戚明喆周毅刘建军徐辉

(1.徐州创展节能科技有限公司，江苏 徐州 221000；2.江苏美城建筑规划设计院有限公司，江苏 淮安 223005；3.连云港如意情食用菌生物科技有限公司，江苏 连云港 222300)

引言

近期，全国多地下发能耗双控的政策文件，各类高耗能高污染行业纷纷停产停工，“限电令”无疑成为当下最火的词汇之一。在碳排放方面，我国制定了“30、60”目标。其中“30”指的是在2030年之前实现碳达峰，“60”指的是在2060年之前达到碳中和[1]。金针菇工厂化生产中，制冷能耗占整个工厂能耗的60%左右，为了响应国家的号召，减少碳排放，降低生产成本，增加效益，对某金针菇生产工厂的冷却室进行改造。在冬天，利用自然冷源给金针菇生产工厂的冷却室降温，从而实现减少能耗降低运行费用的目的。

1 技术背景

金针菇，别名冬菇、朴菰、毛柄金钱菌等，是一种氨基酸含量非常丰富的菇类。其中赖氨酸的含量特别高，经常食用金针菇可有效防治溃疡病[2]。

最近几年，我国金针菇产业发展迅速。自2010年以来，我国工厂化金针菇产量呈快速上升趋势。金针菇的日产量从2010年的1000t，到2018年已经上升至日产量4447t，年复合增速约为21%[3]。

金针菇生产流程包括备料、拌料装袋、灭菌、冷却、拌种、培养、出菇和采收包装等几个环节。无论采用高压灭菌还是高温灭菌，灭菌后出锅的温度都在90℃左右。灭菌后的菌瓶需要经过冷却室的降温后，才能进行后续的接种。

图1 我国金针菇日产量变化[3]

图2 食用菌工厂生产流程[4]

传统冷却室的降温方案是全天24h使用制冷机进行降温冷却。长时间使用制冷机不仅会产生大量的温室气体，还会增加能耗，不利于节能减排。大功率的制冷机运行还会造成生产成本的上升以及产生的噪音扰民。

目前对冷却塔的优化有使用水轮机冷却塔代替传统的风轮机冷却塔[5]。水轮机冷却塔由于使用水轮取代风机，不需要使用电机，因此具有噪音小、省电省钱等优点。但是水轮机冷却塔对水压要求较高，当水压不足时需要使用水泵增压，往往额外的费用比冷却塔电机的耗电量都高。

因此，针对目前的工厂的生产环境以及制冷需求，采用自然冷源制冷，取代制冷机部分时间段的工作，从而达到节能减排的目的。

2 自然冷源技术实施

2.1 制冷量的计算

某金针菇生产厂日产量为32万瓶。冷却室共4间，每间装瓶量为8万瓶，全年供冷。冬天冷却室原有的制冷方案是使用水冷冷水机组降温，冷水进出水温度为12/7℃。冷却室的工作时间是，每天的12∶00高温杀菌后的菌瓶通过叉车送到冷却室，进货过程中冷却室内空间温度不超过38℃，工人能正常工作，进货后冷却室温度逐步下降，在14h内冷却室空间温度降到16℃，至出货前一直保持16℃，保证第2天8∶00开始出货时菌瓶中心温度能够降到接种的温度要求，11∶00前出货完成，12∶00再开始进货，循环往复。

按照冷却室中的生产要求，制冷机必须在14h以内将全部菌瓶的温度降到能够接种的温度，即菌瓶的中心温度降到20℃以下。根据菌瓶的装瓶量和起始终了的参数可以计算出总放热量：

Q=K×(M×k×C1+M×(1-k)×C2+m×C3)×(T1-T2)

式中，K为每天的装瓶量本方案，320000瓶·d-1，每间冷却间最大计算量为8万瓶；M为单位瓶净重，本方案为1.2kg/瓶(按最大瓶计算)；C1为水的比热容，1kcal/(kg·℃)；C2为木屑玉米芯等干料的比热容，0.45kcal/(kg·℃)；C3为塑料瓶的比热容，0.48kcal/(kg·℃)；k为灭菌后熟料的含水量，62%；m为单个塑料瓶瓶重(含盖)，0.2kg；T1为进冷却室菌瓶的起始温度，℃，按平均95℃计算；T2为进冷却室菌瓶的终了温度，℃，按平均18℃计算。

代入，得：

Q=K×(M×0.62×C1+M×0.38×C2+0.2×C3)×(T1-T2)

=320000×(1.2×0.62×1+1.2×0.38×0.45+0.2×0.48)×(95-18)

=25753728kcal

按照14h降温时间计算，冷却室所需要的冷量:

25753728÷14=1839552kcal·h-1

需配置制冷负荷为(留有10%的余量)1839552÷860×1.1=2353kW。

2.2 设计

自然冷源利用一般有如下2种方式。

2.2.1 板式换热器加冷却塔

板式换热器是一种热交换设备，热介质和冷介质通过板式换热器的板片进行间壁式换热，从而达到冷却或者加热的目的。冷却塔给板式换热器提供冷介质，冷却塔的冷却循环水不断地在板式换热器里循环，从而给热介质降温冷却，原理图如图3所示。

图3 板式换热器加冷却塔工作原理[6]

2.2.2 闭式冷却塔

图4 闭式冷却塔工作原理图

闭式冷却塔的冷却原理简单来说是2个循环：1个内循环、1个外循环，主核心部分为紫铜管换热器。内循环：与对象设备对接，构成一个封闭式的循环系统。为对象设备进行冷却，将对象设备中的热量带出到冷却塔。外循环：在冷却塔中，为冷却塔本身进行降温。不与内循环水相接触，只是通过冷却塔内的紫铜管表冷器进行换热散热。在此种冷却方式下，通过自动控制，根据水温设置电机的运行。

根据现场具备的条件选用闭式冷却塔在冬天利用自然冷源降温，对应制冷机的相应负荷，计算冷却水流量为2353×860÷5000=405m3·h-1，故选用250mm3·h-1闭式冷却塔2台。

自然冷源改造所需要增加的设备主要有闭式冷却塔、冷水泵、电动阀、PLC控制系统等，运行流程图如图5所示。

图5 闭式冷却塔运行流程图

在和原有系统不冲突的前提下，将闭式冷却塔系统并联到原系统中，通过4个电动阀进行转换。在室外温度合适时使用闭式冷却塔降温，其它时间运行原系统降温。

闭式冷却塔相较于开式冷却塔，具有占地小、循环无杂质、防冻、换热效率高、冷却效果好、运行稳定安全等特点[7]，因此采用闭式冷却塔作为自然冷源的传热设备。数量为2台；流量为250m3·h-1；电功率为18.5kW。

图6 闭式冷却塔

冷却水泵：用于将自然冷源降温的冷却水运输到系统循环中。数量为2台；流量为300m3·h-1；扬程31m；电功率37kW。

电动阀：用电动执行器控制阀门，从而实现阀门的开和关；数量为4组。

PLC控制系统：结合了微电子技术、计算机技术、自动控制技术和通讯技术而形成的一代新型工业控制装置，用来对系统进行控制。数量为1套。

总功率：18.5×2+37×2=111kW。

2.3 实际运行调试

运行调试的重点是对使用自然冷源降温时间的确定。自然冷源使用的时间为12月—第2年3月，调试的过程主要分为以下2个阶段。

2.3.1 温度控制法

当室外湿球温度达到2℃时，闭塔出水温度可以达到7℃，能满足冷却室降温要求。原PLC控制模式根据室外湿球温度进行转换。当室外湿球温度低于2℃时使用自然冷源降温；当室外湿球温度高于2℃时转为制冷机运行。通过几天的运行测试，发现运行的效果不理想。由于室外温度处于不断的变化中，容易造成2个系统频繁的转换，产生更高的能耗和系统的故障。

2.3.2 时间控制法

将原有的温度控制法调整为时间控制法，即在每天12∶00进货时用自然冷源降温。因为当冷却室进库时，有人员在里面作业，温度较高，可以使用自然冷源降温。运行至第2天凌晨2∶00，转换为制冷机运行。通过采用时间控制法，可以使冷却系统有规律的运行，并且能保证出货时菌瓶中心温度达到接种要求。实际参数设置如图7、图8所示。

图7 运行调试1

图8 运行调试2

3 应用效果

3.1 运行参数

从图9可以看出，在实际运行时从12∶00—第2天2∶00使用自然冷源，能使冷却室的温度从工人作业结束时(18∶00)的35℃左右降到金针菇的接种温度16℃(0∶30)，在满足冷却室的生产需求的同时节约电力资源的消耗，达到节能减排的目标。1#冷却室由于管线最远，进货集中，瞬间温度达到42℃，后期调整了进货量，由一个冷却室进满再进下一个冷却室，调整为2个冷却室同时进货，温度达到了工作要求。

图9 实际运行温度对比表

3.2 节能减排效果

表1 运行费用明细

改造项目于2019年12月运行，每天运行14h，每年实际运行90d。每年节省的运行费用为(634-111)×14×90×0.49=32.3万元。整个改造总费用120万元，不到4a即可收回投资，节能效果明显。

4 技术改进及总结

经过3个月的使用，发现膨胀水箱高度差、冷却塔内水结冰等问题。

由于2个系统膨胀水箱的高度不一致，容易导致膨胀水箱低的系统，在系统转换时从膨胀水箱往外溢水，而膨胀水箱高的系统则需要补水。

改进的方法:在位置低的膨胀水箱补水管上加电动阀，系统停用时，电动阀关闭，不让水溢出。

由于采用时间控制法，在2∶00后，停用闭式冷却塔。冬季气温低时，冷却塔内容易结冰。

改进的方法：在冷却塔停用时，使水泵低速循环，保证不结冰，但增加了旁通阀，增加了水泵的电耗。

5 结语

在国家“限电令”的政策下，通过在冬天12∶00—第2天2∶00使用自然冷源，给金针菇生产厂的冷却室降温。在维持正常生产的前提下，既减少了能源的消耗、提高了企业的经济效益；又降低了温室气体的排放，具有显著的经济、环境和社会效益。为菌菇种植厂的节能减排提供了新的思路，促进了菌菇种植行业节能减排等相关技术产业的发展。