基于R-744制冷系统与HS23N相变材料蓄冷集成技术的渔船制冷系统设计与性能评估

《Journal of Marine Science and Engineering》：Design and Performance Assessment of an R-744 Refrigeration System with Phase Change Material Thermal Storage for a Fishing Vessel

　　

摘要 渔船上的制冷系统通过鱼的冷冻和储存对船舶提出了大量的能源需求，这使得低环境影响制冷剂和热能储存（Thermal Energy Storage, TES）技术特别具有吸引力。本研究设计并对一艘渔船的二氧化碳（R-744）制冷系统进行了理论评估，该系统集成了相变材料（Phase Change Material, PCM）HS23N作为蓄冷装置。研究以一艘科考船作为案例：确定了与鱼类冷冻和储存相关的热负荷，对制冷系统进行了选型，并评估了其热力学性能和环境性能。所考虑的装载配置给出的储存密度为417 kg/m3，冷藏舱和平板冻结器所需的制冷量分别为3.32 kW和19.32 kW。对于所选设备，冷藏舱和板式冻结器的热力学性能系数（COPth）分别为2.48和1.87，而基于电力输入的能效比（COPel）分别为1.99和1.49。在不含PCM且使用寿命为20年的情况下，总等效变暖影响（Total Equivalent Warming Impact, TEWI）评估给出的冷藏舱和板式冻结器的累计间接排放量估计分别为57.415 t CO2和527.748 t CO2，鉴于R-744的全球变暖潜值（Global Warming Potential, GWP）为1，直接排放的贡献很小。对于PCM集成，研究考虑了每个冷冻循环充注50 kg的HS23N。取理论蓄热能力的90%作为有效能量，每个循环的有效热能约为3.26 kWh，完全凝固PCM的理论最短充注时间为20.4分钟。按每天四个循环计算，这相当于每天可储存和转移约13.04 kWh热能的热负荷潜力。研究结果表明，HS23N作为在R-744船舶制冷系统中储存热能并及时转移制冷负荷的补充手段具有理论潜力。然而，量化净能源和环境效益需要实验验证以及PCM充注和释放过程的完整能量平衡。

R-744制冷系统与HS23N相变材料蓄冷集成于渔船的集成评估：设计、性能与环境影响

一、研究背景与问题提出

制冷对于渔业至关重要，它从渔获物上船那一刻起直至卸货分销，全程保障其品质与安全。鱼类的高度易腐性要求在冷链各环节进行严格的温度控制，而在较长航次中，船上冷冻尤为关键。因此，渔船安装的制冷系统必须既能满足冷冻过程中的高热移除速率，又能提供适合产品储存的热力条件，而这部分系统占据了船舶能源需求的很大份额。

当前，提升系统能效必须与降低环境影响同步进行。作为高全球变暖潜值（GWP）合成工质的替代品，天然制冷剂日益重要。其中，二氧化碳（R-744）具有优异的环保特性，即GWP为1且臭氧消耗潜值（ODP）为零。然而，其约31.1 °C的低临界温度和高压运行条件对系统设计和运行构成了显著约束。尽管已有研究探讨了R-744在船舶制冷中的应用潜力，但针对渔船特定工况下，将R-744制冷系统与相变材料（PCM）蓄冷相结合，同时服务于鱼类冷冻和冷藏储存的综合理论评估仍显不足。

与此同时，热能储存（TES）技术为管理制冷负荷提供了补充手段。它允许在制冷能力可用时储存热能，并在需要时提取使用，从而将制冷生产与需求在时间上解耦。在负荷多变或间歇性的场景下，热能储存尤为有价值，并能更灵活地利用已安装的制冷能力。在各类TES技术中，相变材料（PCM）因能在较窄的温度带内以相变潜热形式储存大量能量而备受关注。将PCM集成到制冷系统中，可增加系统热惯性、抑制温度波动，并实现制冷负荷的时间转移。尽管在冷藏运输和固定式冷库中已有相关研究，但在船舶领域，将PCM用于鱼类冷藏的研究相对较少，且缺乏针对渔船具体运行条件的集成理论评估。

本研究的工作假设是：在渔船特定设计条件下，所选平板冻结器的额定制冷能力与其计算设计负荷之间的差值，能够提供足够的热容量来充注一定量的HS23N PCM，从而在不增加所选冻结器额定能力的前提下，实现冷藏舱部分热负荷的理论储存和后续转移。该假设通过可用制冷能力裕量、估计的有效PCM储存容量和理论充注时间进行定量评估。评估侧重于理论可行性，而非实验证明的节能效果或整体系统效率的提升。

二、研究内容与结论

本研究设计并理论评估了一套用于渔船鱼类冷冻和储存的R-744制冷系统，并考虑了HS23N PCM作为热能储存装置的集成。研究以一艘科考船为案例：首先确定了装载配置和鱼类储存能力，随后计算了冷藏舱和板式冻结器的热负荷并对相应系统进行选型。性能评估采用基于电力输入的总性能系数（COP_el）和热力学性能系数（COP_th），环境影响则通过总等效变暖影响（TEWI）进行评估。最后，从理论热能储存容量、充注时间和制冷负荷时间转移的潜力方面评估了HS23N的集成效果。

研究得出的主要结论包括：所考虑的装载配置储存密度为417 kg/m³，冷藏舱和板式冻结器的计算所需制冷量分别为3.32 kW和19.32 kW。性能评估显示，冷藏舱和板式冻结器的COP_el值分别为1.99和1.49，COP_th值分别为2.48和1.87。不含PCM且使用寿命为20年的TEWI分析表明，环境影响主要由与能源消耗相关的累计间接排放主导，冷藏舱和板式冻结器的估计值分别为57.415 t CO₂和527.748 t CO₂，而鉴于R-744的GWP为1，直接排放的贡献可忽略不计。对于所分析的配置，每个循环50 kg的HS23N对应约3.26 kWh的有效热能，完全凝固PCM的理论最短充注时间约为20.4分钟。按每天四个循环计算，储存和转移热负荷的潜在能力约为每天13.04 kWh热能。所选平板冻结器的额定制冷能力与其计算所需设计能力之间的裕量，在理论上也足以充注PCM，而无需增加所选机组的额定能力。

三、主要技术方法

研究人员采用了以下关键技术方法开展研究：

1. 1.
   热负荷计算方法：依据ASHRAE Handbook—Refrigeration中的方法，分别计算围护结构传热负荷、产品负荷、内部负荷和空气渗透负荷，并考虑安全系数（CS=1.1）和系统有效运行时间（TFE=16 h/day）来确定设计制冷量。
2. 2.
   热力学循环分析方法：基于压焓图确定循环各状态点参数，并用CoolPack软件进行验证，计算制冷剂质量流量、压缩机功率和冷凝器排热量，进而得出COP_th和COP_el。
3. 3.
   环境影响评估方法：采用总等效变暖影响（TEWI）方法，综合考虑制冷剂泄漏和回收损失产生的直接排放以及系统能耗产生的间接排放。
4. 4.
   参数敏感性分析：对空气渗透率、海水温度、PCM利用系数、可用充注制冷能力等关键假设参数进行简化敏感性分析，以评估其对主要性能指标的影响。
5. 5.
   PCM理论储能评估：基于HS23N的标称热物性（潜热261 kJ/kg），计算理论蓄热容量，并假设90%的利用系数估算有效热能，进而评估理论充注时间和日热负荷转移潜力。

四、研究结果分述

1. 制冷负荷计算与系统选型

通过计算冷藏舱的围护结构传热负荷（0.521 kW）、产品负荷（0.383 kW）和空气渗透负荷（1.11 kW），并应用设计系数，得出冷藏舱所需设计制冷量为3.32 kW。对于板式冻结器，通过计算产品负荷（10.71 kW）、传热负荷（0.50 kW）、内部负荷（0.008 kW）和渗透负荷（0.488 kW），得出其所需设计制冷量为19.32 kW。据此选择了型号为DB(Y)-720-B2、额定制冷量为30 kW的平板冻结器，其额定能力与计算需求之间存在约10.68 kW的裕量。

2. 系统热力学性能评估

在两个制冷回路均处于亚临界运行条件下，计算得出冷藏舱回路的压缩机功率为1.34 kW，冷凝器排热量为4.66 kW；板式冻结器回路的压缩机功率为16.08 kW，冷凝器排热量为46.08 kW。考虑80%的机电效率后，冷藏舱和板式冻结器的COP_el分别为1.99和1.49，COP_th分别为2.48和1.87。敏感性分析表明，海水温度从19 °C升至23 °C会使冷藏舱和冻结器回路的COP分别降低约19.4%和18.1%。

3. 环境影响评估

在不含PCM的TEWI评估中，假设年运行128天、每天16小时，冻结系统年耗电量为41,165.95 kWh，冷藏系统为4,478.58 kWh。基于0.641 kg CO₂/kWh的船上发电排放因子，20年寿命期内冷藏舱和板式冻结器的累计间接排放分别为57.415 t CO₂和527.748 t CO₂。冻结器的总气候影响约为冷藏舱的9.19倍，主要归因于其更高的能耗。直接排放因R-744的低GWP而贡献甚微。

4. PCM蓄冷集成评估

对于50 kg的HS23N，其理论潜热蓄冷容量为3.63 kWh。假设90%的利用系数，有效热能约为3.26 kWh/循环。基于冻结器额定能力与设计负荷之间的10.68 kW理论裕量，计算得出完全凝固PCM的理论最短充注时间约为20.4分钟。按每天四个冷冻循环计，理论热负荷转移潜力约为13.04 kWh/天，相当于冷藏舱每日参考制冷能量需求（约53.1 kWh/天）的24.6%。

五、讨论与结论总结

讨论部分总结：研究结果凸显了HS23N作为储存热能、及时转移制冷负荷手段的潜力。在循环间装载和回收50 kg HS23N，理论上可利用所选冻结器额定能力与计算所需设计能力之间的裕量来充注PCM，无需增加机组额定能力。然而，从工程角度看，PCM集成也面临实际挑战，包括封装系统的额外质量和体积、在冷藏舱内的定位、对鱼类储存空间的影响、与装卸程序的兼容性以及在船舶运动和振动下的安全固定等。研究指出，与以往研究进行定量比较存在困难，因为系统配置、运行条件和边界不同。TEWI评估表明间接排放占主导，但该评估未包含PCM，因此不能证明蓄冷带来的减排效果。敏感性分析识别出空气渗透率、运行时长、发电机燃油消耗和可用充注能力是重要的不确定性来源。研究的主要局限在于其理论性质，缺乏实际船舶运行条件下的实验验证，瞬态传热、压缩机性能变化以及冻结器与冷藏舱的相互作用均未显式建模。

结论翻译：

结果表明，PCM HS23N作为船上鱼类冷冻和储存用R-744制冷系统中的补充蓄热装置具有理论潜力。

对于所考虑的设计条件，确定了冷藏舱所需制冷量为3.32 kW，板式冻结器为19.32 kW。性能评估得出冷藏舱和板式冻结器的COP_el值分别为1.99和1.49，COP_th值分别为2.48和1.87。

在不含PCM且使用寿命为20年的TEWI分析中，环境影响由与能源消耗相关的累计间接排放主导，冷藏舱估计为57.415 t CO₂，板式冻结器为527.748 t CO₂，而鉴于R-744的GWP为1，直接排放的贡献可忽略不计。

对于所分析的配置，每个循环50 kg的HS23N对应约3.26 kWh的有效热能，完全凝固PCM的理论最短充注时间约为20.4分钟。按每天四个循环计算，储存和转移热负荷的潜在能力约为每天13.04 kWh热能。所选板式冻结器的额定制冷能力与其计算所需设计能力之间的裕量，在理论上也足以充注PCM，而无需增加所选机组的额定能力。

因此，HS23N的集成在理论上具有通过热能储存和负荷转移增强制冷系统运行灵活性的潜力。然而，这一潜力尚未得到实验证明，当前结果也不能确定整体能效的提升或温室气体排放的减少。确认这些效益需要对包含PCM充注和释放的完整制冷系统进行综合能量评估，并在代表性船舶运行条件下进行实验验证。