我国北方冬季漫长寒冷,自然冷资源丰富,夏季短暂炎热,利用此气候特点,冬季贮冰至夏季用于生鲜、农副产品的贮藏保鲜,可大大节约能源。目前常规制冷保鲜库多采用电能驱动,使用制冷剂造成环境污染,同时消耗大量能源。在能源危机和环境污染日益严峻的情况下,利用自然冷资源贮冰蓄冷保鲜蔬菜水果即节约能源又保护环境,是一种清洁的绿色能源。合理开发利用可再生清洁能源代替传统消耗性能源,是解决能源短缺和环境污染的关键。本文分析国内外自然冷能利用的先进技术,结合北方地区气候特点及试验条件,设计了一套引入自然冷能的降温加湿装置,冬季贮冰至夏季释放冷量后得到温度较低的冷水,代替传统制冷剂以间接换热、内循环制冷方式,预冷时间短,储冰室与保鲜库分离,大大提高保鲜库空气质量。利用LabVIEW软件平台开发了空调环境自控系统,实现温度、湿度自动控制和多点同时降温。本文主要研究内容和结论如下:(1)对保鲜库自动控制系统整体方案进行设计。基于虚拟仪器技术为平台,利用PCI-6225数据采集卡、远端模拟量输出模块RM441、温湿度传感器、CO2气体浓度传感器、漏电保护器与计算机等硬件,搭建空调测控系统,对环境参数进行采集、存储、显示、控制等操作。可实现对保鲜库内温度、湿度、二氧化碳气体浓度等各物理参数的测量与控制。通过Lab VIEW与Microsoft Access数据库通讯,利用强大的数据库管理功能对采集的数据进行存储、检索、查询、删除等操作。(2)设计基于自然冷能贮冰蓄冷的冰水混合间接换热系统,对其核心设备翅片管式换热器的结构参数进行设计计算,根据保鲜库需冷量计算得出迎风面积0.16 m2、总传热面积8.6m2、换热管总长度25.5m的四管排翅片管式换热器。采用Design-expert8.0软件分析冰水流量、迎面风速、换热管长三个因素对换热量和压力降的影响。建立回归模型,得出换热量最佳且压力降最低的寻优结果为:迎面风速2.86m/s、冰水流量0.85m3/h、换热管长24.36m,可得最优换热量4.92k W、压力降56.98Pa。(3)利用ANSYS FLUENT软件,对翅片管式换热器空气测的流动与换热特性进行数值模拟,并进行试验验证,得到温度场、速度场、压力场、平均场协同角的分布规律。分析不同迎面风速、来流入角、来流温度等对流动换热特性的影响。结果表明:迎面风速对换热影响显著,迎面风速分别取1.5~4m/s 6个不同值时,换热系数和压力降分别增加了133%、428%;来流入角对翅片侧的气流分布影响大,过大或过小的来流入角会产生涡流及气流分布不均匀现象,影响传热性能。来流入角30°时比0°时换热系数增加了18.7%,即迎面风速方向沿着冰水流动的方向呈逐渐降低的分布方式,对换热有利;利用场协同原理分析了平直翅片管式换热器的换热特性,迎面风速在1.5~3.5 m/s范围内时,平均场协同角随迎面风速增加而增加,平均场协同角度增加了12%,流场与温度场的协同情况变差,对强化换热不利。当风速达到3.5m/s后,协同角度几乎不随风速变化,最佳迎面风速范围介于2.5~3m/s之间。(4)在综合分析传统湿冷系统基础上引入自然冷能,设计了喷雾式冷风机湿冷系统。此系统同样具备“三循环”,即喷雾水循环、冰水循环、湿空气循环。分析和测试了喷淋水量、迎面风速、湿球温度对湿冷系统制冷性能的影响。试验结果表明:迎面风速和喷淋水量是影响湿冷系统运行效果的主要因素,换热系数随着迎面风速和喷淋水量的增加而增加,达到最佳值后增加趋势平缓。当喷淋水量从0.08m3/h增至0.2m3/h,制冷量平均变化率增加了60.7%,确定最小喷淋水量为0.14 m3/h;迎面风速取1.5~4m/s范围,总换热系数增加了46%,空气对流传质系数和能效比(EER)分别增加了43%和5%,最佳迎面风速3 m/s,最小喷淋水量0.14m3/h时,换热系数高达114.78W/(m2·K);喷淋水的温度对空气降温几乎无影响;制冷量和能效比(EER)均随入口湿球温度的升高而减小,空气湿球温度从12℃增大至24℃时,制冷量和能效比分别减少了5%和5.3%,空气入口湿球温度高对换热不利,此湿冷系统适合北方干燥的地区使用;干工况下总换热系数比喷雾工况总换热系数下降了75%,该湿冷系统预冷时间短,实现低温(3.8℃)、高湿(92%RH~100%RH)且相对稳定的保鲜环境。(5)冰水制冷保鲜库内最低温度在4℃左右,而大多果蔬保鲜温度介于5℃~7℃区间,部分农产品保鲜需要0℃~4℃,采用盐水冻冰制冷可大幅降低保鲜库温度,扩大农产品保鲜贮藏温度范围。利用Design-expert8.0软件分析了迎面风速、盐水浓度、管排数三个因素对保鲜库内温度的影响,以温度最低为优化目标的最优参数为迎面风速3.5 m/s、盐水浓度10%、5管排换热器时,保鲜库内最低温度为-1.12℃。(6)按保鲜库实际储量进行2t西红柿的保鲜计算。计算全年运行耗冷量及需冰量,与传统湿冷系统、普通机械制冷保鲜库进行成本效益对比分析,三种保鲜库初期建设成本分别为6.11万元、8.06万元、8.6万元,全年电费消耗分别为0.19万元、0.38万元、0.77万元,引入自然冷能可减少0.4t二氧化碳气体的排放量,按保鲜库使用周期10年计算,将自然冷资源引入果蔬保鲜库中,可大大节约运行成本,同时降低二氧化碳排放量,提高其环境效益和经济效益,有很大的发展前景。