大中型冷庫采用分散式供冷分析

周金坤

?

大中型冷庫采用分散式供冷分析

周金坤

（浙江商業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 杭州 310053）

冷庫供冷方式可分集中供冷和分散供冷二種，這二種供冷方式各有優(yōu)缺點。目前我國大中型冷庫大多采用集中式氨制冷系統(tǒng)，但集中式氨制冷系統(tǒng)復(fù)雜，注氨量大，具有較大安全隱患。在大中型冷庫中采用分散式制冷系統(tǒng)，與集中式氨制冷系統(tǒng)相比，可以確保冷庫運行安全，不會增加投資成本和運行管理成本。在未來的大中型冷庫建設(shè)中，采用分散式氨制冷系統(tǒng)是可行的。

分散式；集中式；制冷系統(tǒng)；氨；鹵代烴

0 引言

自2010年6月國家發(fā)改委發(fā)布《農(nóng)產(chǎn)品冷鏈物流發(fā)展規(guī)劃》以后的五年時間里，我國冷庫建設(shè)呈現(xiàn)井噴式發(fā)展，從當(dāng)時的880萬噸[1]，迅速增加到2014年底的3320萬噸[2]。新建冷庫以大型和超大型冷庫群為主。隨著這幾年冷庫建設(shè)的高速發(fā)展，大中型冷庫建設(shè)越來越多，冷庫的規(guī)模越來越大。而在大中型冷庫中，大多是采用氨為制冷劑的集中式制冷系統(tǒng)。

2013年，吉林、上海等地發(fā)生的氨冷庫制冷系統(tǒng)泄漏爆炸重大事故[3]，引發(fā)了人們對氨冷庫的恐慌，這導(dǎo)致了人們對建設(shè)氨冷庫的重新思考，探討氨冷庫的安全性問題，尋求提高氨系統(tǒng)安全性的方法與措施。為此，筆者對在大中型冷庫中采用分散式制冷系統(tǒng)的安全性和經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了分析。

1 冷庫制冷系統(tǒng)供冷方式

冷庫制冷系統(tǒng)供冷方式有集中供冷和分散供冷二種方式。

1.1 集中式供冷

所謂集中式供冷是把制冷裝置的壓縮機(jī)和其它輔助設(shè)備安裝在機(jī)房內(nèi)，增加氣、液調(diào)節(jié)站，用供液、回氣管道把各庫房的冷卻設(shè)備連接起來。整套制冷裝置可以承擔(dān)冷加工、冷藏、制冰等多種制冷系統(tǒng)負(fù)荷，并且向各個冷間供冷[4]。集中式供冷如圖1所示。

冷庫按照制冷系統(tǒng)所選用的工質(zhì)不同，可以分為氨冷庫和氟利昂（鹵代烴）冷庫。不管是氨冷庫還是氟利昂冷庫都可以采用集中式供冷。但是，集中式供冷其機(jī)房與庫房分開，對冷卻設(shè)備供液的管路較長，供液方式一般采用液泵供液方式，而不采用直接膨脹供液方式。由于液泵供液量數(shù)倍于冷卻設(shè)備的蒸發(fā)量，又因為液泵供液須配置低壓循環(huán)貯液桶及其輔助設(shè)施，制冷系統(tǒng)氣液分離設(shè)備多，系統(tǒng)復(fù)雜，供液管和回氣管路長，所有的設(shè)備和管道都需充注制冷劑，因此整個制冷系統(tǒng)制冷劑充注量大。由于氨價格低廉且熱力性能優(yōu)良，我國集中式制冷系統(tǒng)大多采用氨（R717）作制冷劑。

1.壓縮機(jī)，2.高壓貯液器，3.低壓循環(huán)貯液器，4.調(diào)節(jié)站，5.蒸發(fā)器

1.2 分散式供冷系統(tǒng)

所謂分散式供冷系統(tǒng)是把制冷壓縮冷凝機(jī)組布置在冷間外，用管道把庫房內(nèi)冷卻設(shè)備連接起來，如圖2所示。

1.壓縮機(jī)組，2.蒸發(fā)器

分散式供冷系統(tǒng)的制冷機(jī)組就近冷間布置，供液管與回氣管的道路較短，供液方式一般采用直接膨脹供液方式，直接膨脹供液的冷卻設(shè)備采用干式蒸發(fā)器，制冷系統(tǒng)簡單，制冷劑充注量少。

直接膨脹供液制冷系統(tǒng)壓縮機(jī)吸入的是過熱蒸氣，由于氨的排氣溫度比較高，現(xiàn)有氨冷庫一般不采用直接膨脹供液方式。所以冷庫分散式供冷系統(tǒng)一般是直接膨脹供液的鹵代烴制冷系統(tǒng)。

2 集中式氨制冷系統(tǒng)和分散式鹵代烴制冷系統(tǒng)的特點

2.1 集中式氨制冷系統(tǒng)的特點

2.1.1 優(yōu)點

（1）集中式制冷系統(tǒng)采用液泵供液方式，供液距離和高度不受什么限制，輸送的液體可以到達(dá)較遠(yuǎn)處或者較高處，適合大中型冷庫，尤其是多層冷庫。

（2）液泵供液量數(shù)倍于蒸發(fā)量，蒸發(fā)器內(nèi)表面液體濕潤充分，傳熱效果好。液泵供液采取下進(jìn)上出方式，停止供液后，蒸發(fā)器內(nèi)仍然存有制冷劑液體，有利于庫溫的穩(wěn)定。

（3）制冷機(jī)器設(shè)備都集中在機(jī)房，使制冷系統(tǒng)大型化，在確定機(jī)械負(fù)荷時考慮到各冷間負(fù)荷高峰不可能在同一時間段，可以減少裝機(jī)總?cè)萘?。同一蒸發(fā)系統(tǒng)的壓縮機(jī)并聯(lián)工作，不同蒸發(fā)溫度系統(tǒng)的壓縮機(jī)可以互為備用，操作調(diào)整靈活。

（4）集中式制冷系統(tǒng)普遍以氨作制冷劑，氨作為天然制冷劑，不僅價格低廉，氨的熱力性能非常優(yōu)越，而且對地球生態(tài)系統(tǒng)無害，GWP=0并且ODP=0，屬環(huán)境友好型制冷劑。根據(jù)國際制冷學(xué)會文獻(xiàn)[5]介紹，在蒸發(fā)溫度-35℃以上，氨制冷劑的熱力性質(zhì)是所有制冷劑中最佳的，即在蒸發(fā)溫度-35℃以上，采用氨制冷劑運行能耗最低。

2.1.2 缺點

（1）由于集中式制冷系統(tǒng)的工藝復(fù)雜，輔助設(shè)備多，尤其是氣液分離設(shè)備多，具有以下幾點不利因素：

①系統(tǒng)制冷劑充注量大。一座公稱體積為43000m3（10000噸）冷庫，其氨制冷系統(tǒng)內(nèi)的充氨量將達(dá)20000kg[6]。

②建設(shè)期長，設(shè)計施工工作量大。制冷工藝的設(shè)計和施工圖的繪制，安裝和調(diào)試，設(shè)備的訂貨，壓縮機(jī)房的建造等等所需時間都較長且工作量大?，F(xiàn)場施工的方式，其工程質(zhì)量沒有象工廠批量生產(chǎn)來得可靠。

③自控系統(tǒng)復(fù)雜，較難實現(xiàn)全自動控制；對機(jī)器設(shè)備需人工操作管理，且管理范圍大，對管理人員技術(shù)水平要求高。機(jī)房需24小時有人值班，勞動力成本高。

④在設(shè)計和運行管理中，如果機(jī)器設(shè)備選配不當(dāng)，與負(fù)荷不相匹配時，易造成“大馬拉小車”[7]。

（2）氨作為制冷劑有毒，可燃燒爆炸，且集中式制冷系統(tǒng)充注量大，一旦發(fā)生泄漏，后果相當(dāng)嚴(yán)重。氨在我國國家標(biāo)準(zhǔn)中屬于四級輕度有毒物質(zhì)，當(dāng)空氣中氨的體積分?jǐn)?shù)達(dá)到16～25％時遇明火可引起爆炸。由于種種原因，前幾年制冷系統(tǒng)的事故時有發(fā)生。

（3）需要建造專用機(jī)房，增加建筑成本。機(jī)房內(nèi)單機(jī)容量大，數(shù)量多，與之配套的供電與動力系統(tǒng)復(fù)雜。

2.2 分散式鹵代烴制冷系統(tǒng)的特點

2.2.1 優(yōu)點

（1）分散式制冷系統(tǒng)大多為機(jī)組形式，氣液分離設(shè)備少，系統(tǒng)簡單，結(jié)構(gòu)緊湊，制冷劑管道短，單機(jī)制冷量小，制冷劑充注量少。

（2）采用熱力膨脹閥或電子膨脹閥為節(jié)流機(jī)構(gòu)，能自動調(diào)節(jié)對蒸發(fā)器的供液量。

（3）系統(tǒng)小而簡單，易于控制，能實現(xiàn)自動化，不需要人工操作，可以節(jié)省勞動力成本。

（5）可采用并聯(lián)機(jī)組，隨負(fù)荷的變化，自動運轉(zhuǎn)必要的機(jī)組，制冷效率高而穩(wěn)定，有利于節(jié)能。

（6）設(shè)備施工周期短，設(shè)計、施工工作量小。工藝設(shè)計簡單，安裝容易[8]，只要在庫房外穿堂或室外留出機(jī)組安裝的位置，連接水電，用制冷劑管道把冷卻設(shè)備連接既可。機(jī)組在專門的工廠批量加工，其質(zhì)量往往有保障。

（7）目前以鹵代烴為制冷劑，無毒、不燃燒，安全可靠。各機(jī)組系統(tǒng)獨立，單機(jī)容量小，即使泄漏，對周圍環(huán)境與安全影響小。

（8）無需建造專門的機(jī)房，節(jié)省建筑面積。

2.2.2 缺點

（1）各庫房機(jī)組系獨立系統(tǒng)，單機(jī)容量按庫房最大負(fù)荷配置，整個系統(tǒng)總裝機(jī)容量大。相互間不能備用，若機(jī)組出現(xiàn)故障，可能會影響庫溫。

（2）機(jī)組安裝在冷庫建筑內(nèi)，占用庫房建筑面積，增加庫房建筑造價。

（3）鹵代烴制冷劑不僅在熱力性能方面還比不上氨，價格比氨貴得多，還因為對全球環(huán)境有影響，CFCs已經(jīng)被淘汰，目前應(yīng)用比較多的HFCs也已經(jīng)進(jìn)入淘汰階段。

3 大中型冷庫采用分散式供冷與集中式供冷的比較分析

按照以往人們的習(xí)慣，集中式就是大中型冷庫制冷系統(tǒng)，分散式就是中小型冷庫制冷系統(tǒng)。冷庫的集中式制冷系統(tǒng)大多采用氨作制冷劑，冷庫的分散式制冷系統(tǒng)一般以鹵代烴為制冷劑。

在大中型冷庫采用分散式供冷，與傳統(tǒng)集中式氨制冷系統(tǒng)相比，筆者就投資者特別關(guān)心的冷庫安全問題、投資成本、運行與管理成本三方面進(jìn)行比較分析。

3.1 冷庫安全問題

建設(shè)一座大中型冷庫，安全因素不管對投資者也好，對社會也好都是一個十分重大的問題，有時會起決定性的作用。在當(dāng)前一部分人談“氨”色變的形勢下，今后大中型冷庫集中式氨制冷系統(tǒng)的采用必定會受到一定的影響。而分散式制冷系統(tǒng)一般以無毒、不燃燒、不爆炸的鹵代烴為制冷劑，確保了冷庫使用的安全性。分散式制冷系統(tǒng)自動化程度高，減少了人員與氨系統(tǒng)接觸，安全性大大提高[9]。

3.2 投資成本

投資成本主要由建筑成本和設(shè)備成本二部分構(gòu)成。

3.2.1 建筑成本

建筑成本包括庫房和機(jī)房建筑，但不包括辦公與其它建筑。我國大中型冷庫大多為多層建筑，分散式制冷系統(tǒng)須按不同樓層和不同冷間分層、分庫設(shè)計配置，雖然不用專門的機(jī)房，節(jié)省了建造機(jī)房的費用，但機(jī)組安裝要占用庫房建筑面積，增加了庫房建筑的造價。

3.2.2 設(shè)備成本

設(shè)備成本包括制冷系統(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)和供電與動力系統(tǒng)。

集中式制冷系統(tǒng)大多采用價格低廉的氨作制冷劑，可降低了制冷系統(tǒng)的投資成本，但集中式制冷系統(tǒng)輔助設(shè)備多，單機(jī)容量大，價格高；系統(tǒng)復(fù)雜，安裝施工費用多；與之配套的供電與動力系統(tǒng)復(fù)雜，設(shè)備購置與施工費用都相應(yīng)增加。

分散式制冷系統(tǒng)采用比氨貴得多的鹵代烴，增加了制冷系統(tǒng)的投資成本；由于應(yīng)用最多的HFC面臨淘汰，新的無公害替代制冷劑的價格會更高，無疑會增加制冷系統(tǒng)的投資成本。分散式制冷系統(tǒng)單機(jī)容量小，但數(shù)量多，總?cè)萘勘燃惺酱?，也會增加制冷系統(tǒng)的投入。但是，分散式制冷系統(tǒng)一般為機(jī)組形式，系統(tǒng)簡單，制冷劑充注量少，減少制冷劑的使用量，從而降低制冷劑購置費用；分散式制冷系統(tǒng)安裝施工量小，施工費用少。

綜合建筑成本和設(shè)備成本，分散式供冷與集中式供冷相比，相同容量的冷庫建設(shè)投資成本，是高還是低呢？根據(jù)文獻(xiàn)[4]介紹，引進(jìn)國外分散式供冷的單位造價指標(biāo)為3900元/噸，而國內(nèi)集中式供冷設(shè)計的單位造價指標(biāo)為4330元/噸。也就是說，分散式供冷的造價比集中式供冷低近10%。這說明，對相同容量的冷庫，分散式供冷的投資成本比集中式供冷低。

3.3 運行與管理成本

冷庫制冷系統(tǒng)的運行與管理成本包括二部分，一部分是制冷系統(tǒng)運行所需的能源消耗；另一部分是對制冷系統(tǒng)進(jìn)行操作管理人員的工資成本。

3.3.1 能源消耗

冷庫的制冷用電是其運行成本的主要部分，約占總成本的25%～40%[10]。所以，制冷系統(tǒng)運行的COP非常重要。集中式供冷多采用氨制冷劑，由于氨制冷熱力性能優(yōu)越，其COP比較高。與冷庫中采用較多的鹵代烴制冷劑R22進(jìn)行比較，采用R22的系統(tǒng)比采用氨相同工況的系統(tǒng)，實際運行耗電量增加約18%[11]。也就是說，在相同工況下分散式鹵代烴制冷系統(tǒng)的COP要比集中式氨制冷系統(tǒng)要低。但是，分散式制冷系統(tǒng)簡單，用全自動的精確控制，改善系統(tǒng)運行工況。每一冷間的機(jī)組，都根據(jù)庫溫自動開啟和關(guān)閉，如采用并聯(lián)機(jī)組，能做到機(jī)器的運行負(fù)荷與實際負(fù)荷相配匹，壓縮機(jī)始終處于滿負(fù)荷運行，不僅制冷壓縮機(jī)的運行效率高，而且?guī)鞙刈詣涌刂凭珳?zhǔn)，有利于確保食品的質(zhì)量。又如，分散式制冷系統(tǒng)的冷卻設(shè)備一般采用冷風(fēng)機(jī)，并進(jìn)行自動除霜，及時融化冷卻設(shè)備表面結(jié)霜，提高制冷系統(tǒng)運行效率；而現(xiàn)有冷庫工程的集中式氨系統(tǒng)采用冷卻排管較多（一般為U型頂排管），以人工掃霜為主，往往除霜不及時，而且除霜不徹底，影響制冷系統(tǒng)的效率。

集中式供冷，只要有一個冷間的溫度不符合要求，一整個制冷系統(tǒng)就得啟動運行，制冷壓縮機(jī)雖然有能量調(diào)節(jié)，但壓縮機(jī)的部分負(fù)荷下工作，會降低壓縮機(jī)的工作效率。在集中式氨制冷系統(tǒng)的實際運行管理中，基本上都人工操作控機(jī)器的開停及其運行，譬如夜間多開機(jī)，白天少開機(jī)。這種做法雖然可以減少耗電，充分利用谷電價格，降低運行成本，但庫溫波動大，甚至庫溫高出正常范圍，影響食品質(zhì)量。

節(jié)能與降低成本，應(yīng)該以確保食品的儲藏溫度，保證食品質(zhì)量為前提，分散式制冷系統(tǒng)能較好的做到這一點。

3.3.2 勞力成本

集中式制冷系統(tǒng)需要配備專門的技術(shù)人員對制冷裝置進(jìn)行操作管理，隨著工人工資的不斷上漲，增加了企業(yè)運行與管理的成本。大中型的氨冷庫需二十四小時有人現(xiàn)場當(dāng)班，每班人數(shù)一般不少于二人，冷庫規(guī)模越小，單位容量勞動力成本越高。然而分散式制冷系統(tǒng)運行為全自動控制，無需操作人員，這大大地節(jié)省了勞動力成本。

雖然分散式的鹵代烴制冷系統(tǒng)的COP在同工況下比不上集中式的氨制冷系統(tǒng)高，但其自動控制運行不僅可使勞動力成本大幅度節(jié)省，而且容易保證制冷系統(tǒng)在較理想的工況下運行，減少人為的不合理操作，從而降低了冷庫總的運行成本。

經(jīng)過以上比較分析，我們不難看出在大中型冷庫中采用分散式供冷，不僅確保了運行安全，而且還不會增加投資成本和運行管理成本，另外還可減少建筑物，縮短施工周期等好處。所以建議在新建或擴(kuò)建大中型冷庫中，可以考慮采用分散式制冷系統(tǒng)。

4 冷庫分散式制冷系統(tǒng)應(yīng)用的前景

20世紀(jì)70年代以前國外冷庫普遍采用以氨為制冷劑的集中式制冷系統(tǒng)，20世紀(jì)70年代后期逐漸采用以R22為制冷劑的分散式制冷系統(tǒng)[12]。目前我國冷庫在分散式供冷系統(tǒng)中也是采用以R22為主的鹵代烴制冷系統(tǒng)，但R22已經(jīng)進(jìn)入淘汰，從環(huán)保和熱力性能都非常優(yōu)良的制冷劑氨（R717）在大中型冷庫建設(shè)中仍將被長期使用。然而，集中式供冷方式制冷劑大灌注量給冷庫帶來安全隱患，減少制冷劑充注量是制冷系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢。分散式供冷方式是從根本上減少制冷劑灌注量的有效途徑。

目前，在大中型冷庫中還沒有采用分散式氨制冷系統(tǒng)，但在不久的將來，隨著人們對小型氨壓縮機(jī)（包括全封閉氨壓縮機(jī)）的研究與開發(fā)成功，在分散式供冷方式中不僅可以采用鹵代烴制冷系統(tǒng)，還可以采用氨制冷系統(tǒng)。另外，從近二年氨冷庫發(fā)生的重大安全事故分析，制冷系統(tǒng)的施工與操作不規(guī)范是造成事故的主要原因之一。如果采用分散式供冷方式，其設(shè)備在工廠標(biāo)準(zhǔn)化加工，質(zhì)量有保障，可以提高制冷系統(tǒng)的安全性。

全自動冷庫是大中型冷庫建設(shè)發(fā)展的必然趨勢。分散式制冷系統(tǒng)簡單，比集中式制冷系統(tǒng)更容易實現(xiàn)操作自動化，也更易于實現(xiàn)安全控制。因此，不管是鹵代烴冷庫還是氨冷庫，都可以采用分散式供冷系統(tǒng)。

[1] 國家發(fā)展和改革委員會.農(nóng)產(chǎn)品冷鏈物流發(fā)展規(guī)劃[R].2010,6.

[2] 中國制冷學(xué)會.中國制冷行業(yè)戰(zhàn)略發(fā)展研究報告[M].北京:中國建筑出版社,2016:181.

[3] 李晶晶.關(guān)于冷庫制冷劑發(fā)展方向的探討[J].制冷技術(shù),2014,(2):74-78.

[4] 王喬.冷庫集中與分散供冷系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性的建模分析[J].農(nóng)機(jī)化研究,2006,(2):53-58.

[5] Pearson S F. Saving energy in refrigeration, air –conditioning and heat pump technology[M]. InternationalInstitute of Refrigeration, 2008.

[6] 徐慶磊.當(dāng)前氨制冷劑在冷庫中應(yīng)用的公共安全問題值得密切關(guān)注[J].冷藏技術(shù),2000,(3):46-47.

[7] 林鋒.冷庫集中式、分散式兩種供冷方式的分析與比較[J].中國水產(chǎn),2006,(2):53-58.

[8] 周莉娟.冷藏庫采用分散式制冷系統(tǒng)的設(shè)計體會[J].制冷技術(shù),2001,(3):26-27.

[9] 張建一.英國某氨系統(tǒng)冷庫安全與節(jié)能技術(shù)分析[J].制冷技術(shù),2014,(3):18-21.

[10] 馬一太,劉秋菊,劉圣春.空調(diào)能效比發(fā)展趨勢的研究[J].制冷與空調(diào),2007,(3):10-13.

[11] 黃勁松.氨和R22在凍結(jié)系統(tǒng)內(nèi)的性能比較[J].冷藏技術(shù),1992,(2):36-41.

[12] 顧建中.分散式和準(zhǔn)集中式制冷系統(tǒng)概述及應(yīng)用[J].制冷與空調(diào),2004,(5):1-5.

Analysis of Distributed Refrigeration Systems for Large and Medium Scale Cold Storages

Zhou Jinkun

( Zhejiang Business College, Hangzhou, 310053 )

The refrigeration systems for cold storages are usually divided into centralized type and distributed type, which have different advantages and disadvantages. At present, centralized refrigeration systems of ammonia in China were mostly adopted in large and medium scale cold storages, but the complicated structure of the centralized refrigeration system resulted in huge amount of ammonia in charge and great potential safety hazard. Compared with the centralized refrigeration system, the distributed refrigeration system can adopted in large and medium scale cold storages, which will ensure the safety operation and not increase investment costs and operation costs. Therefore, it is feasible to adopt the decentralized ammonia refrigeration system in the construction of large and medium scale cold storage in the future.

cold storage; refrigeration system; ammonia; centralized; distributed

1671-6612（2017）03-299-05

TB657.1

A

浙江省科技計劃基金資助項目（2016C31125）

周金坤（1963.04-），男，本科，副教授，E-mail：13018947125@163.com

2017-01-18