我国北方地区,夏季炎热,冬季漫长寒冷,具有十分丰富的自然冷资源。夏季果蔬等生鲜农产品贮藏保鲜和人、畜环境调控等都需要消耗大量的能源,这不但加剧了能源危机,同时也加大了碳的排放和环境污染。若充分利用北方地区的气候特点,在冬季以冰的形式蓄冷,储存到夏季利用,可实现能源的节约和环境的改善。本文针对北方地区自然气候条件,分析了水的结冰过程及温度、湿度、风速等环境因素对结冰厚度的影响,进一步利用回归方程法建立了水-冰相变界面随温度、风速和时间变化规律的数学模型。课题的研究为大规模利用自然冷资源进行农产品贮藏保鲜技术中贮冰规模确定、最佳制冰形式、冰的贮存及蓄冷效率等提供了理论依据和实践参考。本文借鉴国内外自然环境下水-冰相变特性的相关理论和试验研究,结合北方气候特点,设计了快速冻冰蓄冷的试验装置及其控制系统,主要内容及结论如下：1)通过分析结冰理论及温度、风速和结冰时间等因素的变化范围及耦合关系,确定了冻冰试验的总体方案,通过实验建立了结冰规律的数学模型,并进一步进行了试验验证,表明该数学模型可以较好地预测水在外界自然环境下,随环境温度、风速及时间的冻冰规律,为冻冰方案、冻冰时间和总冻冰量的确定提供了依据。2)采用虚拟仪器技术通过采集卡和输出模块,将计算机、虚拟仪器、传感器及数据库等技术进行有机的结合,选择相应的温度、湿度、风速传感器和执行机构作为控制系统的硬件部分,以虚拟仪器软件作为平台,借助RM417采集卡及RM441输出模块、远端输出量开关模块和计算机等硬件,设计了以LabVIEW软件为开发平台的冻冰库自动控制系统。实现了对整个冻冰库内温度、湿度、风速的测量与控制和数据的采集、存储与显示。对整个冻冰库系统的电路部分进行全面的分析,对线路进行合理的布局,设计了总线和执行机构控制电路。3)设计了影响结冰厚度环境参数的试验。采用Design Expert软件对试验结果进行分析,得到环境参数冻冰温度、风速和结冰时间对结冰厚度影响的回归方程,为大规模利用贮冰蓄冷提供试验参考。4)以]20吨马铃薯贮藏保鲜库为例,设计了一套分层喷水快速冻冰装置,确定了冻冰生产方案,对自然冰蓄冷量及房屋空调和果蔬保鲜冷量交换过程中冷源的失效温度进行了计算和分析,并且对贮冰库进行了结构设计和参数计算。5)以存储量为120吨的马铃薯保鲜库为例,计算了该保鲜库全年的耗冷量及用冰总量。通过对比机械制冷保鲜库的经济效益分析表明,利用自然冰蓄冷进行果蔬保鲜具有更好的经济效益和环境效益。