针对使用多温度NH3/CO2级联系制冷系统的集中式冷藏库的能源优化方法

《Energy》：Energy optimization methodology for a centralized cold store using a multi-temperature NH 3/CO 2 cascade refrigeration system

　　

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  同时优化了负荷共享、中间温度和冷凝温度
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  开发了一种结合了机理模型和数据驱动模型的混合框架
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  所提出的策略实现了14.6%的总体能耗降低

引言

随着全球冷链物流的快速发展以及對鮮貨和冷冻產品需求的增加，低溫冷庫的應用範圍和技術水平不斷提升。隨着冷庫規模的擴大，能耗也显著上升。尤其是在全球變暖和碳中和戰略的背景下，提高制冷系統的運行能效已成为迫切的需求。近一年來，在冷庫行業實現能源優化成為許多利益相關者的關注點。在冷庫中，由於環境温度與庫房內溫度之間通常存在50°C以上的差異，單級制冷系統的效率相對較低。這是因為在這種溫度差異下，單級壓縮机的壓縮比過高，导致性能係數（COP）较低。為了解決這一問題，廣泛採用了級聯制冷系統（CRS）。

早期，傳統的蒸氣壓縮制冷技術主導了冷庫設計，基礎研究主要集中在單級和級聯系統的基本熱力學建模上。Wu等人[1]（2007年）建立了單級螺旋壓縮机的熱力學模型，而Manske等人[2]（2001年）開發了蒸發冷凝器的分布參數模型。在同一時期，首次出現了關於负荷共享的研究；Manske等人[3]（2000年）比較了多壓縮機制冷系統中的负荷共享策略，Kaya[4]（1991年）提出了一种提高現有冷水機效率的優化技術，Chang等人[5]（2005年）通過遺傳算法實現了最佳冷水機負載。然而，在這一階段，優化工作仍然主要限於單個組件或單個冷水機系統。

隨後，负荷共享優化逐步發展成一個系統性研究課題，涉及冷水機和壓縮機兩部分。Paparella等人[6]（2013年）研究了並聯壓縮機的负荷共享優化，Abou-Ziyan和Alajmi[7]（2014年）考察了负荷共享運行策略對現有多壓縮機系統整體性能的影響，Cortinovis等人[8]（2016年）則研究了氣體壓縮機並聯運行時的在线性能跟踪和负荷共享優化。

後來，数据驅動建模成為制冷系統的強有力工具。Tian等人[9]（2019年）應用人工神經網絡對螺旋冷水機的COP進行預測。在负荷共享方面，Liu等人[10]（2023年）將研究擴展到在隨機負載限制下多個冷水機的動態運行。同時，相變材料（PCM）作爲冷庫的先進冷却技術開始得到探索（Sun和Xie[11]（2021年）），它提供了負荷峯值移動和能耗節約的優點。

近年來，受環保法規的推動，NH₃/CO₂級聯系統因其低GWP優勢而受到關注。Li等人[12]（2022年）提出了一種基于數據驅動的能源管理策略，僅通過優化中間壓力就實現了10.52%的能耗節約。Wang等人[13]（2022年）開發了水潤滑雙螺旋壓縮機的機理模型，進行了詳細的功耗分布分析。Chaudhari等人[14]（2023年）提出了一種多离心壓縮機系統的负荷共享節能方法。Meng等人[15]（2024年）評估了基於PCM的級聯制冷系統在中國食品鏈中的節能潛力，突出了先進冷卻介質與級聯結構之间的協同作用。然而，這些研究主要優化了一個變量（例如中間壓力），或者僅依赖于數據驅動或機理模型。

最近，研究前沿轉向了混合物理-數據框架、數字雙胞胎和物聯網支持的智能冷庫。Hoffmann等人[16]（2025年）證明，數字雙胞胎和物聯網传感器通過實現預測性維護和動態冷卻參數調整，可以減少冷庫中的食物損失和能源使用。Khan等人[17]（2026年）研究了一種新型的混合間接-直接蒸發冷卻系統，具有增强的溼度調節功能，這是先進冷卻系統設計的最新進展，適用於熱潮溼條件。

為了解決上述問題，本文提出了一种基於級聯制冷系統的集中式冷庫能源管理策略。首先爲關鍵組件建立了機理模型，以提供參數補充並擴展數據驅動模型的運行範圍。然后優化並聯壓縮機的负荷共享，確保在不同負載下的高效運行，在此基礎上，進一步優化中間溫度和高溫冷凝溫度。以裝有NH₃/CO₂級聯制冷系統的集中式冷庫為案例進行了研究。收集現場數據對壓縮機、蒸發冷凝器和中間熱交換器進行建模和分析，在實際運行條件下驗證了該策略的模型準確性和節能性能，為類似系統的優化運行提供了參考。

如表1所示，本研究的獨特貢獻有三個方面：

• (1)
  雖然現有研究主要關注級聯系統的中間溫度優化，但本工作首次將並聯壓縮機的负荷共享集成到低溫（CO₂）和高溫（NH₃）階段，並與中間溫度和高溫冷凝溫度優化結合，形成了具有並聯壓縮機單元的集中式冷庫的整體能源管理策略。
• (2)
  與Li等人[12]（2022年）的純數據驅動方法或Yang等人[19]（2021年）的純熱力學方法不同，本工作建立了一種混合框架，其中機理模型生成補充數據，擴展了神經網絡的訓練範圍，緩解了數據驅動模型外推的弱點，同時克服了獨立熱力學模型精度有限的問題。
• (3)
  在實際的冰淇淋廠中進行了驗證，該廠有15臺並聯壓縮機和198,372個現場數據點，所提出的策略實現了14.6%的总体能耗降低，超過了Li等人[12]（2022年）僅優化中間溫度時報告的10.52%的節能效果。

小節片段

壓縮機模型

壓縮機是制冷系統的核心組件。螺旋壓縮机的數學建模約在40年前開始，Purdue壓縮機會議[20]（2011年）上發表了多篇相關論文。如今，雙螺旋壓縮机的建模主要包括基於幾何和物理的模型、經驗模型以及半經驗模型。半經驗模型依赖于基本熱力學方程，并通過實驗進一步細化和参数化。

優化方法

級聯制冷系統使用兩個串聯的蒸氣壓縮（VCR）循環，可以實現更低的蒸發溫度，從而显著提高系統的能源效率。然而，CRS的性能對高溫階段的中間溫度和冷凝溫度非常敏感。隨着系統運行條件的變化，壓縮機負載也會發生變化。由于壓縮機是能源消耗最大的組件……

系統描述

1994年，Lorentzen首次提出了在級聯制冷系統中使用二氧化碳的概念[28]（1994年）。自此之後，得益于氨作爲冷媒的長期應用，NH₃/CO₂級聯制冷系統因其環境友好性和高能源效率而逐渐得到廣泛應用，尤其是在需要低溫冷冻的工業領域[29]（2024年）。對CO₂作爲工作介質的研究興趣也在不斷增加……

結論

本研究提出了一种針對集中式冷庫級聯制冷系統的能源管理策略，結合了機理模型和數據驅動模型。通过对雙螺旋壓縮機、蒸發冷凝器和中間熱交換器等關鍵組件進行詳細建模，并應用優化算法進行並聯壓縮機負載共享、中間溫度和冷凝溫度的優化，實現了顯著的能源節省。具體結論是……

CRediT作者貢獻聲明

Chuang Wang：撰寫 – 審查和編輯。Yishuang Liu：撰寫 – 審查和編輯。Ziwen Xing：撰寫 – 審查和編輯，監督。Shaofeng Shen：撰寫 – 初稿，驗證，方法論，正式分析。Dawei Ren：資源，調查，籌措資金，數據管理。Yiwei Feng：撰寫 – 審查和編輯。Yanpeng Li：撰寫 – 審查和編輯，監督。

利益衝突聲明

? 作者聲明他們沒有已知的會影響本文工作的競爭財務利益或個人關係。

致謝

本工作得到了中國國家自然科學基金會[項目編號 52206021--]->的支持。

Dawei Ren | Shaofeng Shen | Yanpeng Li | Yiwei Feng | Yishuang Liu | Chuang Wang | Ziwen Xing