冷库是对易腐烂食品进行加工和贮藏的设施,最早出现在美国和澳大利亚[1].经过一个多世纪的发展,冷库已经成为发展食品工业不可缺少的手段.近几十年来,各国的冷库容量都有较大的增长.到20世纪末,全世界冷库总容量超过5 100万t[1],其中日本是亚洲最大的速冻产品生产国,-20℃以下的低温库占冷库总数的80%以上.截至2004年,日本已有冷库3 431座,冷库容积3 302万m3[2].截至2012年,美国拥有2 200万t的冷库容量,我国也拥有900万t的冷库容量[2].冷藏技术的发展和冷库容量的迅速增加必然关系到能源消耗问题.我国冷库能耗一般占整个冷链物流企业能耗的70%以上[3].表 1给出了国内外冷库能耗对比情况[4].

从表 1可看出,我国冷藏企业总体能耗较大,全国平均水平远远高于国外平均水平,是日本的2.5倍,英国的两倍多[4].即使是冷藏行业发达的上海,与国外同行的差别也是非常大的.

20世纪70年代以来,能源问题已被列为世界基本矛盾之一[5].在今后很长一段时间内,世界能源发展的主题和趋势仍然是节能减排,因此冷库的节能正引起制冷和食品行业越来越广泛的重视.

对于冷库有诸多节能途径,例如:选择隔热效果较好又经济实惠的隔热材料,可有效地减少周围环境传入冷库的热量;选用经济节能的制冷设备;采用蓄冷技术,夜间将冷量储存起来,白天释放出来;适当提高蒸发温度,降低冷凝温度;对于果蔬冷库,设计合理的通风换气时间;定期对蒸发器除霜,对冷凝器除垢等. 1 建筑节能 1.1 隔热材料的选择

隔热材料的作用是减少通过围护结构传入冷库的热量,所以隔热材料的选择必须合理化,同时考虑材料的厚度.目前广泛使用的隔热材料是聚氨酯泡沫塑料.表 2给出了聚氨酯泡沫塑料与其它冷库保温材料的优缺点比较[1].

一般情况下,隔热材料越厚,隔热性能越好,但同时隔热材料成本也越高.不管国内还是国外,在确定隔热材料的厚度时,都会适当加厚,比如日本采用的隔热层厚度比标准隔热层厚度增加25%[1].文献[6]指出,采用节约型隔热层的冷库,虽然投资成本增加,但是一般在冷库运行2~3 a内可由节约的能源费中收回成本. 1.2 围护结构的防潮和隔汽

冷库内外温差较大,高温空气中的水蒸气会进入隔热层冷凝成水,使隔热层受潮,影响隔热效果,从而降低保温性能,增加能耗.水蒸气都是由高温一侧向低温一侧渗透,所以一般情况下,将防潮和隔汽设置在高温侧.如果冷库的高温侧和低温侧发生变化,那么在隔热层的两侧都应设置防潮、隔汽层.冷桥的存在会影响围护结构防潮和隔汽层的完整性和严密性[1],进而使隔热层受潮失效,甚至威胁建筑物的安全,同时暴露在空气中的冷桥会增加围护结构的热负荷,因此必须尽量避免在围护结构中形成冷桥.对于一些不可避免的冷桥,应选用导热系数较小的材料. 1.3 安装PVC门帘

PVC门帘是用聚氯乙烯塑料做成的,国内应用较少,但国外广泛使用[7].它可有效阻止冷库内外热量转移,达到节能的目的.我国最早使用的冷库门帘是棉被,到1960年代,开始采用门斗,有效地减少了冷库门洞的跑冷.1965年后建成的冷库开始外设空气幕.随着化工塑料工业的发展,上海化工厂和上海商业二局合作研制出了PVC门帘,并在1984年12月20日通过技术评定,被认为是一种节能门帘[7].表 3给出了PVC门帘和其它材料门帘的比较.

PVC门帘对减少冷库门洞附近的跑冷效果是非常显著的,装有PVC门帘的冷库的跑冷量比没有装门帘的减少了10%[7].文献[1]指出,采用PVC门帘后,冷库门的冷量损失减少了57%.

其它建筑节能措施有减少太阳辐射热、库门外设置空气幕等.减少太阳辐射热会减少冷库的能耗,达到节能效果.影响太阳辐射热的因素有冷库外表面积、太阳辐射的强度、冷库壁面太阳的吸收率等,所以建设冷库时,在满足冷库容量的情况下,尽量选择建筑外表面积较小的结构.而太阳辐射的强度会随着季节、天气的不同发生较大变化,因此根据物理学原理,冷库外表面最好选用白色或颜色较浅的涂料,增大反射太阳辐射能力.空气幕安装在库门外上方,从空气幕喷出的气流能够阻止库外热空气直接进入库内.如果库内也安装空气幕,形成双层空气幕,节能效果将更加显著.PVC门帘和空气幕配合使用,节能效果更优.2 制冷设备节能 2.1 制冷压缩机的选择

冷库制冷系统中压缩机能耗最大,因此必须选择性能优良、高效节能的制冷压缩机.近年来,性能优良的螺杆式压缩机得到了广泛的应用.例如:啤酒冷库中尽量采用内容积比可调的螺杆式压缩机,这样能够保证系统运行中内、外压力基本相等,避免了额外的能量损失,达到节能的目的[8];某食品配送公司在冷库中选用了液氨冷却式带经济器螺杆式制冷压缩机,配合使用全数字变频恒压供水设备,其中液氨来源于系统中的制冷工质.根据统计数据,其改造后的节水效果特别显著[9].

合理确定压缩机的能量调节方法使压缩机以最低能耗运行,达到节能目的[10, 11].调节方法主要有:① 采用变频控制技术.根据冷库的环境参数进行实时检测,相应调节压缩机转速,改变制冷量,使其与冷库热负荷相匹配,保证了系统高效运行,达到节能目的;② 多能级优化组合进行能量调节.该方法适用于大中型冷库,不但能适应变动的热负荷,还能使压缩机轻载或空载运行,延长压缩机使用寿命. 2.2 换热设备的选择 2.2.1 冷凝器的选择

冷凝器在运行过程中消耗大量电能,因此冷凝器节能是冷库节能的重要部分.同其它冷凝器相比,蒸发式冷凝器是一种高效节能的换热设备,通过水的蒸发潜热吸收制冷剂放出的热量.蒸发式冷凝器减少了循环水量,降低了水泵的动力消耗,不仅节能而且节水,同时还省去了冷却水在冷凝器中显热传递阶段,使冷凝温度有可能更接近空气的湿球温度,达到节能目的.蒸发式冷凝器在国外早已普遍使用[12].近年来,国内也从应用壳管式冷凝器转向青睐蒸发式冷凝器.2006年上海食品肉类有限公司对原有的制冷系统进行改造,选用了一台ATC-428B蒸发式冷凝器.改造后的系统可节电22%~44%[13]. 2.2.2 蒸发器的选择

不同用途的冷库,其蒸发器种类和结构不同,因此需根据使用类型选择不同方式控制蒸发器以达到节能效果.例如,水产品和肉类冷库的冻结间,一般采用落地式或吊顶式冷风机,而大部分冻结间冷风机的功率过大,造成过度用电.冷风机所消耗的电能最终变成热能,增加了压缩机的负荷.选用高效双速风机或变速风机调节冷风机的功率[14],可达到节能目的.虽然增加了投资,但是回收期短,总体来说还是节约了成本. 3 运行节能 3.1 采用蓄冷技术

蓄冷技术是指在电力负荷较低的夜间用电低谷期,采用制冷机制冷,利用蓄冷介质的显热或潜热特性,将冷量储存起来;在电力负荷较高的白天,将存储的冷量释放出来,以满足生产工艺的需要,而且夜间环境温度更有利于制冷系统的运行[15].因此,若在冷库中使用蓄冷技术,能够很好地改善电力供应状况,提高制冷设备利用率,达到经济节能的目的[16, 17]. 3.2 提高蒸发温度

冷库运行中,在保证冷库温度的前提下,尽可能采用较高的蒸发温度.我国冷库行业中,冷库实际热负荷远小于设计热负荷.制冷系数ε=T0/(TK-T0),其中:TK为冷凝温度;T0为蒸发温度.当提高T0时,ε增大,从而提高了制冷效率,减少了制冷机组的能耗[18].文献[1]指出,T0每升高1℃,可节约2%~3%的能耗.蒸发温度的提高,减小了蒸发器与空气的传热温差,因而降低了食品的能耗,也能达到节能的目的[19]. 3.3 降低冷凝温度

冷凝温度升高,冷凝压力也随之升高,使得压缩机的排气压力升高,压缩比增大,压缩机输气系数降低,功耗增大.文献[19]指出,冷凝温度每降低1℃,压缩机功耗则减少19.5%,因此合理地降低冷凝温度也是冷库节能的重要部分.由于夜间环境湿球温度较低,使得冷凝温度降低,因此尽可能让制冷装置在夜间运行,以达到节能的目的. 3.4 合理选择冷库的通风换气时间

果蔬类食品由于呼吸作用会放出一些气体,影响冷库内的环境温度和条件,因此在果蔬冷库中必须设计通风换气.但是通风换气引起的热负荷较大,一般情况下严寒季节,选择白天进行通风换气;其它季节,选择温度较低的夜间进行通风换气,以达到节能目的[11]. 4 库房、机房操作管理节能 4.1 蒸发器的除霜

冷库蒸发器霜层会严重影响换热效率,增大功耗.不同形式的蒸发器的及时除霜方式不同.国外冷库中蒸发器普遍采用冷风机.常用的除霜方式有水冲式、制冷剂热气除霜、电热除霜,其中制冷剂热气除霜应用最广泛,被认为是最高效节能的除霜方式[20]. 4.2 冷凝器管壁水垢的清理

水冷式冷凝器运行一段时间后表面会形成水垢,水垢的导热系数为冷凝器管壁导热系数的2.4%~2.8%[19],这会增加冷凝器管壁的传热热阻,影响冷凝器的换热效率,间接升高了冷凝温度,增大了制冷装置的功耗,同时结垢到一定程度时还会腐蚀制冷设备,缩短其使用寿命.国外冷库中普遍采用蒸发式冷凝器,并对其布水器喷嘴进行定期清洗且将冷却水软化处理[21].对于除垢周期,由于冷凝器形式、制造材料和当地水质的不同难以确定,应根据冷库具体的制冷装置合理确定.我国一些冷库还通过安装稳定剂和静电水垢控制器,有效地放慢水垢增厚速度,从而达到节能的目的.

另外,定期放油、防止不凝性气体进入系统和及时排放不凝性气体可有效提高运行效率.经油分离器未完全分离的润滑油进入冷凝器和其它设备中会降低设备的换热效率,增加能耗.所以不仅要选用性能优良的油分离器,而且应定期对设备进行放油.另外,由于在加油和加注制冷剂时的不规范操作,会使不凝性气体进入装置,使冷凝面积减少,冷凝压力增大,降低装置的制冷能力,增大能耗,因此必须及时排放不凝性气体. 5 冷库节能技术的发展趋势和展望 5.1 制冷剂的选择

整个制冷系统中制冷剂占据着重要的地位.目前不管国内还是国外,冷库的制冷装置中普遍采用氨作为制冷剂.氨制冷剂的优点是热物性非常好,能溶解于水,有气味时易被发现,价格低廉、环保[6],但是氨制冷剂有毒且存在潜在的爆炸危险.当氨与空气混合体积分数为16%~25%时遇明火会引起爆炸[21],因此氨制冷剂系统中应尽可能减少系统的灌氨量.目前CO2/NH3复叠式制冷系统已在一些冷库投入使用,并且有很大的发展潜力[22].因为CO2和NH3制冷剂的混合使用,在大大减少灌氨量的前提下,还保证了制冷系统高效节能运行,初投资降低,冷库安全系数增大.更节能、环保、安全的制冷剂有R403A、R403B、R404A、R407C、R124a[15].这些不含氯的制冷剂对大气臭氧层没有破坏,同时不易燃、低毒、清洁,可优先考虑,更重要的是它们的制冷效果非常好,不亚于氨. 5.2 微型节能冷库的发展

微型冷库是一种家庭式机械恒温小型冷库,其建造快,造价低,操作简单,性能可靠,自动化程度高,保鲜效果好.最重要的是,它对库体和制冷系统进行了优化设计,是将机械制冷与自然冷源结合利用的节能冷库[23],其降温速度快,保温性能好,冷库温度波动小,稳定后的冷库温度是前期预冷和降温阶段的18%左右.北方地区在冬季可采用自然冷源通风降温,这样耗电量更低,更节能.我国是一个农业大国,国情和农村家庭联产承包生产体制决定了微型冷库特别适合我国农副产品的储存和保鲜.并且我国农业发展在今后很长一段时间内还是以小规模、个体自主为主,再结合节能减排这一世界性发展趋势,因此微型冷库在我国还是有较大的发展空间和潜力的[24]. 6 结 语

随着经济的大力发展和人们生活水平的迅速提高,冷库在日常生活中扮演着越来越重要的角色.冷库的需求量增大带来的能源消耗日益增加,因此冷库的节能必须受到重视.冷库的节能不仅减少了社会成本,增加了社会效益,还减少了能源消耗,有利于世界和谐、可持续发展.