工厂化农业冰蓄冷系统的应用探讨

摘要：以工厂化生产食用菌企业为例，在分析用冷负荷特点的基础上，介绍常规氟利昂制冷系统方案和冰蓄冷方案，并进行技术经济效益分析比较。

关键词：工厂化农业 食用菌 氟利昂制冷系统 冰蓄冷 投资回收年限

0 前言

现代农业采用科学的栽培、工厂化的生产管理，能常年提供各类花卉、中草药物和食用菌等植物蔬菜，在极大的满足了人们的生活需要的同时，也带来了可观的经济效益和社会效益。特别是食用菌，由于有较高的营养保健价值和经济回报性，越来越受到消费者和投资者的青睐。而在食用菌的人工栽培过程中，应根据不用生长阶段，提供不同的温度、湿度、新鲜空气的环境。

另一方面，随着经济的快速发展和人民生话水平的不断提高，各行业的能源、电力消费也呈快速增长，电力缺口逐年拉大。特别是在上海、浙江等本身电力比较缺乏的地方。2004年夏季，上海的电力最高负荷达到1600万KW（400万KW由外省电网供应），整个电网负荷承受能力已基本达到极限。据统计在上海夏季的用电负荷中，空调制冷用电占40％以上，比例很高。因此，冰蓄冷作为一项“削峰填谷“的有效方法，再次引起我们的高度重视。

冰蓄冷在宏观上，可以转移电力高峰用电量，平衡电网峰谷差，减少新建电厂投资，充分利用有限的不可再生资源。在微观（用户）上，可充分提高设备利用率，利用分时电价，节省大量的运行费用。

下面以笔者接触到的一个食用菌生产企业的库房制冷方案为例，来探讨现代农业（食用菌）制冷降温系统采用冰蓄冷方案的可能性。

1 工厂化农业用冷负荷特点分析

该企业计划投资新建年产各种食用菌30万吨的厂房，按金针菇的生长环境为例来设计制冷降温系统。

在金针菇的栽培过程中，需要提供制冷降温环境的主要库房是培养室和栽培室。栽培室是金针菇的子实体分化和生长使用的库房，该库房最低温度为3℃，和冰蓄冷能提供的温度0～2℃冷冻水的温差很小，基本上不能用与冰蓄冷系统，因此，该库房的冷负荷将不属本文的讨论范围。

培养室是金针菇在接种后进行菌丝培养的库房，库房温度保持在12～16℃，相对湿度为60～70％，整个培养过程为20～30天。培养室主要的冷负荷为菌丝的呼吸热Q1和室外新风的热量Q2。

在培养室内发菌初期，菌丝的生长呼吸所产生的热量较少，在发菌中后期，菌丝生长逐渐旺盛，呼吸负荷不断变大。

菌丝生长呼吸产生的大量CO₂，为避免室内浓度不断积聚，造成菌丝生长生理障碍，库房必须配备机械通风设备。 发菌初期，菌丝呼吸弱，通风换气次数小，而中后期，呼吸作用强，需增加单位时间内的通风次数，即通风设备的间歇停启时间需按菌丝的不同发育时期来调整。

经计算可知，在菌丝培养中后期，呼吸负荷和新风负荷约占整个库房制冷负荷的75%。

其他冷负荷Q3如建筑维护负荷、操作人员负荷和室内冷却设备及照明负荷可以按常规空调计算。

由以上分析可知，食用菌培养室的冷负荷分布特性和一般的商业民用建筑的冷负荷分布特性有很大的区别。在某个夏季的冷负荷设计日，培养室的冷负荷和外界环境情况，如日照、室外温度有关；而在菌丝的一个培养周期（20~30天）内，菌种刚进培养室时，Q1和Q2所占比例很小，菌丝逐渐长出，生长逐渐旺盛，到中后期时，则Q3的比例越来越小，Q1和Q2所占比例将达到75%左右。

但为了计算说明方便，以下的培养室夏季冷负荷设计日以呼吸热和新风换气热最大的中后期为依据进行计算。

在其他辅助用房中，可以使用0~2℃冰水作为冷媒，实现室内降温的还有包装间和种菌室。这两间辅助用房的使用时间和培养室的人员操作时间都在9:00~16:00。

该新建生产厂房为轻钢结构，瓦轮彩钢板屋面，采用聚苯乙烯库板隔断，外墙库板厚100mm，内墙隔断库板厚75mm，顶板厚75mm。

以下各讨论将涉及到房间汇总如下：

表1 各0~2℃供冷库房参数及数量

注：各个功能的库房数量共6间。

2 常规制冷系统方案

目前，工厂化食用菌生产的企业对培养室、种菌室和包装室等库房的降温方式，基本上都是采用氟利昂风冷式压缩冷凝机组。根据房间的面积及冷负荷，选择氟利昂机组和直接蒸发式冷风机。冷风机的型式基本上采用为水平双向出风式，而不采用单向吹风式，这是为了避免的冷风直接吹到生长发育中的食用菌或室内的工作人员，而造成的发育受阻及不舒适。

根据表1选择机组和冷风机情况如表2。

现将培养室情况简单说明一下，每一间培养室设2套氟利昂制冷系统，每台40P风冷压缩机组配置6台水平双向出风冷风机，由于单个制冷系统没有能量调节机构，但为保证在低冷负荷时，只需开启一套制冷系统的同时，又能保证室内温度的均匀，室内的12台冷风机保持交错间隔布置。每套制冷系统都采用简单的室内温度控制，间歇启动制冷机组的运行方式，即当室内温度达到设定温度时，关闭供液电磁阀，制冷系统低压停机；当温度重新升高某一温差时，如△T＝4℃，供液电磁阀重新打开，制冷系统再次运行。

为保持室内空气流通和温度均匀，在一个培养周期内所有室内冷风机要保持常开状态。

表2 单间库房氟利昂制冷配置表

注：制冷工况Te/Tc:7℃/48℃。

一间培养室的一套40P制冷系统原理见图1。

包装间和种菌室的控制方式和制冷系统原理同培养室，这里将不在重复说明。

3 冰蓄冷方案

如采用冰蓄冷方案，上述库房的室内部分的氟利昂冷风机只需改成冰水用冷风机，数量和布置也可保持不变，每个房间的温度控制采用电动三通阀＋“DDC”控制器的方式。制冷站提供0~2℃的冰水，集中输送到各个用冷房间。

目前，上海夏季工业二部制分时电价如下（10千伏供电）：

峰时段（8-11时、13-15时、18-21时）：0.988元/kw·h；

平时段（6-8时、11-13时、15-18时、21-22时）：0.617元/kw·h；

谷时段（22时-次日6时）：0.224元/kw·h。

在非夏季时，13-15时按平时段计算，所有峰平谷的电价和夏季分时电价有小幅调动，本文不再详细列出。

上述6间库房夏季典型设计日冷负荷逐时计算结果，如图2。

设计日总冷负荷总19，000kw·h，图中阴影部分为峰时段冷负荷6，665kw·h，占总负荷的35％。一般认为冰蓄冷冷负荷占日总冷负荷的30%~70%为宜，蓄冷比例太大，则投入成本高；而蓄冷比例太小，则不能突出蓄冷方案的优越性。对于本蓄冷方案，把所有峰时段的冷负荷全部由夜间谷时段所蓄冷量提供，将是最经济的运行方案，可以使用最大的电价差。

根据满足夏季9小时峰时段用冰水用量，配置制冷系统，制冷站原理如图3。

采用氟利昂R22直接膨胀蒸发的制冷系统，压缩机选用螺杆式压缩机，压缩机的油冷却方式采用高压供液蒸发冷却。

在平时段由2台基载压缩机KF16CB（Te/Tc:－0.5℃/38℃，Q₁=474kw）通过水－氟板式热交换器提供0~2℃冰水，尖峰制冷量为948kw。当只需部分负荷时，可人工调低螺杆压缩机的制冷量，以节省电耗。

在夜间谷时段，在继续运行2台KF16CB台提供0~2℃冰水的基础上，再启动1台螺杆压缩机KF20CB（Te/Tc:－10℃/35℃，Q₂=723kw）进行制冰蓄冷，运行8小时，可蓄冷5784kw·h。蓄冰设备选2台国产DXC34x12－30蓄冷冰水箱，最大蓄冰量为60吨。

在峰时段，优先进行融冰供冷，不足部分（Q₃ ＝6665-5784＝881kw·h，约为峰时段负荷的13.2％）由2台基载压缩机提供。如考虑到6个库房的同时供冷系数约为85%，所蓄冷量基本上能满足供冷需要。因此，在峰时段压缩机及冷却塔等用电负荷高的设备都可停止运行，避开用电高峰。

4 经济效益分析比较

上述两种库房空气冷却方案的设备安装费用见表3和表4。

表3 常规氟利昂制冷方案初投资

注：本方案的装机电气容量为373kw。

表4 冰蓄冷方案初投资

注：本方案的装机电气容量为551kw。

库房空气冷却系统的运行电价由年耗电电费和基本电费组成，上述方案的年运行电价情况见下表。

表5 年运行电价对比表（单位：元）

注：基本电费＝装机电气容量kw X 30元/ kw·月。

由表4和表5我们可以看出，冰蓄冷方案的初投资比常规氟利昂方案多192.3万元，而年运行费用则可省336978元。因此，冰蓄冷方案增加的初投资的回收年限为5.7年。

计算得出的回收年限和建设方预期的2~3年还是有一定的差距，建设方最后还是放弃采用冰蓄冷方案。

5 结束语

冰蓄冷技术虽然对电网可以起到很大“削峰填谷”的作用，并得到国家分时电价政策的支持，但是每个冷却或空调工程项目是否都适用冰蓄冷方案还是需要认真分析技术方案、计算经济效益。

关于本食用菌库房用冷项目，我们总结如下：

由于食用菌培养过程的用冷负荷变化在一个培养周期内都是比较平缓，没有明显的峰谷阶段，这种负荷特性在现代工厂化农业企业中是具有很大的代表性。虽然在设计日用冷负荷中，蓄冷比例只有35%，但在夜间电价谷时段制冰蓄冷的同时还要满足培养室冰水降温的需要，该时段的电气负荷最大，造成整个方案的装机电气容量增大。同时，冰蓄冷方案的系统复杂，管理维护费用较高。

常规的氟利昂制冷系统虽然年运行电费用较高，但整个系统结构比较简单，使用灵活，管理操作成本也就比较低，因此，终于在方案比较中胜出。

参考文献

[1] 陈德明.食用菌生产技术手册. 上海.科学技术出版社，2001

[2] 华泽钊.蓄冷技术及其在空调工程中的应用. 上海.科学技术出版社，1997

[3] 赵育川.冰蓄冷系统的设计和应用.能源研究与信息，Vol.11，No.4，1995