冷库系统能耗系数指标计算

    目前，冷库系统能耗系数尚无具体评价指标值，对冷库系统运行是否节能高效还不能给予直观评价。但北京市地方标准   《冷库系统节能监测》   （以下简称   《标准》），在编制过程中开展了冷库系统能耗系数指标计算与评价研究   ，通过实测与计算分析，提出了适合于北京市科学合理评价不同类型冷库运行能耗的具体方法和指标，为《标准》   设定衡量评价冷库系统的运行情况及节能性提供了科学、可靠的技术依据。本文基于此展开。

 

1、冷库系统能耗系数计算

为得到冷库系统能耗系数需得到冷库系统总能量消耗（ＴＥＣ）的值。 冷库系统总能量消耗（ＴＥＣ）为冷库系统制冷电能消耗（ＲＥＣ）和直接电能消耗（ＤＥＣ）的总和， 其中制冷电能消耗（ＲＥＣ）为２４ｈ内制冷系统必须的能量消耗，主要为制冷机组和冷凝器电耗（制冷系统所必须的能量消耗）；  

直接能消耗（ＤＥＣ）指２４ｈ内电气部件的能量消耗，包括照明 、冷风机、融霜、风幕、自控、辅助加热设备及循环泵等满足冷库系统正常运行所需的全部附属设备用电。为得到合理的能耗系数评价指标， 参照冷库设计规范中机械负荷的计算法确定机组的需冷量， 并根据与机组ＣＯＰ的关系计算制冷电能消耗 （ＲＥＣ）的边界值； 依据测试得到的经验结果，计算得到直接电能消耗（ＤＥＣ ）， 最终得出冷库系统总能量消耗（ＴＥＣ）的值， 再除以库容得到能耗系数。 制冷电能消 耗（ＲＥＣ）和机组ＣＯＰ两个参数均采取理论计算和测试相结合的方式，对指碰进行确认。

式中 ： Q ₁ （围护结构热流量）、 Q ₂ （货物热流量）、 Q ₃ （通风换气热流量）、 Q ₄ （ 电动机运转热流量）、 Q ₅ （操作热流量）分别在下述展开计算； R 为制冷装置和管道等冷损耗补偿系数，本文计算时按一般直接冷却系统 1.07 ； n ₁ 为围护结构热流量季节修正系数，一般应根据生产旺季出现的月份按进行取值； n ₂ 为货物热量的机械负荷折减系数，应根据功能进行选值； n ₃ 为同期换气次数，一般取 0.5~1 ； n ₄ 为冷间电机同期运转系数，应根据冷间总数进行选值； n ₅ 为冷间同期操作系数，应根据冷间总数进行选值。

计算冷库能耗的目的是为与实测结果进行印证 ，综合考虑北京地区现有冷库的建筑现状及其制冷系统的实际运行情况，使用式（１）计算时，对系数 n ₁ ~n ₅ 进行了保守取值。

 

1.1 围护结构热流量（ Q ₁ ）计算  

在详细的计算过程中，因设计规范中温差修正系数和各部位总热阻要求不同，需将整个冷库围护结构分为四面外墙和屋面、地面分别进行计算；将冷库按库温范围进行分类，各参数按表１取值。

表１中外墙、屋面、地面总热阻按ＧＢ５００７２ — ２０１０《冷库设计规范》 第４ . ３章规定取值。 其中外墙和屋面总热阻选择设计库温区间中最低库温应的中位热阻，例如设计 库温为 0-10° Ｃ的冷库，外墙和屋面总热阻为 0 度库对应温差下的中位热阻４ . ４４ｍ ° Ｃ／Ｗ； 温差计算时，夏季空气调节室外计算日平均温度依据ＧＢ５０７３６ - ２０１２《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》 附表Ａ中北京市室外计算日平均温度２９ . ６ ° Ｃ进行计算； 对应外墙 , 屋面、地面温度修正系数按 GB50072—2010 《冷库设计规范》取值。

 

１ . ２货物热流量（ Q ₂ ）计算  

 

式中：Ｇ为冷库设计计算吨位；为冷间日进货量，其限值依据冷库功能不同限定，按照保守计算，不考虑货物类型，取中位值，为计算吨位的６ . ５％；即０ . ０６５Ｇ；Ｇ的计算按 GB50072—2010 《冷库设计规范》 3.0.2 规定的公式进行，其中容积利用系数按表 3.0.3 取值； 食品计算密度按表 3.0.6 取值，其中 0~10° Ｃ库按照蔬菜水果混装取 280kg/m 3； -10~0 ℃库按照货物密度取 300kg/m 3； -20~-10 ℃库按照冻取 300kg/m 3； -30~-20 ℃库按照冻鱼取 470kg/m 3；为货物进入冷间冻结前焓值；因冷库中货物种类多种多样，估算时，取 29 ℃对应的不同设计库温的代性货物的焓值。

其中 0~10° Ｃ库取樱桃入库温度 29 ℃对应的焓值 339.8kJ/kg 、 -10~0 ℃库取奶油入库温度 0 ℃对应的焓值 95.1 kJ/kg 、 -20~-10 ℃库取猪肉入库温度 -10 ℃对应的焓值 28.9 kJ/kg 、 -30~-20 ℃库取冰激凌入库温度 -15 ℃对应的焓值 19.7 kJ/kg ； h ₂ 进入冷间冻结后焓值；依据《冷库制冷设计手册》表 3-27 取值， 估算时取不同设计库温的代表性货物的焓值。其中 0~10° Ｃ库取樱桃冻结温度 0° Ｃ对应的焓值 236.3 kJ/kg 、 -10~0 ℃库取奶油冻结温度 -10° Ｃ对应的焓值 23.5 kJ/kg 、 -20~-10 ℃库取猪肉冻结温度 -18 ° Ｃ对应的焓值 4.6kJ/kg 、 -30~-20 ℃库取冰激凌入库温度 -25° Ｃ对应的焓值 -16.3 kJ/kg ； T 为货物冷加工时间，对冷藏间取 24h ， 对冷却间或冻结间取设计时间； B 为货物包装材料或运载工具重量系数，依据《冷库制冷设计手册》 表 3-28 取值，取最保守 0.6 ； t ₁ 为包装材料或运载工具进入冷间时的温度，取 29.6° Ｃ ； t ₂ 为包装材料或运载工具在冷间终止降温时的温度，取设计库温中的最低库温； q ₁ 为货物冷却初 始温度时的呼吸热， 取 30° Ｃ所对应的不同类型蔬菜等货物的较大值 500W/kg ， 仅高温库适用； q ₂ 为货物冷却终止温度时的呼吸热，取设计库温中的最低库温所对应的不同类型蔬菜等货物的较小值 50W/kg ，仅高温库适用。各类参数取值结果见表２。

依据以上说明以及表２取值，货物热流量可依据式（６）计算：

１ . ３通风换气热流量（ Q ₃ ）  

依据 《冷库制冷设计手册》计算，由于实际调研中储藏蔬菜水果的冷库并未设置通风换气装置，冷库运营方表示并未进行刻意的通风换气操作，为使理论计算符合实际调研情况将 Q ₃ 取值为 0 。

１．４电动机运转热流量（ Q ₄ ）  

Q ₄ 按 GB50072—2010 《冷库设计规范》得的冷却设备负荷，选取采用国产优质轴流风机的冷风机作为蒸发器，并以此蒸发器为准计算电初运转热流量。

１．５ 操作热流量（ Q ₅ ）计算  

Q ₅ （操作热流量）依据《冷库制冷设计手册》计算：

式中： Q _d 为每平方米地板面积照明热量，按 2.3W/ ㎡取值； A 为冷间地板面积； h _w 为冷间外空气的比焓，取北京市地区夏季通风室外计算温度和夏季通风室外计算相对湿度所对应的空气焓值； h _n 为冷间内空气的比焓， 按照冷库设计工况下的温度和湿度取空气焓值； n 为换气次数 ，依据《冷库制冷设计手册》取值； v 为库内净尺寸，按保守估计直接取库容； p _n 为库内空气密度， 取设计库温中的最低库温所对应的空气密度； n _x 为操作人员数 ， 依据 《冷库制冷设计手册》 ， 用 V/250 计算； M 为操作人员热量，取 410 Ｗ／个 ； M 为空气幕效率修正系数， 按不设空气幕计算，取值为１。各参数取值见表３。

2、冷库系统能效系数与电能消耗

２．１ 制冷机组能效系数（ＣＯＰ）

机组的用电量与机组运行时候的ＣＯＰ有很大关系， 然而不同机组所用冷媒不同、 运行工况、 运行环境不同， 其ＣＯＰ均不相同。根据前期调研结果， 北京市冷库常用冷媒为Ｒ２２，Ｒ４０４Ａ，Ｒ１３４ａ， Ｒ７１７等４种。 在研究过程中计算４种冷媒在不同蒸发温度、冷凝温度下的理论ＣＯＰ；本文根据库温将冷库划分为４种类型 ， 依据工程设计经验，蒸发温度一般比设计库温低 7~10 ℃， 按保守考虑本规范计算时每种库温按设计库温保守值降低 10 ℃取值，不同冷媒的ＣＯＰ结果见表４。

分析表４数据， 同一冷媒在不同蒸发温度条件下ＣＯＰ从 1.4~3.5 ， 而同一蒸发温度在不 同冷媒情况下基本一致，例如蒸发温度为 -35 ℃时，ＣＯＰ为 1.37~1.47 ， 可见不同冷媒在相同的蒸发、冷凝温度时对应的ＣＯＰ理论值相差不大。因此，本文在计算能耗系数的过程中未考虑冷媒不同带来的差异。 基于以上计算结果， 确定的ＣＯＰ参考值见表５。

 

２.２制冷电能消耗（ＲＥＣ）

冷库制冷电能消耗（ＲＥＣ）采用冷库机械负荷与机组能效系数据式（９）计算：

制泠电能消耗（ＲＥＣ）＝２４ Q ／ＣＯＰ

２．３ 直接电能消耗（ＤＥＣ）

直接电能消耗（ＤＥＣ）指２４ｈ内电气部件的能量消耗， 包括照明、冷风机、融霜、自控、辅助加热设备及循环泵等满足冷库系统正常运行所需全部附属设备用电，这部分的用电量在进行冷库监测时可通过测试得。

本文为计算冷库能耗系数， 设ＤＥＣ／（ＲＥＣ＋ＤＥＣ）＝ｘ；则ＤＥＣ＝ ｘ／（ 1 －ｘ）ＲＥＣ，根据长期测试经验，估算ｘ值取 0.2 ，算得ＤＥＣ＝０．２５ＲＥＣ。

3、冷库系统总能量消耗（TEC）和能耗系数

３．１总能量消耗（ＴＥＣ）

冷库系统总能量消耗（ＴＥＣ）为冷库系统制冷电能消耗（ＲＥＣ） 和直接电能消耗（ＤＥＣ）的总和， 即ＴＥＣ＝ＲＥＣ＋ＤＥＣＳ

 

３．２ 能耗系数  

冷库系统能耗系数指冷库系统稳定运行时每 m 3库容量日耗电量， 即冷库系统能耗数＝ＴＥＣ／ V ， V 为库容。计算过程中，将冷库按不同设计库温、不同库容划分为４类不同等级， 每一个等级取一个冷库作为模型，按上途方法计算得ＲＥＣ，ＤＥＣ等数值，最后计算能耗系數，其中库容的划分参照 GB50072—2010 《冷库设计规范》第 3 章 GB50072—2010 《冷库设计规范》的规定进行；库温的划分依遍 GB50072—2010 《冷库设计规范》第４章的规定进行。不同库温、 库容系数见表６和图 1 。

 

通过表６和图１可以看出， 能耗系数随着库容的增加而逐渐降低且库容超过 1000m 3的太型冷库的能耗系数趋于一致，因此能耗系数确定时， 第 3 、４种库容合并，即分为３个不周的分类进行定值，即库容（小于 2000m 3）、库容（ 2000 － 4000m 3）、库容（大于 1000m 3） 3 个等级。

最终确定北京市《冷库系统节能监测》标准的能耗系数评价指标值见表７。