從能源效率的角度對歐洲和中國的大型冷庫典型制冷系統進行對比。通過與世界先進水平的制冷系統對比，尋求提高我國大型冷庫制冷系統效率的潛在可能性。通過從制冷系統控制的角度對國內大型冷庫制冷系統可能存在的高能耗因素進行分析，并介紹了多種節能手段，如自動熱氣除霜、電動液位控制、溫度精確控制等。根據這些提升手段，采用軟件模擬的方法，對比了中國傳統的采用手動控制制冷系統的冷庫和經過改進的制冷系統自動控制冷庫之間的能耗差異，并結合國內某新舊冷庫的數據對比，分析了提升制冷系統自動控制水平后為冷庫節能帶來的能效提升情況。

冷庫； 制冷系統；自動控制；能效；熱氣除霜；液位控制；溫度控制

隨著我國經濟的發展，人民群眾的生活水平日益提高，人們對食品安全和食品品質要求不斷上升，我國迎來了冷鏈建設蓬勃發展的年代。大型冷庫作為冷鏈建設中至關重要的基礎節點，也取得了巨大的發展。根據全球冷鏈聯盟（GCCA）2016年的調查報告，截至2016年，中國的冷庫保有量高達1.07億立方米，與2014年相比，增加了21% [1] 。

考慮到目前我國的人均冷庫庫容大約只有美國1/3，并且隨著生鮮電商的迅速發展，對冷鏈的發展提出了更高的要求。因此可以預見在未來一段時間內我國的大型冷庫建設將繼續保持較高速度的增長。與此同時，隨著冷庫容量的增加，冷庫中制冷系統的能耗也在日益增加。

由于冷庫的大小差異較大，在本文中將集中討論庫容為20000m3以上的大型冷庫制冷系統。根據歐美國家的運行經驗，大型冷庫制冷系統的耗電量占到冷庫運營能耗的75%~85% [2] 。

隨著大型冷庫庫容的不斷增長，市場競爭日益激烈，節能減排要求顯得越來越重要，冷庫制冷系統的耗電量自然引起人們，尤其是冷庫運營商的高度重視。近年來我國的大型冷庫制冷技術在設計、安裝、運營和維護等方面都取得了長足的進步，然而與國際領先水平相比，還是存在一定的差距。據估計，近年來我國新建大型冷庫依然有半數以上采用了手動或半自動系統，而現有存量冷庫中70%以上依然為手動控制的制冷系統。從能耗的角度看，由于受人員技能等多方面的影響，手動控制系統的能耗往往相對較高。

據統計，我國大型冷庫制冷系統的電耗為131 kWh/m3/year [3] 。表1列出了歐洲典型的大型冷庫的耗電量數據。通過比較可以看出，歐洲大型冷庫的單位 耗電量是我國大型冷庫耗電量的50%左右。冷庫制冷系統的能耗與多種因素相關，例如冷庫的類型、溫度應用場合、保溫的具體情況、冷庫門的使用狀態、系統設計安裝等等。但不可否認，制冷系統作為冷庫的核心系統，其能效水平的高低將極大的影響系統的總體效率。本文將從制冷系統自動控制的角度分析提高冷庫制冷系統效率的多種方式。

大型冷庫制冷系統中典型的控制方式和可能改進方案

目前我國大型冷庫制冷系統多采用氨制冷系統，以螺桿壓縮機為主，部分系統配備活塞壓縮機。冷庫尚未普及變頻器調速的應用。冷凝器主要采用蒸發式冷凝器，而蒸發器除了使用冷風機外，排管的應用也很普遍。為了獲得較好的效率，在供液上多采用超倍供液，桶泵的液位控制多采用開關控制，融霜方面以水沖霜及手動熱氨融霜為主。整個系統的控制則采用手動控制或者半自動控制。

除了少量的系統還在使用風冷式或水冷式冷凝器，蒸發式冷凝器（以下簡稱蒸發冷）已在新建的氨制冷系統中占據主導地位。據估計，85%以上的新建大型冷庫都采用了蒸發冷。出于成本方面的考慮，多數業主采購較為低廉的蒸發冷。

對于蒸發冷而言，如僅僅為了節約初始成本而選用過小換熱面積的設備或者相對簡單的控制方式，如部分場合僅按照既定的數值控制蒸發冷的運行，這就造成了制冷系統的冷凝溫度上升，最終往往導致系統的能耗居高不下。

對于大型氨制冷系統，每提高1K的冷凝溫度，會導致螺桿壓縮機的效率下降3%。這說明選擇恰當的蒸發冷技術參數對降低冷凝器溫度和整個制冷系統的能耗有十分重要的作用。通過對冷凝壓力的動態控制，例如對蒸發冷的水泵和風機結合變頻的方式根據系統運行需求采用浮動冷凝壓力的控制，將有助于把壓縮機的壓比控制在合適的水平實現系統節能。

然而傳統的制冷系統在運行中，可能出于某些誤解，例如為了維持足夠的節流閥閥前壓力或者為了維持較高的除霜壓力（事實上過高的熱氣除霜熱氣壓力不但增加系統風險而且會增大系統能耗）往往把冷凝壓力保持在一個相對固定的高點，這使得壓縮機長期工作在不利工況下。因此要實現高效的冷凝器控制，首先要從設計選型出發，選擇合適換熱面積的蒸發冷，在此基礎上通過成熟的控制邏輯利用浮動壓力對冷凝器的冷凝壓力進行控制以便充分利用蒸發冷的放熱潛力。此時為了確保節流閥有足夠的供液量，建議采用調節范圍廣、精度高的電動閥作為系統節流裝置以滿足閥門前后壓差變化的需要。在外界環境濕球溫度較低的條件下，冷凝溫度將遠低于設計溫度，從而大幅減少壓縮機組的能耗。

另一個有效控制冷凝壓力的方式是減少系統中的不凝性氣體。在系統運行過程中，系統中存在的不凝性氣體主要聚集在冷凝器或高壓貯液器中。這些不凝氣體的分壓將疊加在制冷劑的飽和壓力之上從而導致系統冷凝壓力上升，增加壓縮機的功耗。

此外，不凝性氣體的存在還會降低制冷劑在換熱器內的換熱性能，進一步提高冷凝溫度使得系統能耗增加。傳統排放不凝性氣體往往采用手動方式，由于操作的復雜性以及可能存在的危險，導致放空頻率遠低于實際需要，造成系統中不凝性氣體含量過高。一些新建制冷系統雖然安裝了自動空分設備，但缺乏有效的監測手段確保其分離效果。從而導致空分設備使用情況不佳，系統能耗持續上升。因此從制冷系統控制的角度，建議對系統內的不凝性氣體含量進行監測，并采用帶有獨立冷源的自動空分設備，確保系統不凝性氣體的含量控制在可以接受的范圍（系統冷凝溫度和冷凝壓力差值在0.5 K以內）。

不同于歐美國家，目前國內大型冷庫采用排管作為蒸發器的現象非常普遍。排管成為大型冷庫系統的主流蒸發器，有諸多原因。例如早期的冷庫主要用于存儲白條產品，先期的很多產品包裝較為簡單，采用排管的目的是希望通過自然對流換熱的方式盡可能的降低干耗。然而這帶來了若干實際問題：

1）制冷劑的充注量極高，增大了系統的潛在風險；

2）對于中低溫庫而言除霜困難；

3）除霜困難導致排管上的結霜長期存在且在除霜前不斷惡化，導致換熱系數不斷下降，蒸發溫度不斷降低，壓縮機能耗不斷上升，干耗加�。ㄔ趯嶋H運行中，經�？梢杂^察到排管上的霜層厚度處于30 mm甚至更多）；

4） 熱惰性大，導致溫度的控制不穩定。

圖1所示為典型排管蒸發器應用狀態，由于缺乏及時除霜處理，往往霜層較厚。

我國有不少冷庫采用電磁閥根據冷間溫度來開關控制排管或冷風機的供液，從某種程度上實現了溫度控制的自動化。然而開關控制如果沒有適當的優化，將會造成庫內溫度的頻繁波動，尤其是排管系統。由于傳統的排管開關供液系統無法根據工況合理的調節制冷劑流量，導致排管中長期存積大量液態制冷劑為系統帶來了巨大的熱惰性，這極大的影響溫度控制的有效性并增加了系統的能耗。

例如，當達到系統設定的溫度后，供液電磁閥關閉，但由于排管內還存在大量液體，導致壓縮機吸氣壓力依然較高，管內的液體持續蒸發，這既延長了壓縮機的工作時間，造成了壓縮機的額外做功；又造成了冷間溫度持續下降，導致較大的溫度波動。

與此同時，循環桶的設計也不得不一再放大，進一步加大了系統的充注量和容器的初始成本。相對而言，冷風機的熱惰性較小，但也存在不同程度的溫度波動問題。

這會帶來若干好處。首先，供液量被控制在較低的范圍，減少了供液閥關閉情況下蒸發器內殘存的液體容量，避免了溫度的波動和壓縮機的持續做功。其次，通過對供液量的精確控制，大幅減少制冷劑的充注量（充注量可減少50%），減少了系統控制的負擔并降低了容器的成本。

圖2和圖3分別展示了脈寬調制電磁閥供液控制原理和調節效果。

與開關控制比較，PWM控制能精確控制冷間的溫度，且溫度波動較小。壓縮機的吸氣壓力得到提高，進一步減少了壓縮機的能耗，提升了系統效率。

雖然排管蒸發器的應用在中國有特定的歷史原因和使用背景，但是隨著食品包裝、系統自動控制水平、冷風機設計及質量水平的提高，冷風機的應用范圍將不斷擴大。

當蒸發溫度低于0 ℃時，蒸發器表面就會結霜。霜層會對系統產生諸多不利影響。

第一，蒸發器的換熱能力將隨著霜層的不斷增加而下降，這將增大空氣側的壓力損失，對冷風機而言將導致空氣流速下降并且增大空氣側的熱阻。

第二，為了滿足設定的溫度需求，壓縮機的吸氣壓力將下降，導致壓縮機工作時間加長且效率降低，導致了能耗急劇上升。

第三，由于蒸發溫度下降導致霜層繼續大量生成，造成貨物干耗繼續加大，食品品質受到影響，存儲重量減少。

因此及時除霜對系統效率、能耗和食品品質有十分重要的作用。在諸多除霜方式中，電除霜由于高昂的運行成本和維護成本，不適于大型制冷系統。水沖霜依然需要外部熱源，且會給冷間帶來大量水汽，因此也不是最優方案。熱氣除霜利用了系統自身的熱源，既可以有較好的節能效果，而且采用相變傳熱，除霜效率高，此外由于熱的制冷劑氣體直接沖刷蒸發器內部，利于帶走蒸發器管路中的油，有助于保持換熱器的換熱效率。

因此在許多大中型冷庫中多采用熱氣除霜。傳統上許多國內的大型冷庫仍采用手動除霜，具體的控制調節站如圖4 所示。這樣的調節站既用于排管系統也用于冷風機系統。但在實際操作中，存在較多的不可控因素，需要依賴操作人員的專業素質和工作敬業度。否則容易造成除霜時間長，熱氣使用過量導致冷間溫度上升，并且容易由于人為誤操作帶來系統安全風險。由于手動方式相對復雜，導致許多冷庫的冷風機霜層厚度長期高達3 mm~4mm，對于排管而言，除霜的工作量更大，除霜周期不得不大幅延長，這就造成其霜層厚度往往高達30 mm。

大型冷庫制冷系統往往采用桶泵供液的方式進行制冷，這就需要對循環桶的液位進行有效的控制以滿足系統供液和壓縮機、循環泵的安全要求。

此外，如能有效的減少循環桶的液位波動可以減少系統的壓力波動，將對系統十分有益。例如壓縮機會工作在穩定的狀態而不是頻繁的加減載甚至開停機，有助于提升系統效率。然而我國廣泛使用的液位控制方式為開關控制。在此種控制方式下，循環桶的供液由一個為滿足系統100%負荷運行并且預留一定余量的電磁閥開關進行控制，導致容器內產生頻繁的壓力波動。

據觀察，一個1500 kW制冷量，-30 ℃蒸發的低壓循環桶由于液位開關控制帶來的壓力波動可以高達0.8 bar。此狀態下，打開閥門會導致大量閃發氣體進入容器、壓縮機，從而增加功耗。當閥門關閉時，壓縮機滯后的減載導致吸氣壓力迅速下降造成系統效率下降，由此進一步帶來的壓縮機頻繁加減載甚至啟停，最終會導致系統能耗增加8% [6] 。因此，越來越多的大中型制冷系統采用電動方式對循環桶的液位進行連續調節 ，避免了開關控制帶來的不利因素，提高了系統效率�？紤]到大部分制冷系統長期工作在部分負荷的實際情況，采用電動液位控制會有效的解決循環桶壓力波動的問題。

由于壓力穩定，也有助于蒸發器的蒸發溫度穩定，進而確保溫度控制的穩定性和精確性。

根據觀察，電動液位控制可以有效的把開關液位控制時典型的0.3 bar~0.5 bar壓力波動控制到0.1 bar以內。

表2展示了0.3 bar的額外壓力下降在不同蒸發溫度下帶來的額外能耗增加。

優化前后系統效率模擬對比

為了定量的比較優化前后制冷系統能耗差異，對同一工況的冷庫，建立優化前后的制冷系統模型并進行模擬比較。選擇上海氣候條件作為冷庫的氣候條件，冷庫為雙溫庫，高溫冷間溫度為0 ℃，制冷量250 kW，低溫冷間溫度為-18 ℃，制冷量500kW。兩個冷庫的制冷系統均采用兩級壓縮，閃發式中間冷卻器，并用中間冷卻器為高溫冷間制冷，制冷劑選用氨，循環倍率為3。

圖6展示了兩個制冷系統的共同制冷原理圖

兩個制冷系統的主要運行參數如表3所示。雖然兩個制冷系統都采用了蒸發冷作為冷凝器，未經控制優化的傳統冷庫對冷凝溫度的控制目標為35 ℃，而優化后的系統，其冷凝溫度在20 ℃以上采用浮動控制，換熱溫差統一控制為10 K。在傳統系統里，頂排管作為蒸發器，取平均霜層厚度為10 mm（這樣的排管系統一年進行兩次除霜，實際霜層厚度會超20 mm，效率將下降6.9% [7] ）。對于優化后的制冷系統模型，冷風機作為蒸發器，換熱溫差控制在7K。

采用Pack Calculation Pro軟件對兩個系統進行了模擬。圖7是在上海氣候條件下兩個制冷系統每月能耗的比較結果。根據比較的結果可以發現經過優化的系統年均節電25%（193,135 kWh）。構建這樣一個傳統的制冷系統，初始投資大約需要800萬人民幣，而進行系統優化，新增加成本約80萬。假設每kWh電費為1元，且考慮到優化后的系統實現了全自動控制，減少了50%的人力成本�？紤]5%的利率以及4%的平均通貨膨脹，那么優化后系統的投資回報大約為2.9年。按照整個制冷系統的壽命周期20年計算，優化后的制冷系統在人力成本和能源成本維持穩定的前提下，累計可以為業主減少420萬元的支出，具體經濟性計算結果見表4。

實際案例對比

在實際應用中，由于大型冷庫高度的定制化特性，很難找到兩個具有相同工作條件、負荷大小類似、用途相同的冷庫來進行直接對比。

在此，通過兩個制冷系統類似，使用用途相同的冷庫進行比較。新系統冷庫為2015年國內東部地區新建冷庫，其庫容為58,000 m 3 ，冷間蒸發溫度為-25 ℃，并帶有蒸發溫度為-30 ℃的速凍間，其制冷量為680 kW（不含穿堂和速凍）。該冷庫制冷系統配備了兩級壓縮氨制冷壓縮機組，采用了較多的自動控制手段，如浮動冷凝壓力控制，自動空分，自動熱氨融霜并且對冷風機和蒸發冷進行了合理的選型。與之對比的是同一公司在當地的另一個冷庫。

該冷庫建于1986年，同樣采用兩級壓縮的氨制冷系統，但采用純手動控制系統（手動啟停壓縮機、手動開關式液位控制和手動控制排管）。整個冷庫的庫容約為30,000 m 3 ，制冷量480 kW（不含穿堂）。

統計數據顯示，在冷庫裝貨量在70%~80%的狀態下，舊冷庫的電耗為1.07 kWh/噸/天。而類似的裝貨量和周轉率下，新冷庫的電耗為0.59 kWh/噸/天，從中可以看出新冷庫比舊冷庫減少46%的能耗。

46%的節能效果來源于多個方面，除了制冷系統的優化，還包括保溫、冷庫門、更加標準的操作流程等等。在此可以粗略的考慮兩個冷庫單位容積下的制冷負荷需求。

假設兩個冷庫的制冷負荷與其對應的庫容呈線性關系，對于舊冷庫，其單位容積需要16.00 W/m 3的制冷量，而新冷庫的單位容積只需要11.72 W/m 3的制冷量。這意味著在同樣的氣候條件和存儲條件下，新冷庫由于更良好的保溫性能與密封性以及更好的操作實踐與使用等，給冷庫帶來了較大的能源利用提升，11.72 W/m 3 和16.00 W/m 3 之間有27%的差距，因此將27%的提升考慮到舊冷庫上，則此時舊冷庫經過27%修正后，其能耗應等效為0.78 kWh/噸/天。當然這一提升可能隨著冷庫使用年限的增加而衰減。這樣與新冷庫的0.59 kWh/噸/天相比，經過優化后的新冷庫制冷系統比舊冷庫的傳統制冷系統仍有24%的能效提高，雖然這里包含了壓縮機的效率差異，但總體而言，與模擬的結果十分接近的。

圖8為新舊冷庫能耗分析圖。

結論

通過對大中型冷庫制冷系統的控制進行優化，可以為系統帶來巨大的節能潛力，具體的優化途徑包括對冷凝器、壓縮機、蒸發器側的控制優化。通過軟件模擬和實際對比分析，可以發現這些優化措施可以帶來20%以上的節能效果，而優化措施的投資回報周期相對較短。因此通過技術引進以及針對我國冷庫的特點開發的先進控制方案，提升管理觀念，會使我國的大中型冷庫制冷系統控制水平不斷提高，從而顯著降低我國大中型冷庫的能耗。