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摘要：冷链物流基地项目需要保持所存储物品处于规定的低温环境下，通过采用制冷的方式以保证存储物品的品质，减少物品的损耗。冷链物流基地项目的制冷工艺方案关乎整个项目的安全性、环保性和经济性，为项目建设过程中的重点关注内容。制冷工艺方案包含制冷剂、制冷系统、制冷设备等，内容牵涉面较多，同时与冷链物流基地项目的功能定位、运行模式、周边环境等因素有很大关系。文中从制冷工艺涉及内容，不同方案的适应特点，发展趋势等方面，对冷链物流基地项目制冷工艺方案进行介绍。
关键词：冷链物流基地项目、制冷工艺、方案选取
作者：张海舟 赵彦峰 刘杰 周桢
机械工业第六设计研究院有限公司
近年来，冷链物流基地项目在政策的引导支持和市场需求等多重推动下呈现多样化发展态势。目前，我国冷库建筑形式主要有两种: 一是较大跨度的单层冷库; 二是适当跨度的多层冷库。按运行模式可分为：以依托大型市场型冷链物流模式较适应传统模式的多层土建库；以生产加工企业为主导的自营冷链物流模式较适应高架库或自动化立体库；以大型连锁经营企业为主导的自营冷链物流模式较适应高架库或自动化立体库；以储备型冷链物流模式较适应多层土建库。
不同业态的项目决定了项目中冷库等建筑物的建筑形式、存储物品品规、周转效率，进出货方式等各自的特点，而不同的特点决定了项目制冷工艺方案的选取。故在确定制冷工艺方案前，应明确项目的运行模式，冷库的建筑形式，冷库温区的划分及进出货情况等信息。
比如为生产加工企业配套的冷库，进出货物品的温度、每日进货量指标与第三方存储型冷库的指标有很大差别，需前期明确，以便核实制冷系统负荷及温区的设定。
比如为大型连锁经营企业配套的高架库或自动化立体库，这种冷库的末端制冷设备以冷风机为主，多选择货仓式冷风机或阁楼式冷风机等形式。
氟氯烃化合物制冷剂的排放是致使臭氧层耗竭的祸首。ODP(ozone depletion potential)臭氧消耗潜值(臭氧衰减指数)，用于考察物质的气体散逸到大气中对臭氧破坏的潜在影响程度。《蒙特利尔议定书》制定了淘汰和限制CFCS和HCFCS类高ODP指标制冷剂的使用计划,冷库环境以R22类制冷剂为代表。
温室效应带来了一系列的环境问题，氢氟烃（HFCS）作为制冷剂，必将加速全球变暖的趋势。GWP( global warming potential )全球变暖潜能值，用于衡量物质相对于二氧化碳带来的全球变暖效果的比值。《京都议定书》把氢氟烃（HFCS）等列为需消减的温室效应物质，并制定了削减计划。冷库环境制冷剂以R404A、R507为代表。
中国政府报告中提出，扎实做好碳达峰、碳中和各项工作。为履行《〈关于消耗臭氧层物质的蒙特利尔议定书〉基加利修正案》，实现2024年氢氟碳化物（HFCs）生产和使用量冻结在基线值的履约目标，国内氟利昂类制冷剂供给将迎来刚性约束，氟利昂制冷剂价格也出现明显上涨。
根据相关政策及行业发展趋势，制冷系统制冷剂宜使用自然工质（氨、二氧化碳），大、中型冷库不宜采用氟利昂类制冷剂在冷间内直接蒸发制冷，从安全、环保角度考虑，应减少制冷剂的使用量。制冷剂选用二氧化碳，更加符合国家政策和行业发展方向，可以大幅度减少制冷剂充注量，减少对环境影响，降低后期环保及安全风险。
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表1 不同制冷剂性能比较
一般冷库常用的制冷系统有以下几种形式：
可分为氟利昂制冷系统、氨制冷系统、二氧化碳复合式制冷系统（如氟利昂与二氧化碳复叠/载冷，氨/二氧化碳复叠/载冷）。
根据国家标准《冷库设计标准》GB50072-2021的规定，大、中型冷库和大、中型制冷系统不宜采用卤代烃及其混合物在冷间内直接蒸发制冷。随着国家环保政策逐渐趋于严苛，纯氟利昂制冷系统用于大型冷库的可能性越来越小。氨作为自然工质，由于其优异的制冷性能，很早便应用于大型冷库和大型制冷系统，但由于氨遇明火易燃易爆，安全等级为B2级，使用场合及使用量受到限制。
二氧化碳复合式制冷系统兼顾了以上两种系统的特点，将氟利昂或氨限制在制冷机房内使用，大大降低了环保风险和安全风险，根据冷库库温的不同，可采用复叠式制冷系统（低温库）或载冷式制冷系统（高温库）。
可分为单级压缩、双级压缩、复叠式、载冷式等。单级压缩适用于常规高温库、低温库。双级压缩适用于低温工况，如速冻隧道等，具有能效高的突出优点。复叠式和载冷式，常见于二氧化碳复合式制冷系统，复叠式适用于低温库，载冷式适用于高温库。由于二氧化碳流动阻力较小，更适用于集中制冷站大型制冷系统。
可分为直接膨胀供液、桶泵供液、重力供液等。直膨供液较适用小型制冷系统，桶泵供液适用于大型制冷系统，重力供液适用于中小型制冷系统。
常用电动压缩式制冷系统主要由压缩机、冷凝器、节流装置、蒸发器等组成。
压缩机有活塞式、螺杆式、涡旋式。压缩机的制冷量应按温区设置，满足冷库生产旺季高峰负荷要求，同时兼顾库温稳定时负荷较低的调节需求。
常见活塞式压缩机为半封闭式，其单机输气量较小，制冷量相对小，较适合面积小的冷藏库使用，也可以选择多台压缩机头并联做成撬装机组使用，以适应面积较大的冷藏库。
螺杆式有开启式和半封闭式之分，开启式压缩机头（组）的制冷量较大，常用在大型冷库或速冻工况中；半封闭式螺杆压缩机头（组）的制冷量较小，对于大型冷库，一般选择多机头并联运行的形式使用。
冷库常用蒸发式冷凝器和风冷式冷凝器。蒸发式冷凝器又有顺流式和逆流式之分，对于寒冷地区，一般选择逆流式较多。
风冷式冷凝器一般单台的散热量相对较小，适合水资源不丰富，或者不方便使用水的地方或小型项目中。
节流装置可分为纯机械式（如热力膨胀阀、手动膨胀阀、浮球式节流阀）、电子控制式（电子膨胀阀、电动膨胀阀）。
冷库常用蒸发器有冷风机和排管。土建库可选用排管和冷风机两种形式，高架库多选择冷风机。
冷风机为强制对流换热，其降温快，适合发热量大，快进快出型冷库，但融霜相对频繁。一般有吊顶侧吹式，落地上吹式，货仓式、夹层箱式，吊顶双侧出风式等。
排管为自然对流换热，无吹风感，无风机能耗，同时干耗小，但降温速度相对较慢，适用于低温库，融霜时一般需要配合人工扫霜。一般有铝排管、U型钢排管，以及钢铝复合式排管。由于其制冷剂充注量大，具有库温保持时间长的特点。
其他换热形式的换热器有板式换热器（如氨与工艺冷水换热，氨与乙二醇溶液换热）、壳管式换热器（复叠/载冷系统）、板壳式换热器（复叠/载冷系统）等。
图1 蒸发式冷凝器原理图
1. 设备高效化
压缩机永磁变频技术、润滑技术等，提高能源转化率。提高蒸发器、冷凝器的换热效率技术。节流控制阀件的精准供液技术，确保库温的稳定运行。
2. 系统集成化
集成压缩机组、换热器、压力容器及控制系统于一体，研发适应多种工况的模块化机组，提高制冷系统整体效率、安全性和稳定性。
3. 运维智慧化
采用物联网、人工智能等技术，智能控制压缩机、冷凝器、蒸发器等运行，依据不同运行工况的设定，实现相适应的系统控制策略，实现自学习、自适应的智慧化运维，降低制冷系统的运行能耗。
1. 自然工质制冷技术
二氧化碳跨临界技术在商超冷柜中的应用，自然工质制冷剂氨低充注量技术在中大型冷库中的应用。
2. 能源阶梯利用技术
制冷系统在工作中产生大量的冷凝热，利用热泵制热技术，可以回收冷凝废热，制备热水及蒸汽，用于供给预制菜冷链产业园项目、食品产业园项目或屠宰类项目，满足生产和生活用热需求，做到冷热联供，带来可观的经济效益和很好的社会效益。
周边有大量废热的冷链物流基地项目，可利用吸收式氨水制冷技术，产生低温冷量供给冷库使用；周边有大量使用液化天然气（LNG）的冷链物流基地项目，可利用换热机组，产生低温冷量供给冷库使用。
3. 可再生能源蓄冷储能技术
利用可再生能源，进行相变材料蓄冷储能，可在移动式制冷设施或冷库中应用，减少化石能源的使用，减少冷链物流基地项目的碳排放量。
制冷工艺的制冷站房在总图平面中，宜设置在用冷负荷中心位置，同时考虑配套变配电站房及制冷控制室的位置；氨制冷站房应考虑氨制冷设备和管道与厂区外民用建筑的最小距离要求；直膨式供液制冷系统的站房应考虑输送距离和输送高度的限制；以二氧化碳为制冷剂或载冷剂的制冷系统，可选用综合制冷站，负责多个冷库，从而减少设备的初投资。
对于多层钢筋混凝土冷库，制冷工艺设备及管线的吊点需在土建浇筑施工时，进行定位预埋施工，以便后期制冷工程安装施工。对于钢结构冷库，需考虑冷库蒸发器的安装净高、设备吊装荷载要求。
对于首层低温库，结合项目地质条件及建筑轮廓考虑采用架空层、机械通风、自然通风或地坪加热防冻措施。
制冷管线穿库房保温处，应做好防结露处理；穿屋面楼板处，应做好防水处理。
制冷系统融霜如采用水冲霜，宜设置冲霜水加热系统；通风系统应考虑制冷站房的事故通风，高温库库内的通风换气；冷库制冷系统采用二级负荷供电，需考虑冷库保温所需的供电负荷。
宁波农副产品冷链物流中心项目
项目规模：用地面积约460亩，建筑面积约32万平方米。
建设内容：多层冷库、冻品交易中心、蔬菜交易中心、肉禽蛋交易中心及生活办公配套。
项目定位：以批发为主、零售为辅的“3＋1”模式的专业批发市场，主营水果、蔬菜、肉禽蛋、冻品，兼营副食品，系高集聚、强辐射、现代化、综合性的区域性绿色农副产品物流中心。
制冷工艺方案：冷库库容量10万吨，为低温库，采用环保氟+二氧化碳复叠制冷技术，末端为冷盘管。
西安国际港铁海国际物流园
项目规模：用地面积约630亩，总建筑面积约50万平方米。
建设内容：国际海铁联运中心、冷链物流服务中心、国际商贸服务中心、供应链综合服务中心。
项目定位：建成具有国际国内影响力的国家海铁联运示范工程、国家级冷链骨干基地、西安市冷链食品集中监管总仓和国内一流的绿色智慧物流示范园区，有效支撑西安国家物流枢纽建设。
制冷工艺方案：六栋多层冷库包含低温库、高温库及变温库，低温库采用氨+二氧化碳复叠制冷，高温库采用氨+二氧化碳载冷制冷，末端为冷风机形式。
冷链物流基地项目制冷工艺设备选型及制冷系统设计需从高效、节能、安全、可靠方面综合考虑，制冷工艺方案的选定需结合项目定位、运维模式、投资规模、货物特性、总体布局、建筑形式等方面综合比选。冷链物流基地项目制冷工艺可从产品高效化、制冷剂天然化、冷源自然化、用能可再生化、系统智慧化五个方面综合利用，做到项目的低碳运行。
本文内容源自《物流技术与应用》2024年冷链增刊
