冷库中食品加工过程包括冷却、冷藏和冻结等，不同的食品加工过程具有不同的特点以及工艺要求，然而，现有的冷库的节能优化研究大都单纯地从冷库动力系统的角度出发，并未充分考虑不同食品加工过程的区别。

  

   另外，现有研究大都使用静态优化方法，这些方法适用于食品冷藏等连续过程，并不适用于食品冻结和冷却等间歇过程。本文针对冷库中包装食品的冻结过程进行节能优化研究，在单体食品冻结过程和冷库中食品冻结条件分布研究的基础上，对食品冻结过程进行动态优化，提出基于食品冻结工艺要求的分段冻结系统及其运行方式。

 

   首先，针对冷库内带包装食品的冻结过程，建立单体包装食品的冻结过程模型。使用焓法建立食品内部传热过程模型，以自然对流和辐射换热处理食品自身与包装之间的空气层内部的传热，使用CFD方法模拟食品周围的空气温度以及食品对流换热系数，最后通过迭代方法对包装食品的冻结过程进行模拟。通过不同包装分割肉的冻结实验对模型进行验证，结果表明，本文提出的模型相对于使用导热或者忽略空气层的现有处理方法，能够更加准确的模拟包装食品的冻结过程。 

   
    在单体食品冻结过程模拟的基础上，对冻结间内空气参数分布进行模拟，研究了食品冻结条件分布对于食品冻结的影响。首先通过风道数值模拟，计算不同空气参数下的食品对流换热系数并拟合成无因次关联式。然后，使用CFD方法模拟冻结间在空库和满载情况下的流场和温度场分布，计算冻结间内不同位置食品的冻结条件，并进行敏感度分析以研究冻结间内空气温度和空气流速对于食品冻结过程的影响。最后，对冻结间内食品冻结条件进行不均匀度分析，以研究不同冷风机风量下，冻结间内不同位置食品的冻结过程差异。

 

   对于冻结间内食品冻结，建立冻结过程工艺要求评价指标。然后，分别建立冻结间内间歇进货方式下食品冻结过程中的库房空气模型、食品冻结模型、围护结构模型、制冷系统模型等动态模型。以食品冻结过程能耗为目标函数，分别以冻结时间和冻结速率作为食品冻结工艺要求的约束条件，将约束条件以罚函数的形式写入目标函数。以制冷系统蒸发温度和冷风机风量作为冻结间内食品冻结过程的控制变量，计算制冷系统蒸发温度和冷风机风量的最优运行方式。使用迭代动态规划算法对于冻结间食品冻结过程的动态优化问题进行求解。

 

   结果表明，对于传统运行方式，存在一个蒸发温度和冷风机风量的最优组合，使规定时间内完成冻结最节能。在蒸发温度保持不变或冷风机风量保持不变，以及两者皆可随意变化的条件下，冻结速率约束条件下的最优运行方式能够获得比冻结时间约束条件下的最优运行方式更好的节能效果。 在前述动态优化结果的基础上，提出分段冻结系统，在每个阶段内使用固定的蒸发温度与冷风机风量，阶段性的调整其运行方式。首先以冻结时间为约束条件，优化计算不同分段数下的最优运行方式，结果表明，保持食品冻结时间不变时，分段数越多，最优运行方式下冻结过程越节能，但节能潜力都很小。然后，分析食品相变阶段初始温度场对于食品冻结影响，并在此基础上，以食品冻结速率为约束条件，在不同的允许冻结时间下对冻结间内食品冻结过程进行分段优化，得到基于冻结速率的的最优分段运行方式，提出冻结间内食品分段冻结系统并给出其运行方式。最后，研究分段冻结系统设计中同时使用系数的计算方法。 对分段冻结系统进行实际应用模拟及能耗分析。

 

   对于一个有多个冻结间的实际冷库，建立库房模型和制冷系统模型，对其实际运行状况进行模拟并与测试结果进行对比，以验证模型的准确性。在全年各月不同气象参数和各月不同冷库产量下，分别对传统运行方式和分段冻结方式进行全年工况模拟，结果表明，采用分段冻结系统，根据各月冻结食品产量，采用不同的冻结时间，增加了冷库内同时投入使用的冻结间的数量，提高系统的COP值，减少冷风机的耗能和散热负荷，能够获得比较好的节能效果。