超大型低溫自動化冷庫的節(jié)能分析

時間：2022-12-29 02:53:08來源：food欄目：冷鏈新聞閱讀：

隨著冷庫建設(shè)規(guī)模的擴(kuò)大，冷藏行業(yè)的節(jié)能降耗引起業(yè)界高度關(guān)注。本文詳細(xì)介紹了臨港普菲斯億達(dá)冷庫的建筑情況和制冷系統(tǒng)構(gòu)成，并從冷庫庫體設(shè)計(jì)、制冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)和冷庫的操作管理等方面，具體分析了加大冷庫節(jié)能降耗效果的有效措施與應(yīng)用效果，值得借鑒。

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，我國的新建冷藏庫越來越多，物流型冷藏庫的規(guī)模也不斷向大型化發(fā)展。冷凍、冷藏是能量消耗較大的行業(yè)，我國是一個能源短缺的國家，能源的緊張是制約我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展的一個重要因素。因此節(jié)能、降耗必然引起業(yè)界的高度重視，通過節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用，可以加速制冷設(shè)備的更新?lián)Q代，促進(jìn)制冷技術(shù)、工藝的改革和創(chuàng)新，帶動整個制冷行業(yè)的發(fā)展和水平提升。

近年來，筆者參與了上海臨港普菲斯億達(dá)冷庫和上海外高橋普菲斯億達(dá)冷庫的制冷機(jī)組安裝、調(diào)試工作，這是引進(jìn)美國最新制冷設(shè)計(jì)理念的超大型單座裝配式、自動化低溫物流冷庫，在國內(nèi)處于領(lǐng)先水平。臨港普菲斯冷庫運(yùn)行一年來情況良好，節(jié)能效果明顯。該冷庫在設(shè)計(jì)方面有許多新的理念、方法值得學(xué)習(xí)和借鑒，筆者就其節(jié)能情況結(jié)合建筑熱工計(jì)算和制冷工藝設(shè)計(jì)、配置逐項(xiàng)作簡要分析、說明。

冷庫概況
1 建筑規(guī)模與格局

臨港普菲斯冷庫單座單層裝配式低溫自動化物流配送冷庫，總?cè)萘考s為8 萬噸，冷庫的建筑承重結(jié)構(gòu)采用輕金屬結(jié)構(gòu)內(nèi)支承方式，冷庫建筑面積19390m2，凈庫容積393882m3，庫溫為-20℃。整個冷庫沿長度方向隔成三間（A、B、C 三庫），冷庫外圍護(hù)結(jié)構(gòu)墻面采用雙面彩鋼聚氨酯隔熱板，厚度δ=180mm，超長制作（板長21m），庫內(nèi)隔墻采用結(jié)構(gòu)巖棉防火板，厚度δ=200mm。地坪和庫頂隔熱層都選用三層擠塑型聚苯乙烯板（EPS），每層厚度δ=75mm。恒溫卸貨區(qū)建筑面積4100m2，平均高度9.5m，外圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用雙面彩鋼聚氨酯隔熱板，厚度δ=100mm，溫度為5℃ ~7℃。制冷機(jī)房和輔助設(shè)備間設(shè)在二層建筑的設(shè)備樓，二層樓內(nèi)長24.1m，寬15.2m，平均高4.5m，建筑面積366m2，機(jī)房地面高度3.8m。

2 冷庫制冷系統(tǒng)主要設(shè)備配置

（1）制冷壓縮機(jī)

JZVLG268D3 臺，制冷量Q 機(jī)=707.4kw/ 臺（2960 轉(zhuǎn)/ 分），帶微機(jī)自控型

JZVLG268D1 臺，制冷量Q 機(jī)=350kw/ 臺（1450 轉(zhuǎn)/ 分），帶微機(jī)自控型

（2）冷庫冷風(fēng)機(jī)

D091-450H/108-A-G，22臺，制冷量Q 設(shè)=57.3kw/ 臺

蒸發(fā)器面積F=448m2/ 臺，風(fēng)量：31520m3/h，風(fēng)壓靜壓：200Pa

電動功率：3.36kw+0.49kw（風(fēng)筒加熱）=3.85kw/ 臺，面風(fēng)速=2.2m/s

（3）主要輔助設(shè)備

a) 低壓循環(huán)桶泵機(jī)組：

貯液桶：1 臺，桶體容積=6.5m3

氨泵：R42-317C4BM-0405U1B1-F，2 臺

流量=5.5m3/h，揚(yáng)程=92m，功率=6.6kw/臺

b) 氣液分離器：（-6.7℃，閃蒸桶）1 臺，桶體容積=2m3

c) 氨液冷卻器：SM-22-L-06-UM-120，1 臺

流量6.5t/h，進(jìn)液+32 ℃，出液-1.1℃

d) 蒸發(fā)式冷凝器：VC2-642，2 臺

排熱量QK=2765kw/ 臺

3 卸貨區(qū)制冷設(shè)置

冷風(fēng)機(jī)D080-395H/106-A-G，6 臺

制冷量Q 設(shè)=74kw/ 臺，風(fēng)量=27000m3/h，面風(fēng)速3.1m/s

4 地坪防凍系統(tǒng)設(shè)備

（1）閑式冷卻塔：FXVLQ661-LM，1 臺，制冷量=820kw/ 臺

（2）丙二醇水溶液循環(huán)泵：7 臺

（3）丙二醇水溶液貯水箱：1 臺，25m3

冷庫建筑、制冷系統(tǒng)的節(jié)能分析

1 庫體設(shè)計(jì)節(jié)能、外圍護(hù)隔

熱結(jié)構(gòu)熱工計(jì)算及減少冷庫門洞滲入熱流的簡要說明

Q1— 外圍護(hù)隔熱結(jié)構(gòu)熱流（W）

Q5—操作、照明物流、開門滲入熱（W）

（1）超大型單座高庫體設(shè)計(jì)，其m2/m3 值（外圍護(hù)隔熱結(jié)構(gòu)面積與單位凈庫容積的比值）小于其他冷藏庫

增加冷庫的凈容積規(guī)模、減少外圍護(hù)結(jié)構(gòu)建筑面積是冷庫建筑節(jié)能設(shè)計(jì)中重點(diǎn)考慮的因素之一。因?yàn)槔鋷斓耐鈬o(hù)結(jié)構(gòu)的熱流量往往占冷庫總負(fù)荷的30%~40%，在同樣庫內(nèi)外溫差條件下，小型冷庫比大型冷庫的單位容積耗電量高數(shù)倍。m2/m3值越小，冷庫的建筑節(jié)能越明顯，這也是冷藏庫規(guī)模向大型化發(fā)展的原因之一。幾座不同庫容的單體低溫冷庫的建筑情況分析對比見表2。

從表2 中可以看出，臨港普菲斯冷庫的m2/m3 值僅0.125，比其他冷庫低得多，說明在同樣隔熱結(jié)構(gòu)、相同單位凈庫容下，該冷庫通過外圍護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)入庫內(nèi)的熱流值Q1 比其他冷庫減少30%。

（2）Q1—外圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱流量計(jì)算（忽略隔氣層熱阻）

a) 計(jì)算條件：室外設(shè)計(jì)計(jì)算溫度tW=30 ℃，室內(nèi)計(jì)算溫度tN=-20℃，濕球溫度27.8℃，外圍護(hù)結(jié)構(gòu)墻面：雙面彩鋼聚氨酯隔熱板δ=180mm。

b) 圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱流Q1 計(jì)算匯總見表3。

通過計(jì)算可見，雖然該冷庫單位凈容積的外圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱流有很大的優(yōu)勢，但其隔熱外墻Q1 為11w/m2·h，庫頂Q1 為15.3w/m2·h，這兩項(xiàng)指標(biāo)距當(dāng)前冷庫設(shè)計(jì)中節(jié)能的要求還存在較大的差距。

（3）低溫庫庫外設(shè)置恒溫卸貨區(qū)，選用先進(jìn)的快速啟閉冷庫門，加強(qiáng)庫門開啟的管理，減少從冷庫門洞滲入的熱量，減少熱濕負(fù)荷對冷庫的影響

在低溫庫外設(shè)置封閉式恒溫卸貨區(qū)，一方面使低溫庫和外界大氣之間有了溫濕度緩沖區(qū)域，在較大程度上減少了外界熱濕空氣帶入低溫庫的水分和熱負(fù)荷，減少了庫溫的波動和冷風(fēng)機(jī)的結(jié)霜量。另一方面使進(jìn)出冷凍貨物在卸貨區(qū)暫停期間大大減少，防止了貨物的溫升，有利于保持商品的冷凍質(zhì)量，減少了進(jìn)入冷庫的貨物熱流量。

大型物流冷庫的進(jìn)出貨十分頻繁，冷庫門洞也比一般的冷庫高大，尤其不要忽略開門時產(chǎn)生的換氣率，因?yàn)閾Q氣率在一個冷庫的熱平衡中的影響比它在總熱負(fù)荷的操作成本費(fèi)用中的影響大。通過庫門的換氣量是與庫門開啟的時間、門洞的面積、外界的熱濕空氣和冷藏間內(nèi)空氣密度差成正比的。據(jù)日本資料提供，當(dāng)冷庫內(nèi)外溫差達(dá)30~70℃時，開門換氣的耗冷量占總熱負(fù)荷的10％~15％。因此忽視冷庫門的開啟管理不僅僅使冷庫耗能和蒸發(fā)器結(jié)霜量大大增加，而且影響到冷庫的使用壽命。

臨港普菲斯冷庫（A 庫是由自動巷道式裝卸機(jī)作業(yè)，進(jìn)出貨物從較小的進(jìn)出倉口傳送）B、C 庫的門洞高4.5m，寬2.7m，如此高大的門洞如果用手動或電動平移門會產(chǎn)生門扇的密閉性、啟閉庫門時的速度減慢和穩(wěn)定性等問題。所以該冷庫選用了進(jìn)口的快速電動卷簾門，門扇的材質(zhì)由一種柔性封閉式發(fā)泡料制成，隔熱和密封效果不錯，配上快速垂直起降的電動機(jī)構(gòu)，啟閉時的最快速度可達(dá)4.5m/s，現(xiàn)調(diào)整在3S。除此之外在冷庫門洞兩側(cè)裝有感應(yīng)元件，只要運(yùn)貨叉車進(jìn)入感應(yīng)區(qū)，冷藏門就會自動快速啟閉，縮短了叉車進(jìn)出庫門時的等候時間，確保了庫門的及時關(guān)閉。該庫冷凍貨物的裝卸運(yùn)輸，依靠回轉(zhuǎn)半徑小、移動速度快的小噸位叉車，庫內(nèi)碼、落貨物由“高臂”型門架式提升機(jī)完成，提高了工作效率，避免了大型裝卸機(jī)械頻繁進(jìn)出冷庫門洞因速度慢所造成的換氣率增加的問題。

（4）目前冷庫實(shí)際運(yùn)行的指標(biāo)情況

臨港普菲斯冷庫制冷設(shè)計(jì)了兩臺主機(jī)投入運(yùn)行（一臺JZVLG268D，707.4kw/ 為主運(yùn)行，另一臺JZVLG268D，350kw/ 作機(jī)動投入運(yùn)行），從該冷庫投產(chǎn)運(yùn)行以來，目前僅一臺主機(jī)JZVLG268D 全天運(yùn)行，從未出現(xiàn)兩臺機(jī)運(yùn)行的情況。按照該庫393882m3 凈庫容，實(shí)際配置冷風(fēng)機(jī)設(shè)備負(fù)荷：1260.6kw，主機(jī)運(yùn)行冷量707.4kw。計(jì)算得到：每立方凈庫容配設(shè)備負(fù)荷為3.2w，每立方凈庫容配主機(jī)負(fù)荷為1.8w。由此可以看出，該超大型冷庫的單位容積耗冷遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其他冷庫。

2 制冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)、操作管理上的節(jié)能情況

（1）充分利用冷、熱源的能量互補(bǔ)

該大型冷庫的占地面積大，地下防凍措施也是值得關(guān)注的。冷藏庫的地下防凍加熱方法有多種，無論采用架空或通風(fēng)道機(jī)械通風(fēng)，都將使土建投資費(fèi)用增加，而在這么大的面積上用電加熱防凍，顯然也不切實(shí)際。因?yàn)榘丛摾鋷?9000m2 的地下防凍加熱面積計(jì)算，每小時的加熱量約在180kw。另外，制冷壓縮機(jī)的潤滑油在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中溫度會不斷升高，需要利用其他冷卻介質(zhì)消耗相應(yīng)的能量來滿足冷卻要求，如果以上兩方面都單獨(dú)設(shè)置冷卻設(shè)備和加熱設(shè)備，不僅土建、設(shè)備的投資費(fèi)用將增加，還要消耗大量電能。

為了達(dá)到節(jié)能的目的，該冷庫制冷設(shè)計(jì)上巧妙地利用了系統(tǒng)內(nèi)在的冷熱源（采用丙二醇水溶液加熱防凍循環(huán)系統(tǒng)）。具體做法是：在冷庫地坪隔熱層下的鋼筋混凝土層中埋設(shè)直徑32×3.5的多路PE 管加熱管道，每路PE 管在冷庫地坪下為整根（沒有接頭），穿出地坪后設(shè)單路調(diào)節(jié)閥和液流顯示儀，然后連接至供、回集管，并由循環(huán)水泵、貯水箱、系統(tǒng)連接管路和螺桿機(jī)油冷卻器等設(shè)備組成一個開式循環(huán)加熱系統(tǒng)。冷庫地坪下丙二醇水溶液的加熱熱源由運(yùn)行中的螺桿制冷壓縮機(jī)冷凍油提供，而制冷壓縮機(jī)冷凍油的冷卻冷源由出地坪冷卻后的丙二醇水溶液提供，在不另外增加設(shè)備的情況下，利用系統(tǒng)本身的條件，能量充分利用互補(bǔ)，節(jié)能效果達(dá)到每小時360kw（見圖1）。

（2）利用冷風(fēng)機(jī)的自動熱氣除霜

冷庫冷風(fēng)機(jī)的除霜是制冷系統(tǒng)運(yùn)行中必不可少的一項(xiàng)工作，尤其是低溫冷藏庫中的冷風(fēng)機(jī)，除霜的方法有：電熱化霜、水沖霜、熱氣除霜、水和熱氣同時除霜、不凍液除霜等等。目前國內(nèi)大中型低溫冷庫以冷風(fēng)機(jī)作為換熱設(shè)備的，在設(shè)計(jì)中大都采用水沖霜、水加熱氣除霜、熱氣除霜這三種融霜方式。臨港普菲斯冷庫設(shè)計(jì)利用制冷螺桿壓縮機(jī)排油的氣體熱量為熱源，在制冷自動化系統(tǒng)軟件的設(shè)定和監(jiān)測下實(shí)現(xiàn)全自動的定時除霜，實(shí)現(xiàn)了三個方面的節(jié)能：①無需泵等動力消耗和其他土建、設(shè)備的基建投資。②熱氣除霜過程將冷風(fēng)機(jī)蒸發(fā)盤管中的積油及時清除，使冷風(fēng)機(jī)始終保持最佳的換熱性能，相應(yīng)提高了蒸發(fā)溫度，縮小了蒸發(fā)溫度和庫溫之間的溫差。③減小了冷庫的溫度波動，除霜后減少了制冷壓縮機(jī)的動力消耗。

（3）利用螺桿制冷機(jī)的可調(diào)內(nèi)容積比改善壓縮機(jī)的運(yùn)行性能，達(dá)到節(jié)能目的

該冷庫除了一個低溫庫-29℃蒸發(fā)系統(tǒng)外，還配有一個中溫-6.7℃蒸發(fā)系統(tǒng)，肩負(fù)著卸貨區(qū)冷風(fēng)機(jī)和高壓常溫制冷液體的過冷負(fù)荷（卸貨區(qū)制冷設(shè)備負(fù)荷444kw/h 高壓液體過冷器負(fù)荷約80kw/h）。為了達(dá)到節(jié)能目的、節(jié)約設(shè)備投資，不另外增設(shè)獨(dú)立的中溫制冷系統(tǒng)，利用螺桿壓縮機(jī)的工作容積在壓縮過程的某一轉(zhuǎn)角位置開設(shè)進(jìn)氣口（即中間補(bǔ)氣口），將以上兩個方面的制冷負(fù)荷引入，在不影響-29℃低溫蒸發(fā)系統(tǒng)吸氣量的情況下，降低了主機(jī)由于過壓縮或欠壓縮造成的附加功耗，提高了制冷壓縮機(jī)的效率，節(jié)約-6.7℃庫溫蒸發(fā)制冷系統(tǒng)的基建設(shè)備投資和所需的能量消耗。

（4）制冷系統(tǒng)低溫?fù)Q熱設(shè)備采用高壓液體直接供液方式，減少了氨泵的功力消耗

國內(nèi)外的絕大多數(shù)大中型低溫冷庫在制冷設(shè)計(jì)中都應(yīng)用了液泵來向蒸發(fā)器輸送制冷劑液體，制冷劑的液體量是蒸發(fā)量的數(shù)倍。為了實(shí)現(xiàn)以消耗的電動機(jī)功率來滿足最佳換熱要求，有的設(shè)計(jì)人員在以上設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，另外增加一路高壓液體并聯(lián)連接到泵出液總管或支管上，目的在于當(dāng)液泵出現(xiàn)故障，短時間難于修復(fù)時啟動高壓液體直供以不影響冷藏庫降溫的應(yīng)急方法。而臨港普菲斯冷庫采用高壓液體過冷后直接向冷風(fēng)機(jī)供液的方式，（低壓循環(huán)桶只作為汽液分離和暫存液體之用），雖然液泵6.6kw/ 臺的功率消耗相比整個制冷系統(tǒng)消耗的總功率來講只是很小一部分電能，但從節(jié)能角度對制冷劑系統(tǒng)進(jìn)一步挖掘節(jié)能潛力的思路來講的確是一種較好的選擇。

（5）應(yīng)用電子計(jì)算機(jī)進(jìn)行程序控制，實(shí)現(xiàn)整個制冷系統(tǒng)的全自動化

制冷系統(tǒng)的自動化不僅僅提高工作效率，節(jié)省人力，確保冷凍商品質(zhì)量，使制冷系統(tǒng)設(shè)備在安全可靠的工況下運(yùn)行，并且能通過自動監(jiān)控系統(tǒng)對各運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)備的液位、溫度、壓力、電流等等進(jìn)行及時、準(zhǔn)確、連續(xù)不斷的監(jiān)視，使系統(tǒng)處在最佳的工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)控制，避免一些人為的不恰當(dāng)操作和管理造成的能量浪費(fèi)和損失，從而達(dá)到安全運(yùn)行和節(jié)能的目的。

臨港普菲斯冷庫的制冷系統(tǒng)是由上位機(jī)加組態(tài)元件和下位機(jī)共同組成的自動化監(jiān)控系統(tǒng)，選用了丹佛斯公司先進(jìn)的壓力、液位、溫度等自動化信號元件和閥門，基本做到了全自動化控制、操作，滿足了制冷系統(tǒng)從庫房溫度和冷凍機(jī)能量的自動調(diào)節(jié)，各容器設(shè)備的液位、壓力、溫度調(diào)控和安全保護(hù)、冷風(fēng)機(jī)自動熱氣除霜、地坪防凍系統(tǒng)的自動控制等等全自動的操作管理。

結(jié) 論

1. 臨港普菲斯億達(dá)冷庫之所以能做到單位凈容積配置設(shè)備冷量3.2w/m3 機(jī)械負(fù)荷1.8w/m3 的明顯節(jié)能效果，其最大的優(yōu)勢在于m2/m3 值很小，使其比相同條件下小容量冷庫節(jié)能30%。如果能增加一次性投資加厚隔熱層厚度和改變庫頂隔熱結(jié)構(gòu)，以減少Q(mào)1 的熱流量，節(jié)能效果將更明顯。

2. 低溫冷庫外建恒溫和低溫穿堂，冷凍商品的裝卸、搬運(yùn)采用叉車加托盤形成機(jī)械化作業(yè)，并選用先進(jìn)的冷藏門和自控方式有效地減少外界熱溫負(fù)荷對冷庫的影響，達(dá)到保持冷凍食品較好的質(zhì)量，減少制冷設(shè)備的動力消耗是必不可少的。

3. 在不影響低溫制冷量的情況下，利用螺桿壓縮機(jī)內(nèi)容積比調(diào)節(jié)來改善壓縮機(jī)性能，并獲得中間溫度系統(tǒng)負(fù)荷，在不另外增加設(shè)備和電能情況下，從制冷系統(tǒng)內(nèi)部進(jìn)一步挖掘節(jié)能潛力，滿足冷庫地坪防凍加熱、螺桿壓縮機(jī)潤滑冷卻、冷風(fēng)機(jī)熱氣除霜等做法，在節(jié)能上起到了很好的效果，說明在降低現(xiàn)有的制冷設(shè)備的能量消耗問題上還有很多工作可做。

4. 冷庫制冷系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)全自動化管理，是提高工作效率、確保冷凍商品的儲存質(zhì)量、保證制冷系統(tǒng)和設(shè)備在安全可靠工況下運(yùn)行、避免誤操作和管理造成的能量損失、實(shí)現(xiàn)最優(yōu)控制的最佳途徑。在這方面，臨港普菲斯冷庫是一個值得學(xué)習(xí)的范例。

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