双碳背景下的制冷系统改造路径和实施方案

<img src="http://lksj.rpxpx.com/uploads/image/20220809/1660036023330928.png"/>  <img src="http://lksj.rpxpx.com/uploads/image/20220809/1660036023330928.png" title="1660036023330928.png" alt="1660036023330928.png" width="497" height="649" style="width: 497px; height: 649px;"/> Co-elite冷链社群是由冷库视界组建的致力于开展冷链行业上下游知识、经验、技术、洞察和资讯交流与分享活动的线上社群，群内人群主要分为甲方货主、技术、规建、工程、投资、物流、供应链板块负责人，也有相关工程、技术、设备服务商高管与行业专家等。冷库视界将不定期邀请到群内成员为大家分享行业洞察与思考、优秀案例、管理模式等助力企业自我改进。 本期我们有幸邀请到英诺绿能首席科学家顾众博士来为我们做一场关于双碳背景下制冷系统的改造途径和实施方法的分享，顾博士在海外留学工作多年，亲眼见证发达国家先进低碳的制冷系统工程，也意识到国内外的差距。相信通过顾博士专业的分享，可以为冷链行业同仁带来冷库工程低碳实施路径的思考。  一、制冷消耗大量能源 制冷技术自开利博士1905年发明第一台空调以来，彻底改变了人类的生活方式，实现了对环境温湿度的人工控制，通过做功使能量实现迁移从而改变空气、食品和物质的温度。但是随着制冷技术的发展，大量使用能源和不环保的化学制冷剂，导致温室效应不断加剧，臭氧层破坏，单就食品冷链，我国每年就要消耗2200亿的电能，当我国达到发达国家一样的冷链覆盖率，每年电费就会超过1万亿。 <img src="http://lksj.rpxpx.com/uploads/image/20220809/1660036053754894.jpg" title="1660036053754894.jpg" alt="1660036053754894.jpg" width="497" height="301" style="width: 497px; height: 301px;"/> 图 1 - 2018年食品冷链的能源消耗 目前我国主要以火电为主，电力消耗将以4倍的排放污染大气和环境，在“双碳”政策的大环境下，冷链发展必须未雨绸缪，积极推广低碳绿色的制冷技术保证冷链的可持续发展，用最小的能源消耗获取最大的制冷/制热量，实现最精确地温度控制，从而降低成本，提高品质，真正实现食品的自然生态循环。  二、化学制冷剂产生的温室效应 低温制冷大量使用R507等高GWP的HFC制冷剂，制冷剂的温室效应强烈,GWP达到3900倍，我国于2021年9月15日向联合国承诺正式执行蒙特利公约下的基加利补充协议，削减HFC制冷剂的使用，新的冷库设计规范也明确规定大中型冷库不应使用氟烃类制冷剂直接制冷，对标欧洲对HFC制冷剂的政策和措施，通过提高HFC制冷剂的价格和控制HFC系统的功率和灌注量有效加快推进绿色制冷技术的普及，氟利昂的价格和所等同的碳税关联，最后通过碳税来帮助补贴绿色制冷技术。这样的方法值得我们借鉴。 <img src="http://lksj.rpxpx.com/uploads/image/20220809/1660036076546780.jpg" title="1660036076546780.jpg" alt="1660036076546780.jpg" width="497" height="227" style="width: 497px; height: 227px;"/> 图2 - 北欧各国消减HFC制冷剂的政策措施  三、低碳制冷系统 1、顺应自然的制冷制热方法 当现代科学技术没有被发明和应用之前，大自然是平衡的，能量的产生和消耗维持了地球温度的基本稳定，制冷技术未来的发展也应该本着尊重规律顺应自然的发展方向，从而减少对化石能源的消耗，对大气的影响和对环境的损伤。 <img src="http://lksj.rpxpx.com/uploads/image/20220809/1660036110141401.jpg" title="1660036110141401.jpg" alt="1660036110141401.jpg" width="497" height="136" style="width: 497px; height: 136px;"/> 图3 - 顺应自然是冷链减碳的最好途径 未来低碳绿色的制冷系统应该能够通过能量的运输储存和使用，实现制冷成本和碳排放的最低，从整个能源系统角度去控制制冷系统，从而为食品供应链提供最精准的温度控制以实现食品最高价值、优化的设备投入和最低廉的运营成本。 通过冬天自然冷和夏天自然热的收集、利用和回收降低能耗；通过冷热联供同时提供食品保值储存需要的冷和食品加工需要的热；通过蓄能技术解决昼夜、高峰低谷电价的不平衡；通过阶梯制冷解决夏天和冬天负荷的严重失衡。最终通过多系统的优化组合互补减少设备和能源的浪费以达到减碳提效和降本的目的。 <img src="http://lksj.rpxpx.com/uploads/image/20220809/1660036125199918.jpg" title="1660036125199918.jpg" alt="1660036125199918.jpg" width="497" height="433" style="width: 497px; height: 433px;"/> 图4 - 符合自然规律的集成智能温控系统 2、机组小型化减少用地和材料消耗 制冷系统特别是大型冷库系统需要使用大量的钢材，材料的消耗也会间接产生碳排放，一吨钢材等同约两吨的碳排放，设备的小型化和选用紧凑的设计也是减碳的重要途径，所以要优先使用单位容积制冷量大的制冷方式，优化制冷循环、换热器和管路的设计，改变粗旷笨重的设计理念，节省宝贵资源、降低材料成本和节省用地空间应该成为未来制冷系统的方向之一，精致、美观、人机友好符合人类追求美好的愿望，更符合低碳节约的发展理念。 特别对于有现有重大危险源的冷链系统改造，小型紧凑的系统能够在不拆除原系统的情况下对系统进行平行改造，不影响企业正常生产，大大降低企业的改造成本。 <img src="http://lksj.rpxpx.com/uploads/image/20220809/1660036143928228.jpg" title="1660036143928228.jpg" alt="1660036143928228.jpg" width="497" height="202" style="width: 497px; height: 202px;"/> 图5 - 高容积制冷能力和集成设计大幅降低资源和空间占用 3、选择最合适的冷媒组合 传统制冷一般都用一种制冷剂去灌注不同温区的系统，冷媒选择的原则是在绝对保证安全的前提下，尽量降低整个系统的温室气体排放，即降低制冷剂的总GWP和提高全温区的制冷效率。 <img src="http://lksj.rpxpx.com/uploads/image/20220809/1660036163717338.jpg" title="1660036163717338.jpg" alt="1660036163717338.jpg" width="497" height="219" style="width: 497px; height: 219px;"/> 图6 - 不同制冷方式在不同温度下的压缩制冷效率 从图上得知， 氟利昂和氨制冷在中高温区有效率上的优势，而现在比较常用的二氧化碳复叠在低温区有显著能效优势，所以兼顾环保和效率的改进方法是：利用现有氨氟设备实现中温制冷，通过中间冷凝蒸发器匹配一套亚临界二氧化碳系统给低温供冷，同时冷凝蒸发器输出中温二氧化碳制冷剂通过泵供液给中温区供冷，这样的制冷方式很好利用了氟利昂制冷剂中温效率高优点，解决了大量使用氟利昂导致的环保问题（图7-1），发挥了二氧化碳在低温区优异制冷性能（图7-4），同时也有效控制二氧化碳临界温度低所导致的运行压力高的问题（图7-3）。 <img src="http://lksj.rpxpx.com/uploads/image/20220809/1660036176292558.jpg" title="1660036176292558.jpg" alt="1660036176292558.jpg" width="497" height="199" style="width: 497px; height: 199px;"/> 图7 - 不同制冷剂特性的比较 4、用间接制冷改造氨/氟制冷系统 用廉价天然冷媒作为载冷剂来传递能量是自第一台冷水机诞生后行业一直努力的方向，如何降低中间传热温度损失和减少传统冷媒灌注量是需要深入研究的课题，微通道小管径换热器的开发可以大幅度降低氨/氟制冷剂的充注量（图8）。 <img src="http://lksj.rpxpx.com/uploads/image/20220809/1660036193572823.jpg" title="1660036193572823.jpg" alt="1660036193572823.jpg" width="497" height="209" style="width: 497px; height: 209px;"/> 图8 - 微管换热器减少冷媒充注 集成式制冷机组设计也可以减少管路中制冷剂的充注量，在效率损失最小的前提下大大提高系统的安全环保性能。二氧化碳作为天然的工质具有中低温下传热性能好、流动阻力小和价格低廉的优点，在新的冷库规范中被推荐作为低温二次制冷剂以实现冷量的远距离传输。 <img src="http://lksj.rpxpx.com/uploads/image/20220809/1660036209154569.jpg" title="1660036209154569.jpg" alt="1660036209154569.jpg" width="497" height="287" style="width: 497px; height: 287px;"/> 图9 - 集成高效换热技术将主机氨充注降到30克/千瓦  四、案例分享 1、水产行业氨系统改造 某水产品公司收购了一家水产加工厂，原工厂是一家氨制冷工厂，公司决定废除原系统，采用绿色安全高效的制冷技术，该工厂提出速冻温度-45度，冷藏温度低于-25度，全过程温度波动不超过正负2K，每吨能源消耗、产品损耗和初投资降低30%的行业高标准。 <img src="http://lksj.rpxpx.com/uploads/image/20220809/1660036230123676.png" title="1660036230123676.png" alt="1660036230123676.png" width="497" height="238" style="width: 497px; height: 238px;"/> 图10 - 五变联技术改造实现低碳增效 通过应用前述的创新技术，全面满足了业主的设计要求，经过几年的实际运行，为业主的带来了全面的产品品质提升、费用减少和安全的升级，成为了行业天花板级的优质品牌，冷冻产品具备超越鲜活的品质和口感，打破了国人喜欢鲜活水产的传统观念，为冷链的价值创造奠定了科学的基础和应用的实例。 <img src="http://lksj.rpxpx.com/uploads/image/20220809/1660036250868448.png" title="1660036250868448.png" alt="1660036250868448.png" width="497" height="245" style="width: 497px; height: 245px;"/> 图11 - 比鲜活更健康的冷冻食品 2、肉类氨系统改造 河南某牛排加工厂安装4台大型氨制冷主机，充注量超过20吨，机房占地超过350平方米，改造后速冻温度降低5K，占地面积只有20平方，可以在氨系统不拆除的条件下，安装集成二氧化碳复叠系统，调试成功后再进行切换，工厂不停工。 <img src="http://lksj.rpxpx.com/uploads/image/20220809/1660036266225424.png" title="1660036266225424.png" alt="1660036266225424.png" width="497" height="223" style="width: 497px; height: 223px;"/> 图12 - 一台10并联CO2机组不停机改造四台大型氨机 3、移动速冻冷藏运输解决方案 地理和季节的限制往往会导致农产品巨大的价格差，而移动速冻和冷藏运输是弥补时空差距的根本解决方案，传统冷链系统体积大不便移动进行大规模冷冻操作，大制冷量小体积的超低温的急冻技术取代庞大的传统设备为冷链技术的普及和应用创造了条件。俄罗斯帝王蟹和非洲大龙虾的速冻解冻保鲜技术是值得借鉴的成功案例，也减少鲜活运输造成的产品损耗、能源消耗和品质降低的风险。 <img src="http://lksj.rpxpx.com/uploads/image/20220809/1660036284342495.png" title="1660036284342495.png" alt="1660036284342495.png" width="497" height="105" style="width: 497px; height: 105px;"/> 图13 - 大功率速冻系统的小型化应用 4、中央厨房的低碳解决方案 冷却、速冻、高温漂烫是预制菜常用的工艺，需要消耗巨量的反向能源，充分利用能量守恒的原理，借助二氧化碳在低温制冷和高温制热下的高效率，可以大幅度降低工厂的生产成本，同时降低对环境的排放和污染，东北某公司用二氧化碳冷热技术对下架的蛋鸡进行加工生产美味的白斩鸡，是一个典型的变废为宝又节能减碳的案例，体现食品加工技术和现代冷链技术相结合所带来的显著效益。 <img src="http://lksj.rpxpx.com/uploads/image/20220809/1660036310158370.png" title="1660036310158370.png" alt="1660036310158370.png" width="497" height="81" style="width: 497px; height: 81px;"/> 图14 - 低碳、高效的食品加工技术 实现双碳目标有关大国政治、能源、经济安全的国家战略，而冷链物流的快速发展不可避免面临能源，安全和环保等方面的挑战。顺应规律、平衡矛盾、回归自然是未来冷链可持续发展和创新的方向，是实现双碳目标的要求，更是冷链企业价值再造的最优途径。

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