特定气候条件下冷藏仓库西墙动态热行为对制冷电负荷的影响

《Energies》：Influence of the West Wall Dynamic Thermal Behavior Under Specific Climate Conditions on the Electric Load of a Cold Storage Facility

　　

冷藏仓库（refrigerated warehouse）是能耗较高的食品储藏设施之一，其热性能受当地气候条件和建筑围护结构（building envelope）特征影响。本研究在罗马尼亚三个代表性气候条件（Iasi、Cluj-Napoca和Constanta）下，采用TRNSYS动态模拟（dynamic simulation）和EES稳态计算（steady-state calculation）方法，研究冷藏仓库西墙热行为的影响。TRNSYS模拟采用完整一年（8760 h）的逐时气象数据，评价聚焦于第2089—7129小时（5041个逐时观测值），选取该时段以考察高冷负荷期。三地分析考察室外空气温度（outdoor air temperature）和太阳辐射（solar radiation）对通过所选冷藏仓库围护结构传热（heat transfer）的影响，以及其对维持规定室内温度所需制冷负荷（refrigeration load）的影响。相对湿度（relative humidity）在墙体构造（wall assembly）内结露风险（condensation risk）评估中单独考虑。对于Iasi，通过西向墙内、外表面温度（surface temperature）和热流密度（heat flux）的演变详细考察其瞬态热行为（transient thermal behavior），并将TRNSYS动态模拟与EES逐时准稳态计算（quasi-steady-state calculation）进行比较。结果表明，如预期，当地气候条件影响考察期内传热和制冷负荷的变化，并突出两种方法之间的差异。对于Iasi所考察墙体，内表面温度变化相对较小，而热流密度并不总是跟随室外空气温度的瞬时变化。该行为与多层墙体构造（multilayer wall assembly）内部的热量蓄存与释放（heat storage and release）一致，反映了传热的瞬态性质。Iasi的EES—TRNSYS比较可识别传热的稳态与动态表征（dynamic representation）之间的差异，强调在解释所考察气候条件下热流密度变化时墙体热响应（thermal response）的相关性。

研究背景方面，冷藏链用于抑制易腐食品在储藏和配送过程中的生物与化学降解，制冷在维持产品品质和延长货架期方面具有直接作用，但冷藏链所需热条件伴随持续能耗。冷藏仓库长期处于室内外大温差下运行，围护结构传热是重要冷负荷来源。既有研究分别关注冷藏仓库可再生能源集成、冷库能效审计与运行改进、围护结构被动策略、冷库内传热—气流—湿分耦合、传热关系式对制冷负荷预测的影响、墙体热惯性及朝向对热响应的影响、围护结构动态热模拟以及制冷系统运行温度对电能消耗的影响。然而，冷藏仓库研究常关注总体能耗或室内气流分布，围护结构研究常不将瞬态传热追溯至制冷负荷，制冷系统研究又常假定给定冷负荷而不显式解析其逐时对墙体朝向、太阳暴露和当地气象条件的依赖，因而限制了对气候激励由外墙面经围护结构传播并最终影响冷藏仓库能量性能的集成评估。本研究扩展前期会议论文，聚焦西向墙1 m²参考面积，考察保温层和隔汽层厚度对传热与湿相关性能的影响，并用EES与TRNSYS结果进行定量比较；同时将计算所得墙体传热负荷链接至两阶段氨（NH₃）制冷循环，以评估相应比压缩机轴电能消耗，并引入两个解析关系描述制冷循环?效率（exergetic efficiency，衡量循环接近可逆程度的指标），以评估运行温度条件对压缩机性能的影响。研究结论表明，当地气候条件显著影响相同建筑与运行条件下冷藏仓库围护结构的热行为；内表面温度因保温墙体高热阻而相对稳定，但通过围护结构的传热及相关比制冷能量需求随地点气候条件变化；制冷负荷并不总跟随室外空气温度瞬时变化，反映多层围护结构瞬态传热及热惯性（thermal inertia，墙体蓄放热导致热响应滞后）的影响；墙体朝向是影响长期热与能量性能的重要设计参数。其意义在于，早期设计阶段应将气候条件、建筑朝向与适当围护结构保温共同考虑，以通过被动设计策略降低制冷能量需求，所提方法可为不同气候条件下冷藏仓库性能评估和节能设计决策提供框架。

关键技术方法（≤250字）：研究人员采用TRNSYS 17（瞬态系统模拟软件）Type 56多区建筑模型，以Meteonorm TMY2（典型气象年）逐时气象文件为边界条件，模拟Iasi（RO-Iasi-150900.tm2）、Cluj-Napoca（RO-Cluj-Napoka-151200.tm2）和Constanta（RO-Constanta-154800.tm2）三地全年8760 h，并取2089—7129 h共5041 h分析；采用EES（工程方程求解器）建立一维稳态/准稳态传热模型，计算外表面温度、内表面温度和热流密度；用RMSE（均方根误差）、MAE（平均绝对误差）和MBE（平均偏差误差）比较EES与TRNSYS；对1 m²西墙进行保温层8—20 cm和隔汽层厚度参数分析；将TRNSYS逐时墙体热流输入两阶段NH₃制冷循环，按等熵效率0.80计算比压缩机轴功率并积分比电能。

研究结果方面，外表面温度比较显示：通过Iasi西墙春、夏、秋样本日比较EES与TRNSYS外表面温度t_pe，EES可再现TRNSYS预测的总体升降温演变，但幅度和时相存在差异；全季节平均偏差为春季?2.090 °C、夏季?2.735 °C、秋季?1.900 °C，RMSE分别为2.706、3.436、2.448 °C，MAE分别为2.141、2.766、1.969 °C，夏季差异最大。误差指标显示：外表面温度RMSE为2.449—3.436 °C、MAE为1.969—2.766 °C、MBE为?2.735—-1.900 °C；内表面温度t_pi的RMSE为0.518—0.576 °C、MAE为0.498—0.551 °C、MBE为?0.551—-0.498 °C；因两种方法对内部边界条件处理不同，比较限于表面温度。内表面温度变化显示：在2089—7129 h，t_pi约处于?19.4至?18.3 °C，Iasi最高，Cluj一般低于Constanta但二者在若干时段交叉；有限变化与多层墙热阻和蓄热能力及受控室内温度一致。热流密度变化显示：三地逐时墙体热流q呈相似时间格局，Constanta在中后段常较高，Iasi在若干短时段相当或更高，Cluj一般最低，曲线重叠交叉表明排序随时间段变化；墙体蓄放热影响传向冷藏空间的热流，其逐时演变不能仅归因于室外空气温度。Refrigerating System Power Consumption（制冷系统功率消耗）显示：将TRNSYS逐时墙体热流与相应室外温度输入两阶段NH₃循环，用?效率关系计算比压缩机功率P_comp；Iasi常最高，峰值接近0.0045 kW/m²，Cluj一般最低，Constanta多居中间；对P_comp积分得到比电能E_el，短峰按持续时间贡献，较长时间中等功率也可能贡献更大；该结果仅代表墙体相关压缩机轴能量，不是仓库总电耗。

讨论部分总结：在分析区间内，内表面温度变化较窄而墙体制冷负荷波动更明显，维持近恒定室内空气温度不意味着恒定制冷负荷或压缩机轴功率。统计评估覆盖5041个连续逐时观测；外表面t_pe的RMSE、MAE和MBE按季节给出，内表面t_pi误差绝对值较小，但因t_pi变化范围更窄，不能据此单独判定相对模型性能更好，且误差指标不量化衰减或时滞。TRNSYS显式考虑墙体蓄热和热扰动随时间传播，EES不显式考虑各层蓄放热；外表面直接暴露于室外空气温度、太阳辐射和对流换热变化，内表面受冷藏空间受控热条件约束，外部热扰动穿过多层墙时因热阻和蓄热共同作用而衰减。动态TRNSYS中 transmitted heat flux 取决于当前边界条件和先前热历史，蓄放热可改变到达冷藏空间负荷的大小和时序。制冷循环计算采用TRNSYS逐时墙体热流确定比压缩机轴功率，积分得到与所分析墙体负荷相关的轴能量输入；但未单独量化热惯性对能量需求的影响，若需评估则应在相同制冷循环假设下同时计算EES和TRNSYS热流序列。工程上，减少墙体热增益可在规定运行条件下降低压缩能耗；计算限于单位面积墙体，排除渗透、门开启、产品装载、照明、机械传动与电机损失、辅助设备、部分负荷和除霜，因此结果支持墙相关压缩机轴能量比较，而非仓库总电耗估算。

研究结论翻译：动态TRNSYS模拟表明，在相同建筑和运行条件下，当地气候条件显著影响冷藏仓库围护结构的热行为。尽管由于保温墙体构造的高热阻，内表面温度在分析期内保持相对稳定，但通过围护结构的传热及相关比制冷能量需求随所考察地点的气候条件而变化。结果还表明，制冷负荷并不总是跟随室外空气温度的瞬时变化，反映了通过多层建筑围护结构的瞬态传热及其热惯性的影响。比较分析证实，墙体朝向是影响冷藏仓库长期热性能和能量性能的重要设计参数。因此，在早期设计阶段应将气候条件和建筑朝向与适当的围护结构保温一并考虑，以通过被动设计策略降低制冷能量需求。本研究提出的方法也可为评估不同气候条件下冷藏仓库性能和支持节能设计决策提供有用框架。