冷鏈物流冷庫綠色設計的理念與探析

時間：2024-10-06 06:36:23來源：admin01欄目：冷鏈新聞閱讀：

摘要：在節能減排與“雙碳”目標政策的影響和要求下，節約能耗、提高綜合能效比、減少碳排放量等技術指標對冷庫設計提出新的挑戰。本文結合理論分析和工程經驗，從可再生資源與余熱及余冷的循環利用、圍護結構的選擇、制冷劑與制冷系統的選擇及界定、冷間規劃布局與貨架應用、智能化管理與控制等方面提出新的思路和可行性建議，以期為冷庫設計和冷庫建設提供幫助，并促進冷鏈物流冷庫綠色可持續發展。

關鍵詞：冷鏈物流冷庫、綠色設計、節約能源、環境友好、智能控制

冷鏈物流是利用溫控、保鮮等技術工藝和冷庫、冷藏車、冷藏箱等設施設備，確保冷鏈產品在加工、儲存、運輸、銷售、流通等全過程始終處于規定環境下的系統工程。其中，冷鏈產品在冷庫中的儲存是其質量保證的關鍵環節，儲存過程中的能耗與費用在整個冷鏈物流中也占有相當大的比重，因此冷庫建設成為冷鏈物流新基地的重要內容。

2023年6月6日，在河南鄭州召開的2023年綠色冷鏈發展峰會上，國家發展改革委相關負責人強調，對于冷鏈物流低碳發展的方向，必須把綠色發展理念貫穿到全鏈條、各領域，注重技術裝備研發改觀，研究制定冷庫、冷藏車等能效標準，完善綠色冷鏈物流技術裝備認證及標準體系。結合《“十四五”冷鏈物流發展規劃》和“碳達峰、碳中和”目標，筆者以冷鏈物流中的冷庫建設為契機，從節能減排、環境和諧等方面精簡論述、探析“綠色概念”的設計理念。

一、國內冷鏈物流冷庫現狀及發展

2018年以來，在市場需求、國家政策刺激等多項因素影響下，冷鏈物流冷庫如雨后春筍般快速增長，在全國各地布局開發。通過工程設計、同行交流、案例資料的閱讀等方式了解，現行冷鏈物流冷庫大部分為鋼結構裝配式冷庫，有單層、雙層、立體冷庫之分；制冷系統中的制冷劑大部分選用R507，少量選用R744；制冷系統型式以直接膨脹供液方式為主，桶泵供液方式相對較少，R507/R744載冷系統或復疊系統只在少量工程項目中應用。

近年來，我國冷鏈物流市場規模快速增長，國家骨干冷鏈物流基地、產地銷地冷鏈設施建設穩步推進，冷鏈裝備水平顯著提升，截至2020年，冷鏈物流市場規模超過3800億元，冷庫庫容近1.8億立方米[1]。2023年9月22日，中國物流與采購聯合會公布的數據顯示，1～8月份我國冷鏈物流需求總量為2.4億噸，同比增長5.35%。業內專業人士分析，在政策的大力支持下，我國冷鏈物流運行總體情況持續向好，保持企穩回升態勢，冷鏈物流行業有望迎來黃金發展期。

二、冷鏈物流冷庫綠色設計

冷鏈物流冷庫在建設期需要投入大量的建設資金，在運營期需消耗大量電能以保持冷庫內的溫度，同樣需要投入大量的運營資金。因此，在擬定冷鏈物流冷庫方案時，不應只關注冷庫建設期的投資，冷庫運營期的能量消耗、運營管理費用的節約同樣是關注的焦點。我們要以長遠發展的眼光，從冷鏈物流冷庫項目的全生命周期統籌擬定建設方案和運用方案，以及內在因素和外在影響；從節約能源、與環境友好和諧、為貨物提供安全適用和高效的使用空間、為運行管理提供健康工作環境等方面，考慮冷鏈物流冷庫的綠色設計。

1.節約能源

冷庫“維冷”是一個系統工程，為保證庫內溫度達到使用要求，既要克服外界環境熱量的侵入，又需要制冷系統提供足夠的冷量。制冷系統運行遵循“能量平衡”的自然規律，通過消耗電能，把庫內的熱量和消耗的電能共同排放到外界環境中。

（1）圍護結構厚度的選擇

現代冷鏈物流冷庫中，墻體、屋面常用聚氨酯（PIR）雙面彩鋼保溫板為圍護結構保溫材料，地面常用具有一定抗壓強度的擠塑板（XPS）為保溫材料，其厚度與允許的單位面積熱流量有關，圍護結構允許的單位面積熱流量越大，其厚度選擇越小，反之，其厚度選擇越大。《冷庫設計標準》GB50072-2021明確規定冷間外墻、屋面圍護結構的單位面積熱流量可在6～11W/m2范圍內選擇，日本、法國和美國規定，單位面積熱流量分別不超過7.2W/m2、8.0W/m2和6.3W/m2[2]。為節約能源、減少庫溫波動，建議在6～8W/m2的范圍內確定圍護結構保溫層的厚度。

（2）建立分布式園區光伏發電系統

《冷庫單位產品能源消耗指標》DB31/595-2021明確了冷鏈物流冷庫的單位產品能源消耗基準值：凍結物冷藏為0.48～0.60kW.h/t·d，冷卻物冷藏為1.08kW.h/t·d，按此基準推算，凍結物冷藏與冷卻物冷藏比例為4:1的10000t冷庫，滿庫運轉的情況下，每天耗電量約為6825kW.h，可見冷庫能耗在冷鏈物流體系中占比較大。

太陽能光伏發電作為無污染、廉價、人類能夠自由利用的可再生資源，成為能夠改變人類能源結構的關注焦點。為節約能源，降低運營費用，在冷鏈物流園區的建筑屋面上架設太陽能光伏電池組件，并配置太陽能光伏發電、供電系統，利用調頻、調峰聯合能源的綜合手段，以滿足自身負載的需要，多余或不足的電力通過電網來調節。

（3）制冷系統余熱的利用

制冷系統正常運行過程中，制冷機組排出的熱量通過冷凝器排向外界大氣環境，為提高能源回收利用，減少排氣對大氣環境的影響，在制冷壓縮機的排氣管道上設置熱氣融霜管和與熱回收器連接管道。熱氣融霜管與冷卻設備連接，通過閥門切換實現自動融霜；制冷機組排出的熱量通過熱回收器與多元醇不凍液實現熱量交換，通過溫度控制器與電動閥聯控實現對多元醇的加熱及溫度控制，溫度升高后的多元醇作為冷庫地坪防凍加熱或冷風機融霜的熱源。

（4）制冷系統余冷的利用

凍結物冷藏間內的冷風機在運轉過程中，傳熱管及翅片表面的霜層會不斷增厚，由于霜層會影響冷風機的風量及制冷效果，通過PLC程序設計自動熱工質融霜，把低溫融霜水引向蒸發式冷凝器的接水盤或遠置水箱，既節省了補水量，又降低了冷卻循環水的溫度，冷凝溫度同時降低。冷凝溫度每降低1℃，單位制冷量的耗電將降低4%～5%左右[3]，可見融霜水的循環利用，能夠較大比例地節約電能。

2.環境友好和諧方面

制冷系統中制冷劑的ODP和GWP值，是影響大氣臭氧層變薄和環境溫室效應的兩個指標，事關環境友好和諧。我們應從使用天然制冷工質或GWP值低的制冷劑、減少制冷劑的充注量、減少制冷劑的排放量等方面考慮綠色設計。

（1）制冷劑的選擇

在現代化冷庫中，大體上有R717、R507、R744、R134a四種制冷劑分別在不同的冷庫制冷系統中使用，其中R717、R744是天然制冷工質，對大氣環境影響較小，R507、R134a的GWP值較高，對大氣環境變暖有較大的不利影響。由于R717有毒、有味、易燃、易爆且安全等級為B2級制冷劑，在安全上有一定的危險性，最近幾年氨庫安全事故頻發，使得政府部門加大了對氨制冷系統的管理力度。因此，現代冷鏈物流冷庫中，選擇R717的較少；R134a的沸點為-26.5℃，一般在高溫制冷系統中使用，具有高、低溫冷藏間的現代物流冷庫中很少使用；R744的臨界溫度為31.1℃，在常規的自然環境下，為減少排氣溫度，一般選用亞臨界二氧化碳制冷系統，即二氧化碳的載冷系統或復疊系統，由于二氧化碳制冷系統的工作壓力及初期投資較高，選用R744的較少；總之在現代冷鏈物流冷庫中，使用最多的制冷劑為R507。

經過理論計算確定，在蒸發溫度低于-20℃的工況下，R717/R744復疊制冷系統的COP值高于單級NH3壓縮制冷系統、單級NH3壓縮載冷劑制冷系統與雙級NH3壓縮載冷劑制冷系統；在蒸發溫度低于-40℃的工況下，R717/R744復疊制冷系統的COP值高于雙級NH3壓縮制冷系統[4]。結合國家的“雙碳”目標政策和國外高GWP值制冷劑的禁用年限：2016年美國環境保護部（EPA）公布了兩項新法規，自2021年1月1日起，禁止一批高GWP值制冷劑在某些新生產產品中使用，包括R134a，自2023年1月1日起，禁止R507在新生產的冷庫設備中使用，從安全性、能效比、制冷劑充注量、系統回油及潤滑油的影響、投資成本、投資回收期等方面綜合考慮，建一座或兩座物流冷庫設置一個制冷機房，內設一套氨制冷系統，通過自動調節分配帶動二氧化碳復疊系統、二氧化碳載冷系統、含蓄冷功能的不凍液載冷系統，以滿足凍結物冷藏間或凍結間（庫溫＜-25℃）、凍結物冷藏間（庫溫≥-25℃）、冷卻物冷藏間（0℃左右）或穿堂的降溫要求。

（2）設置自動型空氣分離器

由于抽真空未徹底、充注制冷劑或潤滑油帶入空氣、制冷劑或潤滑油高溫下的分解等原因，制冷系統中可能會存在少量的不凝性氣體，一般存在于冷凝器和高壓貯液器中。制冷系統中有不凝性氣體存在時，就會引起系統中的冷凝壓力升高、耗電量增加[5]。根據制冷系統中放空氣的位置點數選擇自動型空氣分離器型號，通過溫度控制器、液位控制器與電磁閥的聯控技術實現混合氣體的冷卻、分離、排放過程，可以降低冷凝壓力、節約能源，又可以減少混合氣體中的制冷劑直接排向大氣、減少對環境的污染。

3.安全、適用、高效的冷藏空間

（1）冷鏈物流冷庫中大量的貨物或食品需要在合適的溫度、相對濕度、良好空氣質量環境下儲存，才能保證貨物或食品的質量安全，為此要考慮冷間溫度和相對濕度的探測、顯示、控制、報警功能，以及空氣質量檢測、分析、報警功能；冷間內嚴禁設置閥門和法蘭，冷卻設備的調節閥可集中設置在專門規劃的調節站間內。

（2）冷間規劃和布局時，綜合考慮貨架的布置型式與尺寸、運輸工具所需通道寬度、貨物距墻及頂的距離，合理布置冷藏間空間，冷藏間外墻的長寬比不超過2[6]，以保證冷間空間的高效利用，減少貨物在冷間中的進、出庫時間。

4.運行管理的健康工作環境

冷鏈物流冷庫的運行管理，包括冷鏈物流的運行管理和制冷系統的運行管理。

（1）冷鏈物流的運行管理

①冷藏間設置外墻長度60m以下、長寬比不超過2，可以減少運營人員的工作強度及在冷間中的工作時間，提高工作效率。

②布局規劃小型堆垛機立體冷庫，以其高效、靈活和節省空間的特點，提高倉儲效率，降低運營成本；以其智能自控的特點，提高貨物儲存的精確性和準確性，有助于更好地管理庫存水平和減少庫存損失。

③搭建專業的物流信息平臺，建設一體化OMS訂單管理系統，具體包括BMS計費管理系統、WMS倉庫管理系統、TMS運輸管理系統，對倉儲費用、入庫管理、盤點管理、出庫管理、單據報表、調度管理、運輸管理、質量管理等工作環節數據自動化采集、傳輸和儲存。

（2）制冷系統的運行管理

制冷系統采用全自動PLC集成控制系統，利用計算機和云計算輔助管理，實現本地操作、遠程操作多點管理功能和集中監控、手機端監控等監控功能，實現整個制冷系統的最優運行方案，所有數據可以上傳至物聯網平臺，真正實現大數據管理、節能管理和分析。

三、結束語

節能減排是當今世界范圍內的一大主題，“雙碳”目標是我國提出的促進人與自然和諧共生、構建人類生命共同體的戰略要求。因此冷鏈物流冷庫設計也要適時而進、順應這一潮流和趨勢，本著“綠色設計”的理念，提升我國冷鏈物流技術在國際范圍內的影響力，另外隨著光伏、碳交易、數字孿生等熱點的產生，“綠色”的冷鏈物流將迎來廣闊的發展前景。

參考文獻:

[1]國家發展改革委員會.“十四五”冷鏈物流發展規劃[J].2021.12.23.

[2]尉遲斌，盧士勛，周祖毅.實用制冷與空調工程手冊[M].機械工業出版社，2015：349.

[3]趙育川.冷藏庫的節能減排[J].制冷技術，2010(3):48-52.

[4]田雅芬，趙兆瑞等.CO2復疊制冷系統與載冷劑制冷系統適用范圍研究[J].制冷學報，

2016(4):22-29.

[5]商業部冷藏加工企業管理局.冷庫制冷技術[M].中國財政經濟出版社，1980:585.

[6]中國制冷學會.綠色冷庫評價方法[M]，5.

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