节能型超市展示柜的探讨

【摘要】本文从结构优化和系统设计方面阐述了超市冷冻冷藏陈列柜的有关节能技术, 如风幕及蒸发器的优化设计、防露加热器的智能控制、并联机组的使用、液体制冷剂过冷、合适的融霜方式及融霜控制等,并分析比较其特点, 指出其应用前景。

【关键词】陈列柜, 结构优化, 配套技术, 节能

中图分类号：TE08 文献标识码：A 文章编号：

1 前言

随着人民生活水平的提高, 生活节奏的加快,便利店、超市、购物中心等越来越受到人们的欢迎, 在全国各地如雨后春笋般涌现, 用来存储鱼、肉、果蔬等冷冻食品的商用陈列柜因此倍受商家青睐。然而冷冻冷藏陈列柜的能量消耗非常大, 如在美国三万家超市里, 陈列柜的电费相当于所有商品的价格总和的1 % , 也等于其网上购物的销售利润之和。另外以日本一家标准超市为例, 用于陈列柜的电力消耗占整个超市电力消耗的一半以上。因此陈列柜的节能非常重要, 但是陈列柜的节能不仅需要陈列柜本身技术开发, 而且需要与陈列柜使用运行的一系列配套技术的改进和发展。冷冻冷藏陈列柜的节能可以从两个角度考虑:即从结构设计和系统方面考虑。从结构方面考虑有风幕的优化设计、蒸发器的优化设计、防露加热器的智能控制、夜间罩的使用等等。从系统方面考虑可采用以下几种方式: 并联机组、液体制冷剂过冷等

2 陈列柜结构的改进

2.1 风幕的优化设计

陈列柜种类很多, 按照产品封闭性, 有敞开式和密闭式陈列柜之分。密闭式陈列柜能耗小, 敞开式因为与外界直接相通, 热湿交换强烈, 能耗往往是密闭式的两倍。对于敞开式陈列柜, 为保证柜内温度, 必须采用风幕的方式，来阻挡外面热湿空气的渗入。目前广泛采用高效蜂巢式出风口，可以减小出风流扰动强度, 整流效果较好, 出风速度也较为均匀, 从而减弱了环境空气与冷空气的换热。理论上用偏离数Dm来表示风幕封闭敞口的能力, 其值等于风幕出风口空气动量与风幕两侧空气压力差之比。为保证风幕的封闭能力, 需要保证最小的偏离数。偏离数受风幕的送风速度和温度影响很大, 送风速度过小, 风幕起不到封闭的作用。一般为保证风幕封闭敞口的能力, 陈列柜的送风速度偏大, 导致风幕外侧与环境空气相接处, 速度梯度较大, 该处动能交换强烈, 卷吸进的热湿空气及外溢的冷空气因此而大大增加, 从而增加了陈列柜的制冷负荷以及融霜时间和融霜次数。低温立式敞开式陈列柜一般采用双层或三层风幕, 这样可以适当提高内层风幕的风速, 适当降低外层风幕的风速, 同时风幕厚度增加了两倍, 从内到外风速递减, 风幕效率会大大提高。如在环境温度为25 ℃, 相对湿度为60 %时, 双层风幕陈列柜的冷负荷仅为单层风幕的55 %[1 ] 。如果在蜂巢式出风口之前采用合理的整流板, 调整出风口风速场, 使出风口送风速度从柜内到柜外逐渐递减, 降低出风口外侧(与环境相通一侧) 速度梯度, 使外侧的扰动强度尽量减小, 则卷入的热湿空气以及在陈列柜下部外溢的冷空气就会相应减小, 因此降低了陈列柜的能量消耗。

2.2 合理的蒸发器形式

合理而高效的蒸发器应该结霜均匀, 制冷运转时间较长, 融霜时间短, 融霜次数少。实验表明,翅片间距不变的蒸发器结霜很不均匀, 一般下部先结霜(迎风面) , 与整个蒸发器相比, 结霜严重,同时随着霜层的加厚, 冷风送风量明显减少, 柜温上升快。当蒸发器迎风面翅片间距增大, 背风面间距不变时, 结霜情况有所改善, 但仍然不很均匀。若采用三种翅片间距组合, 则效果将会更好。国内蒸发器一般做成一个整体, 融霜时制冷系统停止运行, 融霜加热启动, 融霜时间较长, 柜内温度波动大, 能耗也大, 并且融霜热量仅有15 %有效, 其余75 %耗散在柜内。如果采用模块化蒸发器, 不间断制冷的热蒸气融霜方式, 能明显降低能耗, 融霜时间由20 分钟左右缩短到7～9 分钟, 柜内温度波动小, 既保证了食品的品质, 又延长了食品的储存时间。这种陈列柜一般做成两个或者三个蒸发器模块, 融霜时依次融霜, 总有蒸发器在制冷。为保证制冷中的蒸发器冷风机循环在风道中, 设置有切换风门, 在风道中设置了电磁阀和自动控制线路等装置, 融霜结束后, 几个模块蒸发器又可同时制冷。

2.3 防露加热器的控制

由于冷冻冷藏陈列柜内要求温度较低, 柜内外壁面、扶手, 以及蜂巢式出风口处均易结露、结霜, 尤其是蜂巢式出风口的结霜会逐渐堵塞蜂窝孔, 严重降低冷风送风量, 所以这些地方均设有软线加热器防止结露。加热器的功率一般按照夏季温湿度最大的恶劣环境进行设计。对于低温立式敞开式陈列柜, 防露加热器的功率消耗甚至占陈列柜总电耗的16 %以上。随着季节的变化, 环境温湿度均发生了比较大的变化, 柜内各处的结霜情况必定随之发生变化,因此有必要随环境温湿度的改变而改变防露加热器的功率, 以此降低陈列柜能耗。如利用放置在超市内的温湿度传感器检测室内的温度和相对湿度, 或者利用放在陈列柜内的传感器检测柜内结露部位的温湿度, 根据相关温湿度的变化调整防露加热器的功率。

3系统技术的改善

3.1 并联机组

当前大多数超市都是按照陈列柜在夏季的最大冷负荷来选择压缩冷凝机组的。而在一年当中，陈列柜具有最大冷负荷的时段一般都在夏季的中午或下午，而在夏季的早晚或春秋冬季节时，陈列柜的冷负荷都不能达到最大。因此，对陈列柜而言，若只选择一台压缩机，则必定导致压缩机只有在夏季的中午或下午时才能发挥其最大功效，而在一年中的其他时段，压缩机所作的功，除了满足陈列柜必需的冷负荷外还有大量富余被白白浪费掉了，即出现“大马拉小车”的现象。这是非常耗能且不经济的。基于此，研究者们提出了一种可根据陈列柜冷负荷变化而启停压缩机的”多机并联技术”， 此项技术关键就是在一个陈列柜制冷系统中将多台(两台或两台以上)压缩机(功率相同也可不同)并联在一起，并采用微电脑控制，当在夏季的中午或下午时，微电脑控制器将所有压缩机开启以满足陈列柜的最大冷负荷，而在其他时段，微电脑控制器又可根据陈列柜冷负荷的变化选择合适的压缩机台数以防富余功率的白白浪费。通过对单台机组和采用微电脑控制器的多台并联机组耗电对比可知，采用微电脑控制器的多台并联机组是非常节能的。

3.2 采用混合制冷剂过冷系统

在一定的冷凝温度和蒸发温度下, 采用过冷循环理论上总是有利的, 而且过冷度越大, 对循环越有利。但是仅仅依靠冷凝器本身来使液体过冷, 其过冷度总是有限的。若采用辅助循环过冷主循环中冷凝器出口到节流阀入口的液体制冷剂, 可提高制冷循环的效率, 达到节能的目的。图1 是设计的带混合制冷剂过冷的循环系统图, 在辅助循环中使用了一个三支流的热交换器, 去变温过冷主循环中的液体制冷剂。选配合适的混合制冷剂可较好的实现其变温过冷过程。表1 列出了辅助循环采用不同制冷剂进行过冷时主循环性能的改善情况, 主循环采用制冷剂R507 , 辅助循环分别采用R22、混合制冷剂1 和混合制冷剂2 进行过冷。由图表可以看出采用合适的混合制冷剂辅助循环过冷主循环制冷剂液体能够显著提高制冷循环的制冷量和COP 值。采用辅助循环后增加的制冷量可以给更多的陈列柜提供冷量, 或者在保持原来制冷量的基础上, 选用较小功率的制冷机组。实验证明, 带辅助过冷循环的制冷系统, 虽然系统要复杂, 设备要增加, 但采用合适的混合制冷剂后, 系统进行的制冷效率可提高40 %以上, 是采用常规冷凝器机械制冷过冷效率的两倍, 同时采用结构紧凑的三支流过冷器, 省去了原冷凝器机械过冷的体积, 在制冷量不变时, 使由主辅循环做成的机组整体体积大小甚至比原机组降低30 %。

表1 采用不同制冷剂进行过冷时主循环性能改善的比较

图1 带过冷循环的制冷系统

4 结束语

随着大型超市的不断发展, 冷冻冷藏陈列柜的使用量越来越大, 陈列柜的节能越发显得重要。陈列柜的节能一方面要求本身结构和技术的改进, 如优化设计风幕、蒸发器结构、防露加热器的控制等; 另一方面与陈列柜使用运行的一系列配套技术也必须发展, 如并联机组的应用、新工质的采用、载冷剂系统的使用等; 同时对超市空调环境的温湿度也有一定的要求。只有综合考虑各种相关因素,才能最大限度降低冷冻冷藏陈列柜的能量消耗