近年來隨著人民生活水平的提高，人們對冷凍冷藏食品的依賴度越來越高。冷庫行業(yè)得到快速發(fā)展的同時，冷庫的能耗也逐年升高。在―節(jié)能減排的大背景下，冷庫的節(jié)能研究得到越來越多的關(guān)注。

冷庫中食品加工過程包括冷卻、冷藏和凍結(jié)等，不同的食品加工過程具有不同的特點以及工藝要求，然而，現(xiàn)有的冷庫的節(jié)能優(yōu)化研究大都單純地從冷庫動力系統(tǒng)的角度出發(fā)，并未充分考慮不同食品加工過程的區(qū)別。

另外，現(xiàn)有研究大都使用靜態(tài)優(yōu)化方法，這些方法適用于食品冷藏等連續(xù)過程，并不適用于食品凍結(jié)和冷卻等間歇過程。本文針對冷庫中包裝食品的凍結(jié)過程進行節(jié)能優(yōu)化研究，在單體食品凍結(jié)過程和冷庫中食品凍結(jié)條件分布研究的基礎(chǔ)上，對食品凍結(jié)過程進行動態(tài)優(yōu)化，提出基于食品凍結(jié)工藝要求的分段凍結(jié)系統(tǒng)及其運行方式。

首先，針對冷庫內(nèi)帶包裝食品的凍結(jié)過程，建立單體包裝食品的凍結(jié)過程模型。使用焓法建立食品內(nèi)部傳熱過程模型，以自然對流和輻射換熱處理食品自身與包裝之間的空氣層內(nèi)部的傳熱，使用CFD方法模擬食品周圍的空氣溫度以及食品對流換熱系數(shù)，后通過迭代方法對包裝食品的凍結(jié)過程進行模擬。通過不同包裝分割肉的凍結(jié)實驗對模型進行驗證，結(jié)果表明，本文提出的模型相對于使用導(dǎo)熱或者忽略空氣層的現(xiàn)有處理方法，能夠更加準(zhǔn)確的模擬包裝食品的凍結(jié)過程。

在單體食品凍結(jié)過程模擬的基礎(chǔ)上，對凍結(jié)間內(nèi)空氣參數(shù)分布進行模擬，研究了食品凍結(jié)條件分布對于食品凍結(jié)的影響。首先通過風(fēng)道數(shù)值模擬，計算不同空氣參數(shù)下的食品對流換熱系數(shù)并擬合成無因次關(guān)聯(lián)式。然后，使用CFD方法模擬凍結(jié)間在空庫和滿載情況下的流場和溫度場分布，計算凍結(jié)間內(nèi)不同位置食品的凍結(jié)條件，并進行敏感度分析以研究凍結(jié)間內(nèi)空氣溫度和空氣流速對于食品凍結(jié)過程的影響。后，對凍結(jié)間內(nèi)食品凍結(jié)條件進行不均勻度分析，以研究不同冷風(fēng)機風(fēng)量下，凍結(jié)間內(nèi)不同位置食品的凍結(jié)過程差異。

對于凍結(jié)間內(nèi)食品凍結(jié)，建立凍結(jié)過程工藝要求評價指標(biāo)。然后，分別建立凍結(jié)間內(nèi)間歇進貨方式下食品凍結(jié)過程中的庫房空氣模型、食品凍結(jié)模型、圍護結(jié)構(gòu)模型、制冷系統(tǒng)模型等動態(tài)模型。以食品凍結(jié)過程能耗為目標(biāo)函數(shù)，分別以凍結(jié)時間和凍結(jié)速率作為食品凍結(jié)工藝要求的約束條件，將約束條件以罰函數(shù)的形式寫入目標(biāo)函數(shù)。以制冷系統(tǒng)蒸發(fā)溫度和冷風(fēng)機風(fēng)量作為凍結(jié)間內(nèi)食品凍結(jié)過程的控制變量，計算制冷系統(tǒng)蒸發(fā)溫度和冷風(fēng)機風(fēng)量的優(yōu)運行方式。使用迭代動態(tài)規(guī)劃算法對于凍結(jié)間食品凍結(jié)過程的動態(tài)優(yōu)化問題進行求解。

結(jié)果表明，對于傳統(tǒng)運行方式，存在一個蒸發(fā)溫度和冷風(fēng)機風(fēng)量的優(yōu)組合，使規(guī)定時間內(nèi)完成凍結(jié)節(jié)能。在蒸發(fā)溫度保持不變或冷風(fēng)機風(fēng)量保持不變，以及兩者皆可隨意變化的條件下，凍結(jié)速率約束條件下的優(yōu)運行方式能夠獲得比凍結(jié)時間約束條件下的優(yōu)運行方式更好的節(jié)能效果。 在前述動態(tài)優(yōu)化結(jié)果的基礎(chǔ)上，提出分段凍結(jié)系統(tǒng)，在每個階段內(nèi)使用固定的蒸發(fā)溫度與冷風(fēng)機風(fēng)量，階段性的調(diào)整其運行方式。首先以凍結(jié)時間為約束條件，優(yōu)化計算不同分段數(shù)下的優(yōu)運行方式，結(jié)果表明，保持食品凍結(jié)時間不變時，分段數(shù)越多，優(yōu)運行方式下凍結(jié)過程越節(jié)能，但節(jié)能潛力都很小。然后，分析食品相變階段初始溫度場對于食品凍結(jié)影響，并在此基礎(chǔ)上，以食品凍結(jié)速率為約束條件，在不同的允許凍結(jié)時間下對凍結(jié)間內(nèi)食品凍結(jié)過程進行分段優(yōu)化，得到基于凍結(jié)速率的的優(yōu)分段運行方式，提出凍結(jié)間內(nèi)食品分段凍結(jié)系統(tǒng)并給出其運行方式。后，研究分段凍結(jié)系統(tǒng)設(shè)計中同時使用系數(shù)的計算方法。 對分段凍結(jié)系統(tǒng)進行實際應(yīng)用模擬及能耗分析。

對于一個有多個凍結(jié)間的實際冷庫，建立庫房模型和制冷系統(tǒng)模型，對其實際運行狀況進行模擬并與測試結(jié)果進行對比，以驗證模型的準(zhǔn)確性。在全年各月不同氣象參數(shù)和各月不同冷庫產(chǎn)量下，分別對傳統(tǒng)運行方式和分段凍結(jié)方式進行全年工況模擬，結(jié)果表明，采用分段凍結(jié)系統(tǒng)，根據(jù)各月凍結(jié)食品產(chǎn)量，采用不同的凍結(jié)時間，增加了冷庫內(nèi)同時投入使用的凍結(jié)間的數(shù)量，提高系統(tǒng)的COP值，減少冷風(fēng)機的耗能和散熱負荷，能夠獲得比較好的節(jié)能效果。