制冷系統(tǒng)的節(jié)能設(shè)計(jì)

河南千年冷凍設(shè)備有限公司 崔文升

制冷系統(tǒng)的節(jié)能設(shè)計(jì)

河南千年冷凍設(shè)備有限公司 崔文升

冷庫(kù)節(jié)能是冷藏業(yè)管理的核心環(huán)節(jié)。當(dāng)前，冷庫(kù)的制冷系統(tǒng)，每?jī)鼋Y(jié)1t白條肉平均耗電為110kW，其中高的耗電指標(biāo)為每噸180kW，低的耗電指標(biāo)為每噸70kW；對(duì)于凍結(jié)物冷藏間，儲(chǔ)藏1t凍食品，每天耗電平均為0.4kW，其中高的耗電指標(biāo)為每天每噸1.4kW，低的耗電指標(biāo)為每天每噸0.3kW。可見(jiàn)，冷庫(kù)的能耗存在較大的差別。因此，為了實(shí)現(xiàn)節(jié)能，對(duì)冷庫(kù)制冷系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)改造是很有必要的。本文，筆者主要從以下幾個(gè)方面進(jìn)行闡述。

一、單機(jī)機(jī)組和并聯(lián)機(jī)組的比較

單機(jī)在為負(fù)荷比較穩(wěn)定的冷庫(kù)及冷庫(kù)群提供冷源方面是有優(yōu)勢(shì)的，單機(jī)的電機(jī)功率比并聯(lián)機(jī)組的電機(jī)功率小，單機(jī)的制冷系統(tǒng)比較簡(jiǎn)單，初期投資成本也比較低。但是，在對(duì)負(fù)荷變化比較大的冷庫(kù)特別是冷庫(kù)群，并聯(lián)機(jī)組的節(jié)能優(yōu)勢(shì)就比較明顯。并聯(lián)機(jī)組根據(jù)壓力、溫度等相關(guān)參數(shù)和凍品熱負(fù)荷（或者運(yùn)行冷庫(kù)數(shù)量的多少）自動(dòng)控制開(kāi)停不等數(shù)量的壓縮機(jī)，當(dāng)凍品熱負(fù)荷較大時(shí)，可以由多臺(tái)壓縮機(jī)工作，使凍品在最短時(shí)間內(nèi)降到所需要的溫度，當(dāng)凍品負(fù)荷較小時(shí)，可以由單臺(tái)壓縮機(jī)供冷。表1是單機(jī)和并聯(lián)機(jī)組在相同制冷量的冷庫(kù)系統(tǒng)配置的比較。

表1 單機(jī)和并聯(lián)機(jī)組配置對(duì)比

二、并聯(lián)機(jī)組和雙級(jí)配搭的比較

螺桿式壓縮機(jī)單級(jí)有較大的壓縮比及寬廣的容量范圍，適用于高、中、低溫各種工況，特別是在低溫工況及變工況情況下仍有較高的效率。但是，在低溫工況下的較高效率只是相對(duì)活塞式等其他類(lèi)型的制冷壓縮機(jī)而言的，一般說(shuō)來(lái)，低溫工況對(duì)單級(jí)壓縮的螺桿壓縮機(jī)會(huì)產(chǎn)生諸如容積效率下降、性能系數(shù)降低、欠壓縮、噪聲增大、排氣溫度上升等影響。所以，在蒸發(fā)溫度低于－30℃時(shí)，采用雙級(jí)配搭比較節(jié)能，在蒸發(fā)溫度高于－30℃時(shí)，采用并聯(lián)機(jī)組比較節(jié)能。

同時(shí)，由于雙級(jí)配搭并聯(lián)機(jī)組幾乎可以以任意容積比進(jìn)行配組，可以根據(jù)不同應(yīng)用工況的最佳容積比進(jìn)行選配，確定最佳方案，使系統(tǒng)效率得到提高。此外，可以采用河南千年設(shè)備冷凍有限公司的專利技術(shù)：根據(jù)吸氣壓力開(kāi)停高壓級(jí)壓縮機(jī)，根據(jù)中間壓力開(kāi)停低壓級(jí)壓縮機(jī)；根據(jù)PLC程序控制，在蒸發(fā)溫度高于－30℃時(shí)，采用并聯(lián)機(jī)組制冷，在蒸發(fā)溫度低于－30℃時(shí)采用雙級(jí)配搭制冷；在低壓級(jí)壓縮機(jī)的吸氣管道和高壓級(jí)壓縮機(jī)的吸氣管道中間加入單向閥和截止閥，使制冷系統(tǒng)在每次開(kāi)機(jī)運(yùn)行時(shí)可以快速通過(guò)不節(jié)能的高溫區(qū)（蒸發(fā)溫度高于-30°C）；在低壓級(jí)壓縮機(jī)的排氣管道和高壓級(jí)壓縮機(jī)的吸氣管道的中間加入中間混合桶，并通過(guò)電磁閥組嚴(yán)格控制高壓級(jí)壓縮機(jī)吸入氣體的過(guò)熱度等方式，同樣可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的節(jié)能。

雙級(jí)壓縮循環(huán)對(duì)單級(jí)壓縮制冷系統(tǒng)而言，已經(jīng)極大地提高了系統(tǒng)的COP值，但對(duì)螺桿式制冷劑而言，還可以利用經(jīng)濟(jì)器進(jìn)一步挖掘其潛力。具體做法是低壓級(jí)帶經(jīng)濟(jì)器，將中間冷卻器過(guò)冷出來(lái)的制冷劑進(jìn)一步過(guò)冷，冷凝器（或者儲(chǔ)液器）中出來(lái)的制冷劑經(jīng)過(guò)兩級(jí)過(guò)冷后，其溫度已降低至-30°C～-10°C，較普遍的雙級(jí)循環(huán)系統(tǒng)，其COP值得到進(jìn)一步提高。這種改進(jìn)的雙級(jí)壓縮系統(tǒng)相當(dāng)于一個(gè)準(zhǔn)三級(jí)壓縮系統(tǒng)。

三、變頻控制并聯(lián)機(jī)組

研究發(fā)現(xiàn)，滑閥調(diào)節(jié)壓縮機(jī)在部分負(fù)荷時(shí)不節(jié)能，在滿負(fù)荷時(shí)是節(jié)能的，而變速調(diào)節(jié)壓縮機(jī)在部分負(fù)荷時(shí)節(jié)能，在滿負(fù)荷時(shí)是不節(jié)能的。所以，將滑閥調(diào)節(jié)螺桿機(jī)組和變頻調(diào)節(jié)螺桿機(jī)組并聯(lián)起來(lái)，組成并聯(lián)機(jī)組，發(fā)揮各自的優(yōu)點(diǎn)，避免各自的缺點(diǎn)，能更好地實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的節(jié)能，大概可節(jié)能17%以上。在控制方面，當(dāng)有開(kāi)機(jī)指令時(shí)，先開(kāi)變速調(diào)節(jié)壓縮機(jī)。當(dāng)變速調(diào)節(jié)壓縮機(jī)工作到滿負(fù)荷時(shí)，開(kāi)啟滑閥調(diào)節(jié)壓縮機(jī)，同時(shí)降低變速調(diào)節(jié)壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速；當(dāng)有停機(jī)指令時(shí)，先降低變速調(diào)節(jié)壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速，降到最低轉(zhuǎn)速時(shí)，停止滑閥調(diào)節(jié)壓縮機(jī)，同時(shí)調(diào)整變速調(diào)節(jié)壓縮機(jī)。

四、 多吸氣壓力制冷系統(tǒng)

并聯(lián)機(jī)組作為冷源，在為不同溫度的冷庫(kù)提供冷量時(shí)，由于同一系統(tǒng)的制冷壓縮機(jī)只能在同一個(gè)蒸發(fā)溫度下運(yùn)行，所以不同蒸發(fā)溫度的冷間如果并聯(lián)運(yùn)行，相對(duì)蒸發(fā)溫度較高的冷間就處于不節(jié)能的運(yùn)行狀態(tài)。該冷間熱負(fù)荷越高就越不節(jié)能，應(yīng)當(dāng)盡量避免這種情況的出現(xiàn)。氟利昂制冷系統(tǒng)中一機(jī)雙溫冷庫(kù)的做法，在高溫庫(kù)回氣管上加背壓閥，在低溫庫(kù)回氣管上加單向閥，是人為地提高高溫庫(kù)的蒸發(fā)壓力以滿足實(shí)際要求的做法，是不節(jié)能的典型做法，不應(yīng)提倡而宜廢止。最好的做法就是在設(shè)計(jì)聯(lián)機(jī)組時(shí)，對(duì)不同蒸發(fā)溫度采用不同的壓縮機(jī)，然后再將它們并聯(lián)在機(jī)組架上面，組成多吸氣壓力制冷系統(tǒng)。

五、 制冷系統(tǒng)余熱回收

余熱回收裝置的工作原理是制冷機(jī)組是能量轉(zhuǎn)換設(shè)備，機(jī)組將電能轉(zhuǎn)化為熱能，能量公式為：Qk=Q0+N，其中，Q0是機(jī)組的制冷量，也就是從環(huán)境中吸收的熱能，Qk為機(jī)組冷凝器向環(huán)境放出的熱量，N是輸入電動(dòng)機(jī)的電能。

如果制冷機(jī)組不采取熱回收裝置，則意味著把熱氣散發(fā)到大氣或水中去，不但造成能源浪費(fèi)，而且對(duì)環(huán)境造成熱污染。在制冷量為369.6kW，蒸發(fā)溫度為-25°C，冷凝溫度為+35°C，液體過(guò)冷度為+5K，吸氣過(guò)熱為5K，制冷劑質(zhì)量流量為1 809.5g/s的條件下，當(dāng)排氣溫度為92.10°C時(shí)，過(guò)熱氣體的焓值為464.39kJ/kg，當(dāng)冷凝溫度為+35°C時(shí)，飽和液體的焓值為243.14 kJ/kg，將這部分冷凝熱的40%回收用于加熱工藝熱水，每小時(shí)共計(jì)節(jié)能：（464.39 kJ/kg-243.14 kJ/kg）×1 809.5g/s×3 600s×40%×0.278÷1 000＝160.22kWh。

制冷系統(tǒng)余熱回收的熱量主要用于制取工藝熱水或者生活熱水，比如用于沖澡和清洗地面的水等?？筛鶕?jù)用戶的要求進(jìn)行設(shè)計(jì)選擇。

六、制冷系統(tǒng)熱氣融霜

熱氣融霜是利用制冷系統(tǒng)的壓縮機(jī)把排出的高溫高壓的過(guò)熱蒸汽直接排入冷風(fēng)機(jī)盤(pán)管，制冷劑在盤(pán)管內(nèi)冷卻、冷凝，集結(jié)在冷風(fēng)機(jī)盤(pán)管上的霜層吸收制冷劑放出的熱量，從而達(dá)到融霜的目的。

如圖1所示，采用四管制逆流融霜方式，熱氣從熱氣集管經(jīng)過(guò)截止閥、電磁閥，在等水盤(pán)和冷風(fēng)機(jī)中實(shí)現(xiàn)融霜后，液體通過(guò)單向閥、電磁閥和截止閥回到排液集管，排液集管的液體再排到儲(chǔ)液器里面。由于融霜排液直接排到儲(chǔ)液器，然后參與制冷循環(huán)，對(duì)于制冷系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，沒(méi)有浪費(fèi)額外的能源來(lái)實(shí)現(xiàn)融霜，所以該系統(tǒng)是節(jié)能的。

以某大型冷庫(kù)項(xiàng)目為例，該項(xiàng)目冷庫(kù)凈面積8 500m2，庫(kù)高5.3m，有低溫冷庫(kù)10間，高溫冷庫(kù)24間，其中僅低溫冷庫(kù)電化霜每年消耗的電費(fèi)高達(dá)25萬(wàn)多度，如果采用熱氣融霜的方案，這個(gè)消耗就可以基本避免。熱氣融霜的方案初期投資成本較高，但是在設(shè)備運(yùn)行兩年后，可基本將成本收回。

七、制冷系統(tǒng)控制程序的設(shè)計(jì)

以往庫(kù)房以溫度調(diào)節(jié)為主，對(duì)蒸發(fā)溫度往往不作調(diào)節(jié)，很難達(dá)到較好的節(jié)能效果。在某一運(yùn)行狀態(tài)下如果蒸發(fā)溫度能以庫(kù)房熱負(fù)荷以及制冷系統(tǒng)制冷量為參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，則既能達(dá)到節(jié)能的目的還能使能量調(diào)節(jié)更為合理。一般而言，制冷系統(tǒng)蒸發(fā)器和制冷壓縮機(jī)的配備基本都能滿足最高負(fù)荷的需要。如果冷間熱負(fù)荷減少而制冷量不能及時(shí)作出相應(yīng)調(diào)節(jié)，則制冷系統(tǒng)的蒸發(fā)溫度將會(huì)相應(yīng)降低，使壓縮機(jī)的制冷量與熱負(fù)荷達(dá)到一個(gè)新的平衡點(diǎn)。而蒸發(fā)溫度的降低反過(guò)來(lái)卻增加了蒸發(fā)器的制冷量，面對(duì)已減少的熱負(fù)荷必然形成頻繁啟停的后果。蒸發(fā)溫度每變化1°C，相應(yīng)增減電能約3%～5%。如果及時(shí)調(diào)高蒸發(fā)溫度，使系統(tǒng)在另一個(gè)理想的平衡點(diǎn)上，則不但避免了浪費(fèi)、做到了節(jié)能，還減少了制冷壓縮機(jī)的頻繁啟動(dòng)，是一舉兩得的節(jié)能措施。

八、結(jié)論

以上為制冷系統(tǒng)在節(jié)能方面的考慮，主要是針對(duì)制冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)和控制方面。其實(shí)，制冷系統(tǒng)的節(jié)能不僅僅是在制冷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和控制方面，還包括選擇好的施工單位進(jìn)行施工，對(duì)設(shè)備使用方進(jìn)行設(shè)備運(yùn)行節(jié)能管理方面的培訓(xùn)等，這些方面都會(huì)影響到系統(tǒng)的節(jié)能效率。