將LNG冷能更有效地應用于冷庫系統(tǒng)中，需要對其進行梯級利用[19](圖1)。董建鍇等[20]在LNG換熱器端及冷庫末端進行了冷能的梯級利用改造，通過HYSYS模擬結果表明，該冷庫系統(tǒng)COP和效率分別為1.82和80.2%，有較好的經濟收益。張連乙等[21]將冷庫分為-60,-35,<0,0～10 ℃等不同溫度帶，將系統(tǒng)制冷成本下降37.5%。同樣，汪乘紅等[22]也將冷庫劃分為低溫(-23～-30 ℃)、中溫(-15～-20 ℃)和高溫(0～2 ℃)3個區(qū)域，該系統(tǒng)COP為1.79，效率可達78.04%，年凈收益約31.02萬元。因此，LNG制冷技術是傳統(tǒng)制冷到可再生能源制冷的最佳過渡選擇。

圖1 LNG冷能梯級利用

3 蓄冷技術

蓄冷技術是指在電力負荷較低時，通過運行制冷機組獲得制冷量，并將其儲存在蓄冷介質中，然后在電力負荷高峰期間釋放制冷量，以滿足冷負荷需求，從而達到移峰填谷、節(jié)約用電成本的目的。蓄冷技術能夠調節(jié)冷能供需在時間和強度上的不匹配性，已成為改善中國電力短缺狀況的重要措施[23-24]。

在蓄冷技術中通常選用相變材料作為蓄冷介質。相變材料是一種能通過改變自身相態(tài)來釋放潛熱，對環(huán)境溫度產生影響的物質，具有很高的儲能密度，是當今蓄冷材料領域的研究熱點。一般來說，選擇相變材料時需要考慮以下特性：熔化溫度在工作溫度范圍內，熔化潛熱高，導熱性好，過冷度低，儲能密度高，相變體積變化小，腐蝕性小，無毒，不易燃，易獲取且成本較低等[25]。對常見的相變蓄冷材料進行了分類[23-25]，見表3，對有機、無機、共晶相變蓄冷材料的性能進行了比較[24-26]，見表4。

表3 相變蓄冷材料的分類

表4 3類相變蓄冷材料性能比較

然而，目前相變材料在冷庫中的應用還存在一些缺陷，主要表現為[27]：① 過冷度大。過冷會使儲能階段所需的外部溫度遠遠低于蓄冷材料的相變溫度，從而增加能耗并降低能量釋放階段的效率。② 導熱性差?？傮w上相變蓄冷材料的導熱性能較差，這會導致能量傳輸緩慢，增加儲能時間及成本。③ 穩(wěn)定性差。主要體現在相分離、過冷、相變溫度波動、回收后相變潛熱降低等現象中。④ 力學性能差。大多數相變材料在相變前后不能保持一定的形狀。

對于這些常見問題，當前有以下解決方案[28]：① 添加成核劑，促進材料相變期間晶核的形成，加速結晶速率，從而降低過冷度；② 添加高導熱性納米材料，并使其均勻分散在相變材料中，以提高材料整體導熱性；③ 加入高分子聚合物，以降低材料的過冷度，消除相分離從而提高材料的力學性能和熱穩(wěn)定性。

Xia等[29]設計了一種基于相變材料的蓄冷冷凝熱回收系統(tǒng)，并開發(fā)了一種適用于冷庫的新型相變復合材料。Rajan等[30]對集成了生物炭納米顆粒相變材料的冷藏系統(tǒng)進行了性能分析，發(fā)現該系統(tǒng)具有較高的節(jié)能潛力。De Falco等[31]將裝有相變材料和水的儲能罐與HVAC系統(tǒng)中的循環(huán)冷水機耦合，來達到優(yōu)化性能、減少冷量峰值的目的。Lu等[32]提出將相變材料吊頂與地—氣熱交換器制冷系統(tǒng)耦合，有效降低了冷庫的峰值溫度。

3.1 液態(tài)空氣儲能技術

液態(tài)空氣儲能是指用驅動壓縮機將環(huán)境空氣壓縮成高壓空氣，再讓壓縮空氣吸收冷能節(jié)流液化，使電能以液態(tài)空氣的形式儲存下來。當需要使用冷能時，液態(tài)空氣釋放冷能并在渦輪中加熱膨脹，產生的高溫高壓氣體做功帶動發(fā)電機發(fā)電[33]。與傳統(tǒng)的壓縮空氣儲能不同的是液態(tài)空氣儲能不同需要在地下洞室中儲存大量的高壓空氣，而是將液態(tài)空氣儲存在大氣壓下，從而大幅度提高了空氣儲能密度且不受地理環(huán)境限制[34]。

蓄冷技術是液態(tài)空氣儲能技術的核心，決定了系統(tǒng)能源利用效率。Chen等[35]提出了一種以相變材料為蓄冷介質的液態(tài)空氣儲能系統(tǒng)，并選取12種相變材料與乙二醇溶液共同構建了一個完整的冷庫。圖2展示了該裝置的系統(tǒng)流程圖。She等[36]將液態(tài)空氣儲能與LNG的再汽化過程通過布雷頓循環(huán)進行集成，循環(huán)的熱源利用液態(tài)空氣儲能的余熱，冷源利用LNG再汽化的廢冷，該系統(tǒng)可將系統(tǒng)效率和電氣往返率分別提高14.4%和56.5%。白文剛等[37]提出了基于有機朗肯循環(huán)(ORC)的新型液態(tài)空氣儲能系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過回收利用放電過程中的冷熱能，進一步提升了系統(tǒng)效率。

圖2 液態(tài)空氣儲能系統(tǒng)流程圖[35]

3.2 冰漿蓄冷技術

冰漿是一種微小的冰顆粒(直徑為10～100 mm)和載體溶液的混合物[38]。冰漿蓄冷系統(tǒng)可以在沒有任何輔助設備的條件下直接將冷能從冰漿儲罐供應到冷卻盤管，不僅降低了系統(tǒng)總成本，減小了運輸系統(tǒng)規(guī)模，還提高了系統(tǒng)效率。

為了進一步提升系統(tǒng)運行效率和降低運行成本，Tiwari等[39]對傾斜空腔內冰漿的產生進行了流場、溫度、形態(tài)和固相組分分布模擬，確定了腔傾角、溶質初始濃度和Stefan數等參數對冰漿生成性能的影響；Kumar等[40]對間歇式冰漿發(fā)生器中冰漿的形成過程進行了數值研究，并對圓柱形冰漿發(fā)生器進行了熱力學性能分析，對其Stefan數、抑制劑濃度和長徑比等進行了優(yōu)化；Zhang等[41]開發(fā)了一種新型冰漿蓄冷強化真空冷卻系統(tǒng)，該系統(tǒng)集成了一個冷庫部分，儲存在非高峰用電期間產生的冰漿，之后利用這些冰漿在高峰用電期間進行真空冷卻，使運行成本降低了30.2%。

冰漿蓄冷系統(tǒng)因具有節(jié)能環(huán)保、響應速度快、布置靈活、安裝方便、溫濕度控制穩(wěn)定、運行費用低等優(yōu)點，有望逐步取代現有的蓄冷技術，成為中國冷庫冰蓄冷技術的主流。

4 冷庫氣流組織優(yōu)化

若冷庫內氣流分布不良不僅會對制冷系統(tǒng)的運行產生一定負擔，還會對冷庫內貯藏的食物品質造成影響。

4.1 冷風機布置

冷風機的布置與風速設定是影響冷庫內氣流組織分布的關鍵。冷風機出口風速越大，帶走室內的熱負荷就越快，可以使冷庫溫度場分布均勻，但是過大的風速也會增加冷藏食品的干耗，因此需要調整最佳吹風速度。在位置方面，應避免在冷風機前放置貨物架，防止空氣回流造成食品干耗。此外，應避免將冷風機布置在出入口附近，以防止開門時熱氣流的影響。田甜等[42]對3種擺放位置的冷風機分別進行了模擬(圖3)，發(fā)現當冷風機布置在寬度方向或中間位置時，會有回流渦旋形成，不利于食品冷藏，而在長度方向上布置冷風機，能使氣流均勻分布，減少死角區(qū)域。

圖3 冷風機在不同位置上的布置方式

4.2 貨物堆疊方式

貨物的堆疊方式也是影響冷庫內氣流組織的一個重要因素。不合理的堆疊方式會導致冷庫內氣流不均勻，出現不同的溫度區(qū)，導致儲存產品的冷卻速率不一致，在高溫下食品的呼吸率過高，而在低溫下食品又會受到霜結傷害，增加貨損率。李藝哲等[43]研究發(fā)現在貨物堆垛附近的溫度與冷庫內其他區(qū)域之間有著較為明顯的溫差，通過改變堆垛方式或降低堆垛高度增大貨物之間的間隙，可以優(yōu)化庫內空氣流動。曾晰[44]對8垛和4垛兩種方式進行對比，發(fā)現增加堆垛數量能使空氣流通更順暢，換熱效率更高。

4.3 纖維織物風管送風

纖維織物風管作為一種新型送風形式，在冷庫中得到了廣泛應用。該送風方式利用聚酯纖維制成的管道與風機相連接，使冷空氣以纖維滲透或噴孔射流等方式輸送到冷庫的各個區(qū)域。這種新型送風形式有出風均勻、覆蓋范圍廣、溫度場均勻、空氣流速小、減少干耗等優(yōu)點，對冷庫內食品品質有較大的提升，并能夠通過小功率風機進行長距離送風，節(jié)能效果顯著。劉康佳等[45]對纖維織物風管送風方式進行研究，發(fā)現該送風方式能使貨物之間的溫差維持在1.5 ℃，且風速衰減幅度小，保證了冷庫內溫度場和速度場的分布均勻。李爽等[46]指出在冷庫中需要采用大滲透率的纖維材料(40～100 mm/s)，使?jié)B透風量達到總風量的40%以上，這樣既能防止凝露，又能保證均勻送風。

5 總結與展望

傳統(tǒng)合成制冷劑會對環(huán)境造成不可逆的破壞，制冷行業(yè)正在尋找一種在制冷性能、經濟性和環(huán)保方面都更加優(yōu)秀的替代品。如今，中國正大力提倡實現“碳中和”的環(huán)境保護政策，高能耗的冷庫建筑在降低碳排放上有巨大的潛力。在制冷方面，CO2作為制冷劑能大幅度降低碳排放，并且有較好的安全保障，可能成為未來大、中型冷庫制冷劑的首選；而光伏制冷技術和液化天然氣制冷技術則是對可再生能源和清潔能源的充分利用，補充了冷庫對電量和冷量的需求；在蓄冷方面，液態(tài)空氣儲能和冰漿蓄冷這兩類技術可通過介質狀態(tài)變化存儲冷量，達到移峰填谷、節(jié)約用電成本的目的；在冷庫氣流組織優(yōu)化方面，可以選取冷風機布置、貨物堆疊方式、纖維織物風管送風等影響因素進行優(yōu)化。

冷庫的節(jié)能減排是長期且艱巨的任務，未來研究的趨勢主要包括研發(fā)性能更高的制冷系統(tǒng)、對天然環(huán)保制冷劑的應用進行開發(fā)、合理利用可再生能源、研制更加高效的蓄冷材料及保溫材料、對冷庫的運營管理進行智能化控制、優(yōu)化氣流組織等。