冷风蓄冷改造库的可行性与模拟研究

石胜强， 刘 斌，张 蕊，于晋泽，王德明

(1.天津商业大学 天津市制冷技术重点实验室，天津 300134；2.华商国际工程有限公司，北京 100069；3.国家农产品保鲜加工中心，天津 300134)

随着国民的消费水平不断提升，日常饮食的选择也越来越多.新鲜果蔬、冷藏肉、冷冻水产品、乳制品、速冻食品等逐渐获得大家的青睐.世界卫生组织更是将日常摄入果蔬含量作为衡量某地区民众的健康水平指标[1-2].然而这些产品在贮藏和运输过程中极易受到损坏，这时冷库作为冷链系统的主要基础设施和重要节点，极大的保证了产品的储存与流通，一定程度上缓解了问题所在[3].因此伴随着人们对这些产品需求量持续飙升，使得冷库行业规模持续扩增.

根据中物联冷链委不完全统计，2019年全国冷库容量达到6 052.5万吨(折合约1.51亿立方米)，新增库容814.5万吨，同比增长15.55%[4].2015—2019年全国冷库容量变化情况如图1所示，从1图中可以发现尽管在2018年冷库容量增长率稍有下降，但总体而言增长水平仍是大幅度上升，尤其是2019年增长率达到了15.55%，这也变相说明冷库行业对于人们的生活愈发重要.

图1 2015—2019年全国冷库容量变化情况

现阶段冷库虽然容量逐年增长，全社会物流系统建设却依然存在结构性失衡.就水果和蔬菜而言，2019年水果和蔬菜的流通损失分别高达20%和30%[5]，这其中半机械化冷库被轻视是重要的原因之一.因为众多冷库的兴起中大多数为机械制冷恒温库，而单纯依靠自然冷源(如冰、冷风等)进行保鲜的通风库和土窑洞逐渐被废弃.然而就水果蔬菜产地源头的广大农村，其基础设施投资与技术研发，远远落后于城市，尤其是一些刚刚摘掉贫困帽子的偏远山区差距更大.考虑到我国当前果蔬产地的发展现状，迫切需要低成本节能、惠民惠农的半机械化冷库.与此同时，我国自然冷源丰富，合理的利用自然冷源，开发低成本、高效能的改造库成为了缓解产地冷库现状的重要举措之一.

为响应国家发展改革委在《储能技术专业学科发展行动计划(2020-2024年)》中提出的清洁低碳、安全高效的号召[6]，以及农业农村部下发的《农业农村部关于加快农产品仓储保鲜冷链设施建设的实施意见》中提出的关于建设节能型通风贮藏库、节能型机械冷库、节能型气调贮藏库等意见[7]，众多学者将目光投注于自然冷源蓄冷技术上.如Stefanie Paulini等[8]通过CFD软件研究了蓄冰系统中冰生长的建模；Xu Song等[9]分析了水蓄冷与冰蓄冷复合蓄冷系统的经济可行性；Cheng Yu等[10]研究了泡沫金属对冷蓄热(CTES)系统蓄冰性能的影响等等.本文着重关注于自然冷源中的冷风蓄冷技术，通过分析2020年我国果蔬生产基地本年度的自然冷风情况并选取河北承德某一冷风蓄冷改造库，利用软件模拟不同风速下改造库内的温度分布从而验证冷风蓄冷改造库的可行性.

1 冷风蓄冷利用介绍

1.1 背景及意义

自然冷源(Natural Coolness Resource，NCR)是指在自然界中存在的可以直接用来作为制冷空调，消除热量的资源[11].如图2所示，自然冷源通常以雪，自然冰，寒冷空气以及深层地下水等不同方式呈现.

自然冷源蓄冷技术主要包括以下几个部分：水蓄冷、雪蓄冷、冰蓄冷、冷风蓄冷.其中水蓄冷是利用3 ℃～5 ℃的低温水进行蓄冷，它靠控制蓄水量和蓄水温度来控制蓄冷量，基本原理是水的比热容较大，在质量相同，吸热也相同时，升温较慢，与此同时水蒸发要吸热，从而会带走很多热量，使周围温度下降[12].雪蓄冷是利用雪的密度小，通过机械将其压缩为冰，然后放在贮藏室内[13].冰蓄冷是通过寒冬时节采掘江河湖海的冰块，然后将其放在贮冰室中贮藏备用.这其中利用雪、自然冰进行贮藏的基本原理是冰在由固相向液相转变时放出大量潜热，从而带走果蔬本身所存在的呼吸热[14].冷风蓄冷是利用春秋冬三季较低温度的冷风对室内货物和墙体降温起到一定的蓄冷作用.基本原理是通过密度随温度变化而产生的流体一部分用来消耗果蔬的降温和呼吸热，另一部分冷却室内墙壁进行蓄冷.

我国地域辽阔，南北纬度，东西经度跨度大，气候丰富，气温跨度也大，包括了热带季风气候、亚热带季风气候、温带季风气候、高原气候、温带大陆性气候5种气候类型.其中我国大部分北纬30°以北的内陆地区都是温带大陆性气候，在最冷的月份里温度能保持0 ℃以下.而亚热带季风气候的华南华北在最冷的月份里温度达到-8 ℃～0 ℃，温带季风气候的内蒙古和新疆北部在最冷的月份里平均气温在-28 ℃～8 ℃，高原气候日平均气温低于10 ℃.总而言之，我国绝大多数地区可利用的自然冷风十分可观，具有很大的开发和利用价值.与此同时，较于水蓄冷、雪蓄冷以及冰蓄冷，四种蓄冷方式中，冷风蓄冷在地理位置和气候环境上受限最少，可利用时间最长.现阶段自然冷源改造库中，冷风蓄冷形式的改造库更多，对冷风蓄冷的开发与利用所投注的精力更大.

1.2 可行性分析

0 ℃是水开始相变的转折点，当水小于0 ℃时水开始冻结；反之开始融化.因此，日平均气温低于或高于0 ℃的时间是评价能否开发利用自然冷源最为重要的气候指标[15].然而仍有一部分果蔬，在0 ℃以上甚至10 ℃以上反而贮藏得更久.表1给出了部分常见果蔬的最佳保鲜温度和保存期，从表1得知，大部分陈列的果蔬最佳温度都在0 ℃以上，有些蔬菜(如马铃薯、南瓜、番薯、番茄)甚至达到了20 ℃，这在一定程度上证明了0 ℃以上的自然冷风在贮藏果蔬上具有一定的价值和可行性.

结合表1选取我国十大蔬菜生产基地(山东寿光、河北张北、四川彭州、云南元谋、山东莘县、河北永年、河南新野、广东湛江、甘肃张掖、甘肃兰州)以及十大著名水果生产基地(洛川苹果、东明西瓜、徐闻的香蕉菠萝、余姚杨梅、烟台樱桃、吐鲁番葡萄、茂名荔枝、百色芒果、奉化水蜜桃、文昌椰子)，通过分析每个基地在2020年的月均平均低温和月均平均高温以及果蔬品种适宜的贮藏温度从而探讨利用冷风蓄冷贮藏果蔬的可行性以及年均可进行引入自然冷风的时间.

表1 部分果蔬最佳保鲜温度及保存期[16]

选取温度5 ℃作为是否可使用自然冷风的判定标准.结果表明，对于蔬菜基地，结合图3、图4发现仅有河南新野和广东湛江这两处蔬菜生产基地因全年温度均高于5 ℃而无法使用自然冷风蓄冷外，其余8个蔬菜生产基地或多或少存在温度低于5 ℃的情况.尤其是河北张北、甘肃张掖、甘肃兰州这样的北方城市，由于纬度偏高，月均平均低温一年中有半数之多.特别像甘肃兰州地区月均平均高温仍有5个月(1月、2月、3月、11月、12月)依然不高于5 ℃.因此，这样的基地，在当地构建冷风蓄冷改造库贮藏蔬菜的发展前景巨大，可充分利用自然冷风的资源众多.

对于水果基地，结合图5、图6发现像徐闻、文昌、茂名、百色这四处水果生产基地因地处热带且当地所生产的水果均是如椰子荔枝这样的热带水果，从而全年温度过高只能使用机械制冷，其余水果生产基地均可合理利用自然冷风蓄冷技术进行保鲜.这其中像洛川这样的北方水果生产基地月均平均低温在2020年这一年内有着超过一半的时间低于5 ℃(1月、2月、3月、4月、10月、11月、12月)，而月均平均高温仍有2个月(1月、12月)低于5 ℃，充分证明了我国北方自然冷风的丰富以及可以用于贮藏水果的可行性.

2 冷风蓄冷改造库具体实例

为深入探究冷风蓄冷利用技术在果蔬贮藏上的可行性，选取河北省承德市宁民农牧专业合作社在果蔬产地参与建造的冷风蓄冷改造库进行模拟与分析，如图7所示.

图7 冷风蓄冷改造库示意图

2.1 改造库概况

承德市位于河北省东北部，范围介于北纬40°12′-42°37′，东经115°54′-119°15′.华北平原与东北平原链接过渡地带，地势由西北向东南阶梯下降，西北部位于坝上高原地区，海拔多在1 200 m至2 000 m，东南地势较低[17].河北省承德市为温带大陆性季风型山地气候，四季分明.冬天寒冷少雪；春秋季气温偏低，降水少；夏季凉爽，雨量集中，全年平均气温10 ℃.结合图8以5 ℃为判定是否适用自然冷源，发现在承德地区2020年月均平均低温低于5 ℃有7个月，即1月、2月、3月、4月以及10月、11月、12月；而月均平均高温仍有3个月低于5 ℃，即1月、2月、12月.在这一时间段可利用的自然冷风十分可观，有很大的开发和利用价值.

整个冷风蓄冷改造库结构尺寸为39 m×19.8 m×3.3 m(长×宽×高)，这其中包括了18个贮藏室，走廊，装卸货物回转场地、升降梯等等.每个贮藏室的结构尺寸为3.9 m×8.4 m×3.3 m(长×宽×高)，这其中包括了自然冷风均匀送风风管，排风扇，温湿度传感器，PLC智能控制柜，机械制冷装置等.

冷风蓄冷改造库的运转过程，如图9所示.当室外温度和室内温度超过设定温度时，自然冷风风机关闭，机械制冷风机开启，整个冷库恢复成机械制冷.当室外温度在极限温度与设定温度之间时，机械制冷风机关闭，自然冷风风机开启，冷风通过库外通风风阀进入主进风管从而到达走廊.贮藏室通风风阀打开，与走廊内气体混合后的冷风进入自然冷风均匀送风风管.自然冷风均匀送风风管安置在果蔬成列架下方，冷风从管内缓慢溢出从而在贮藏室内与原空气充分混合，最终经排风扇排除.当室外温度低于果蔬贮藏温度太多时(如室外温度≤-10 ℃)，为防止整个冷库温度波动太大从而影响果蔬贮藏时的品质，需要控制自然冷风风机启停各一段时间.整个过程中温湿度大小通过设置在每间贮藏室内的加湿器、温湿度传感器、阀门以及相应的探头反映，并最终通过PLC进行控制从而使得整个冷库能在所需的温湿度条件下自行调节并能达到稳定.

2.2 模拟分析

选择使用COMSOL Multiphysics 5.6进行模拟，分析自然冷风5 ℃，不同风速下冷库中的蓄冷情况[18].同时由于18个贮藏室规格一致，且进风、回风相同，忽略装卸货物处、升降梯等处热损失，因此简化模型，单独分析某一间贮藏室的热流情况，进而分析探讨整座冷风蓄冷改造库，并在以往模拟实验的基础上对单间贮藏库进行了如下改造[19-20]：

(1)模型与实际尺寸按照1：1大小构建，即结构尺寸为3.9 m×8.4 m×3.3 m(长×宽×高)，两侧和顶部围护结构的厚度均为0.3 m，并选择聚氨酯作为保温层.

(2)为考虑不同送风速度(如1 m/s、1.5 m/s、2 m/s)、不同时间下改造库的蓄冷能力，送风口和排风管的大小和位置不变，通风风阀设计为0.4 m×0.4 m，排风管直径为0.3 m.

单间冷风蓄冷改造库的网格划分示意图，如图10所示.整个几何模型直接通过COMSOL Multiphysics 5.6构造，并在通风风阀与排风口处细化网格.

图10 单间冷风蓄冷改造库网格划分示意图

根据公式(1)求得通风风阀的当量直径为0.4 m并通过查表可知，当室外冷风温度为278.15 K时，在一个标准大气压下，其运动粘性系数ν=1.35×10-5m2/s.因此根据公式(2)求得所分析速度下，Re的范围为2.96×104～5.93×104，其值在104～106范围内，从而判定为旺盛湍流.

(1)

(2)

公式中：de为当量直径，m；Ac为横截面积，m2；P为湿周，m；Re为无量纲雷诺数；u为入口速度，m/s；d(即de)为直径，m；ν为运动粘度，m2/s.

选择单间冷风蓄冷改造库某处进行温度研究(如图11所示为改造库的几何中心)，在通风风阀通入初速度为1 m/s、1.5 m/s、2 m/s的自然冷风后，冷库几何中心在10 s，30 s，50 s，60 s的温度，如图12所示.

图11 单间冷风蓄冷改造库几何中心

图12 不同坐标下研究对象的温度分布情况

因此选择固体与流体传热物理场以及“湍流，(k-ε)”物理场接口进行耦合.通过瞬态求解从而获得不同时间下通入相同温度不同风速的自然冷风后改造库的蓄冷情况.

由图11中可以看出，研究对象在10 s时尽管添加了不同风速的自然冷风，温度因为时间过短依然保持不变.但10 s过后，除了U0=1.5 m/s，t=60 s；U0=2 m/s，t=50 s；U0=2 m/s，t=60 s这三种情况，其余温度均随着Z轴坐标的变大而升高直至到达改造库顶部的绝缘温度20 ℃.这也变相说明由于初始风速不够大，从而短时间内自然冷风并没有弥散整个改造库，造成改造库的温度并没有完全降下来.但是，当风速逐渐增大，时间逐渐延长时(如U0=2 m/s，t=50 s；U0=2 m/s，t=60 s)，温度随着Z轴坐标而减小，此时自然冷风已经充分扰动整个改造库，改造库的温度得到了明显的下降.

2.3 实验分析

2.3.1 温度对比分析

结合模拟，将冷风蓄冷改造库与普通库在承德由秋转冬的一个季度内进行试验，结果如图13所示.贮藏试验的前期，冷风蓄冷改造库和普通对比库温度变化由于果蔬刚采摘都比较平稳，基本维持在10 ℃～15 ℃范围内.而贮藏试验的中期，室外环境温度持续降低，并达到-10 ℃以下，此时冷风蓄冷改造库通过自然冷风与走廊热风进行充分混合，加热系统同时自动加热，从而使得整体温度维持平稳.普通对照库因缺少控制系统，导致库温完全受到室外环境温度的影响，库内温度幅度变化极大.在贮藏的后期，室外环境温度持续偏低，普通库库温波动更大，改造库内温度却依然保持稳定.

图13 不同时间温度变化图

2.3.2 经济节能分析

用于引入冷风蓄冷的轴流风机和使用机械制冷的冷风机的参数对比，如表2所示.相对于机械制冷需要压缩机、冷凝器等设备，冷风蓄冷单纯通过轴流风机引入冷风.

表2 轴流风机和冷风机设备参数对比

实验从2020年10月1日开始至2020年12月31日结束，整整3个月内承德的平均温度为-5.8 ℃，因此拥有着丰富的冷风资源可以利用.轴流风机和冷风机的启停时间，如图14所示.由图14可知在整个冷库使用期间，一开始由于温度还是很高机械制冷占比较大，但随着时间不断推移，到12月份可以完全使用冷风蓄冷.

图14 轴流风机和冷风机启停时间对比

整个实验过程中轴流风机启停时间和机械制冷的时间分别为1 461.39 h和366.55 h，分别占比约80%和20%.因此部分利用冷风蓄冷相对于全部使用机械制冷经济节能可按照公式(3)进行计算：

(3)

公式中：E为节约能耗；PM为机械制冷的功率，W；PC为轴流风机的功率，W；hM总为总利用的小时数，W，一共1 827.94 h；hM1为制冷机启停时间，h，一共366.55 h；hM2为轴流风机启停时间，h，一共1 461.39 h.

根据公式(3)从而将所得数据代入公式得出在本次实验中利用冷风蓄冷进行贮藏相比纯机械制冷能节约65.84%，进一步验证了冷风蓄冷节能性.一般机械制冷为保鲜的货物1吨的天用电量为0.4度，本案例中贮藏货物为20吨，3个月的贮藏期内，机械制冷的用电量为720度电，冷风蓄冷的节约用电量为474度，工业用电价格为1.1元，节省431元.一台360 W的轴流风机的市场价格为150元，运行一个月就可以收回投资.

3 总 结

结合我国常见的5种气候温度分布以及自然冷风相对于其他蓄冷技术的优势，以5 ℃作为划分自然冷风是否能够引入冷库的分界线，分析了我国十大著名水果蔬菜生产基地在产地源头构建冷风蓄冷改造库引入自然冷风的可能性.

结果表明，对于蔬菜基地，仅有河南新野和广东湛江这两处蔬菜生产基地因全年温度均高于5 ℃而无法使用自然冷风蓄冷，其余8个蔬菜生产基地或多或少存在温度低于5 ℃的情况，尤其是河北张北、甘肃张掖、甘肃兰州这样的北方城市、高原地区月均平均低温一年中有半数之多可充分引入自然冷风进行蓄冷.

对于水果基地，徐闻、文昌、茂名、百色这四个水果生产基地因地处热带全年温度过高只能使用机械制冷，其余水果生产基地可合理利用自然冷风蓄冷进行保鲜.这其中洛川这样的北方水果生产基地月均平均低温在2020年这一年内有着一半的时间低于5 ℃，而月均平均高温仍有2个月低于5 ℃，更是充分证明了我国自然冷风的丰富以及冷风蓄冷可以利用的可能性.

以河北承德某冷风蓄冷改造库为例，详细介绍了冷风蓄冷改造库自然冷风机型蓄冷与机械制冷双向切换流程，并结合模拟分析了不同风速，不同时间引入自然冷风后改造库中冷风能充分混合到达降温效果.通过与普通冷库进行温度对比以及经济节能分析，发现在实验中相比于纯机械制冷，利用冷风和机械混合制冷其经济节能可达65.84%，更是反映了引入冷风蓄冷后改造库整体的稳定性.

种种分析，表明了我国自然冷风丰富，冷风蓄冷现实可行并存在着广阔的利用前景，对于我国果蔬贮藏及冷库节能具有现实而广远的意义.