冷庫中食品加工過程包括冷卻、冷藏和凍結等，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和冷卻等間歇過程。本文針對冷庫中包裝食品的凍結過程進行節(jié)能優(yōu)化研究，在單體食品凍結過程和冷庫中食品凍結條件分布研究的基礎上，對食品凍結過程進行動態(tài)優(yōu)化，提出基于食品凍結工藝要求的分段凍結系統(tǒng)及其運行方式。

 

   首先，針對冷庫內帶包裝食品的凍結過程，建立單體包裝食品的凍結過程模型。使用焓法建立食品內部傳熱過程模型，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，最后通過迭代方法對包裝食品的凍結過程進行模擬。通過不同包裝分割肉的凍結實驗對模型進行驗證，結果表明，本文提出的模型相對于使用導熱或者忽略空氣層的現有處理方法，能夠更加準確的模擬包裝食品的凍結過程。 

   
    在單體食品凍結過程模擬的基礎上，對凍結間內空氣參數分布進行模擬，研究了食品凍結條件分布對于食品凍結的影響。首先通過風道數值模擬，計算不同空氣參數下的食品對流換熱系數并擬合成無因次關聯式。然后，使用CFD方法模擬凍結間在空庫和滿載情況下的流場和溫度場分布，計算凍結間內不同位置食品的凍結條件，并進行敏感度分析以研究凍結間內空氣溫度和空氣流速對于食品凍結過程的影響。最后，對凍結間內食品凍結條件進行不均勻度分析，以研究不同冷風機風量下，凍結間內不同位置食品的凍結過程差異。

 

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

 

   結果表明，對于傳統(tǒng)運行方式，存在一個蒸發(fā)溫度和冷風機風量的最優(yōu)組合，使規(guī)定時間內完成凍結最節(jié)能。在蒸發(fā)溫度保持不變或冷風機風量保持不變，以及兩者皆可隨意變化的條件下，凍結速率約束條件下的最優(yōu)運行方式能夠獲得比凍結時間約束條件下的最優(yōu)運行方式更好的節(jié)能效果。 在前述動態(tài)優(yōu)化結果的基礎上，提出分段凍結系統(tǒng)，在每個階段內使用固定的蒸發(fā)溫度與冷風機風量，階段性的調整其運行方式。首先以凍結時間為約束條件，優(yōu)化計算不同分段數下的最優(yōu)運行方式，結果表明，保持食品凍結時間不變時，分段數越多，最優(yōu)運行方式下凍結過程越節(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影響，并在此基礎上，以食品凍結速率為約束條件，在不同的允許凍結時間下對凍結間內食品凍結過程進行分段優(yōu)化，得到基于凍結速率的的最優(yōu)分段運行方式，提出凍結間內食品分段凍結系統(tǒng)并給出其運行方式。最后，研究分段凍結系統(tǒng)設計中同時使用系數的計算方法。 對分段凍結系統(tǒng)進行實際應用模擬及能耗分析。

 

   對于一個有多個凍結間的實際冷庫，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果進行對比，以驗證模型的準確性。在全年各月不同氣象參數和各月不同冷庫產量下，分別對傳統(tǒng)運行方式和分段凍結方式進行全年工況模擬，結果表明，采用分段凍結系統(tǒng)，根據各月凍結食品產量，采用不同的凍結時間，增加了冷庫內同時投入使用的凍結間的數量，提高系統(tǒng)的COP值，減少冷風機的耗能和散熱負荷，能夠獲得比較好的節(jié)能效果。