冷庫(kù)制冷系統(tǒng)建設(shè)與技術(shù)選擇

文/ 本刊記者 林振強(qiáng)

制冷系統(tǒng)是整個(gè)冷庫(kù)的核心組成部分，只有把握好制冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)的各個(gè)要點(diǎn)，憑借新技術(shù)及經(jīng)驗(yàn)不斷優(yōu)化，才能使冷庫(kù)的制冷系統(tǒng)更加完善、安全和高效。

作為冷庫(kù)的核心組成部分，制冷系統(tǒng)由多種設(shè)備組成，主要包括蒸發(fā)器、壓縮機(jī)、冷凝器油分離器等等。在大多數(shù)冷庫(kù)內(nèi)，基本都是通過(guò)設(shè)備制冷，利用汽化溫度很低的液體作為制冷劑，使其在低壓下汽化，吸收冷庫(kù)內(nèi)的熱量，從而達(dá)到冷卻降溫的目的。由于冷庫(kù)類(lèi)型多樣，不同貨物所需的溫度需求也有所差異，不同制冷系統(tǒng)所耗費(fèi)能源也不相同，所以選用合適的制冷系統(tǒng)顯得尤為重要。

一、制冷系統(tǒng)的技術(shù)選擇

在做制冷系統(tǒng)規(guī)劃和選型時(shí)，需要充分考慮冷庫(kù)所處環(huán)境、所存貨物、冷庫(kù)規(guī)模和性質(zhì)、技術(shù)條件等因素，更要對(duì)所選技術(shù)的特點(diǎn)有所掌握。

1.制冷劑的選擇

冷庫(kù)是冷鏈重要的基礎(chǔ)設(shè)施，需要保證制冷系統(tǒng)的穩(wěn)定性

在目前我國(guó)的冷庫(kù)中，使用最多的制冷劑主要是主要分為氨（NH3）、氟利昂（CFC/HCFC/HFC）和二氧化碳（CO2）。每種制冷劑都各具特點(diǎn)，如氨對(duì)臭氧層危害小、容易獲取、價(jià)格低廉、壓力適中、單位制冷量大、放熱系數(shù)高、幾乎不溶解于油、流動(dòng)阻力??；缺點(diǎn)是對(duì)銅及銅合金有腐蝕作用，有刺激性臭味、有毒、易燃易爆，一旦泄露危害極大。

氟利昂在常溫下都是無(wú)色、無(wú)味氣體、易揮發(fā)液，透明、介電常數(shù)低、臨界溫度高、易液化、溶于油，無(wú)味或略有氣味，無(wú)毒或低毒，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，但對(duì)大氣臭氧層破壞嚴(yán)重。目前，氟利昂系列冷媒一部分已禁用，一部分限制使用。

二氧化碳制冷是一種天然制冷劑，具有高密度和低粘度，其流動(dòng)損失小、傳熱效果良好，制冷能力大，并且費(fèi)用低易獲取、穩(wěn)定性好、安全無(wú)毒，不可燃。缺點(diǎn)是運(yùn)行壓力高，需專(zhuān)業(yè)維護(hù)。

在衡量制冷劑時(shí)，除了考慮安全性外，綠色環(huán)保也是衡量的重要因素，臭氧層消耗潛值（ODP）和全球變暖潛能值（GWP）是兩個(gè)關(guān)鍵性考核指標(biāo)。由于氟利昂對(duì)環(huán)境的破壞作用而不被人看好，氨的ODP和GWP都為0，二氧化碳的ODP為0，GWP為1，這兩種對(duì)環(huán)境的影響相對(duì)小，也是當(dāng)今較為熱門(mén)的制冷劑推薦。目前國(guó)內(nèi)外還是以氨制冷系統(tǒng)為主，并且技術(shù)相對(duì)比較成熟，但由于國(guó)內(nèi)近些年發(fā)生的氨冷庫(kù)重大事故，使人們更多將重心放在二氧化碳上，開(kāi)發(fā)新型的二氧化碳制冷技術(shù)也成為冷凍冷藏行業(yè)的研究熱點(diǎn)。

國(guó)內(nèi)外對(duì)二氧化碳在低溫制冷系統(tǒng)中的應(yīng)用研究多為復(fù)疊系統(tǒng)、雙級(jí)增壓系統(tǒng)和載冷系統(tǒng)。相對(duì)于這些系統(tǒng)，開(kāi)發(fā)一種結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單、運(yùn)行效率更高的二氧化碳制冷系統(tǒng)，將成為研究趨勢(shì)。

2.制冷方式的選擇

如同制冷劑各有利弊一樣，直接制冷與間接制冷也有各自?xún)?yōu)勢(shì)與劣勢(shì)。制冷系統(tǒng)如果采用直接制冷方式，需要充裝大量的制冷劑。目前常用的制冷劑都存在一定弊端甚至危害，要使制冷劑在高壓下在冷庫(kù)內(nèi)循環(huán)，對(duì)管路系統(tǒng)要求也更高嚴(yán)格，一旦某些環(huán)節(jié)出現(xiàn)故障，將影響整個(gè)制冷系統(tǒng)。因此，直接制冷方式很少應(yīng)用于大型制冷系統(tǒng)，這也是許多液氨直接制冷庫(kù)要進(jìn)行全面改造的原因所在。

間接制冷主要是通過(guò)常壓的二次冷卻介質(zhì)進(jìn)行大循環(huán)傳送冷量，可避免直接制冷在庫(kù)房?jī)?nèi)產(chǎn)生的高壓和使用大量不安全制冷劑所潛伏的隱患。但間接制冷的問(wèn)題是，大多數(shù)載冷劑的冰點(diǎn)和沸點(diǎn)都不夠理想，有些還會(huì)嚴(yán)重銹蝕金屬，導(dǎo)致制冷系統(tǒng)日常維護(hù)費(fèi)用升高，壽命短且耗能增大。因此，要保證間接制冷系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)，需要好的載冷劑與制冷機(jī)相配套。

3.冷凝機(jī)組的選擇

根據(jù)冷庫(kù)的規(guī)模和設(shè)計(jì)溫度等因素，選擇合適的冷凝機(jī)組是制冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵之一。冷凝機(jī)組按所選壓縮機(jī)類(lèi)型，可分為渦旋式冷凝機(jī)組、活塞式冷凝機(jī)組和螺桿式冷凝機(jī)組；按冷卻方式可分為風(fēng)冷冷凝機(jī)組、蒸發(fā)冷冷凝機(jī)組和水冷冷凝機(jī)組；按使用溫度，又可將冷凝機(jī)組按高溫、中溫、低溫、超低溫進(jìn)行劃分。

按壓縮機(jī)類(lèi)型來(lái)看，渦旋式冷凝機(jī)組具有噪音低、體積小、密封性好、穩(wěn)定性高等特點(diǎn)。目前，渦旋式壓縮機(jī)及其冷凝機(jī)組都呈現(xiàn)大型化發(fā)展趨勢(shì)，市場(chǎng)上存在60～90HP冷庫(kù)項(xiàng)目使用多套15HP或者30HP渦旋并聯(lián)的情況，多機(jī)并聯(lián)進(jìn)一步擴(kuò)大了渦旋機(jī)組的應(yīng)用范圍，進(jìn)一步擠壓活塞式冷凝機(jī)組的市場(chǎng)。

螺桿式冷凝機(jī)組市場(chǎng)依舊保持高速增長(zhǎng)。由于冷庫(kù)呈現(xiàn)出大型化、裝卸自動(dòng)化、高效安全、環(huán)保節(jié)能的發(fā)展趨勢(shì)，大功率的螺桿式冷凝機(jī)組剛好能夠滿(mǎn)足大冷量、低庫(kù)溫、低耗損、不間斷運(yùn)行、較低故障率等要求。技術(shù)上，隨著冷鏈物流行業(yè)的發(fā)展，受“氨改氟”事件遺留影響，螺桿式冷凝機(jī)組企業(yè)完成螺桿并聯(lián)技術(shù)的革新，并對(duì)機(jī)組整體能效進(jìn)行提升，螺桿式冷凝機(jī)組的應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大。

雖然面對(duì)雙重?cái)D壓，但活塞式冷凝機(jī)組被替代的趨勢(shì)已經(jīng)有所減弱?；钊綁嚎s機(jī)組可在多種工況下使用，特別是在低溫工況下表現(xiàn)良好，性能穩(wěn)定，可靠性高，同時(shí)具有較高性?xún)r(jià)比。目前，活塞式冷凝機(jī)組在冷庫(kù)、商超等領(lǐng)域均占有一定的市場(chǎng)份額。

按冷卻方式可分為風(fēng)冷、蒸發(fā)冷和水冷三種冷凝機(jī)組，占比基本穩(wěn)定，冷卻方式不受壓縮機(jī)類(lèi)型和冷凝機(jī)組本身的限制，主要由客戶(hù)主導(dǎo)。在三種冷卻類(lèi)型中，風(fēng)冷冷凝機(jī)組產(chǎn)品占比最大。風(fēng)冷產(chǎn)品系統(tǒng)安裝簡(jiǎn)便，初投資和維護(hù)成本相對(duì)較低，不受周邊水資源限制，對(duì)使用空間大小也沒(méi)有特別要求，風(fēng)冷冷凝機(jī)組的應(yīng)用范圍較為廣泛，特別適合小型制冷項(xiàng)目。隨著冷庫(kù)行業(yè)的發(fā)展，風(fēng)冷冷系統(tǒng)占比呈緩慢增加趨勢(shì)。蒸發(fā)冷系統(tǒng)的效率較高，但初始投資和運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本較高，主要用于大型制冷項(xiàng)目。大型冷庫(kù)（萬(wàn)噸以上），特別是氨冷庫(kù)大多采用蒸發(fā)冷系統(tǒng)，目前約90%新設(shè)計(jì)的大型冷庫(kù)都會(huì)采用蒸發(fā)冷冷凝機(jī)組。水冷系統(tǒng)主要適用于室外溫度較高、水源充足的南方地區(qū)，系統(tǒng)節(jié)能性和制冷優(yōu)勢(shì)比在北方更明顯。水冷冷凝機(jī)組市場(chǎng)占比最小，且呈下降趨勢(shì)。

總的來(lái)看，小型項(xiàng)目用戶(hù)更傾向于選擇風(fēng)冷系統(tǒng)，大型項(xiàng)目更傾向選擇蒸發(fā)冷系統(tǒng)。但在一些特殊環(huán)境下，例如附近有水源或一些機(jī)組和冷凝器不能放到外面的純室內(nèi)項(xiàng)目，會(huì)采用水冷系統(tǒng)。用戶(hù)可通過(guò)分析系統(tǒng)的初投資和運(yùn)維成本，以及當(dāng)?shù)貧夂驐l件，來(lái)選擇采用相應(yīng)的冷卻方式。

按使用溫度來(lái)看，低溫冷凝機(jī)組在低溫冷庫(kù)、肉制品冷凍貯藏等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，近年用于凍結(jié)水產(chǎn)、禽肉類(lèi)食品冷藏的低溫冷凝機(jī)組隨之快速增多。中溫冷凝機(jī)組主要用于凍結(jié)后的食品冷藏，受冷鏈物流和生鮮電商行業(yè)發(fā)展的拉動(dòng)，全國(guó)各地大量建設(shè)中溫冷庫(kù)，機(jī)組市場(chǎng)隨之增長(zhǎng)。超低溫冷凝機(jī)組主要應(yīng)用于大型速凍、生物制藥和各類(lèi)實(shí)驗(yàn)室等領(lǐng)域。

制冷系統(tǒng)供液方式分為直接膨脹供液、液泵供液、重力供液和氣泵供液四種，前兩種在冷庫(kù)制冷系統(tǒng)較為常用。其中，直接膨脹供液在小型氟利昂制冷裝置或組裝式小冷庫(kù)中大多采用，而在氨系統(tǒng)中較少采用。在500噸及500噸以上的各型冷庫(kù)中，目前基本都采用液泵供液方式。在500噸以下的小型冷庫(kù)的氨制冷裝置中，則基本還采用重力供液方式。

5.制冷系統(tǒng)組合方式的選擇

集中供冷：制冷裝置的主要機(jī)器設(shè)備安裝在特設(shè)的機(jī)房?jī)?nèi)，采用供液、回氣管道把各冷間的冷卻設(shè)備連接起來(lái)，這種由機(jī)房集中供冷的方式是目前應(yīng)用最為廣泛的一種組合方式。一套制冷裝置可以承擔(dān)冷加工、冷藏、制冰等多種制冷負(fù)荷，同時(shí)若干個(gè)庫(kù)房集中供冷，機(jī)器設(shè)備的利用率高，冷量分配靈活并可相互支援。但這種模式下，冷庫(kù)建設(shè)周期長(zhǎng)，建設(shè)費(fèi)用高；制冷裝置工作效率的高低，不僅取決于安裝技術(shù)好壞，而且一部分庫(kù)房熱負(fù)荷的波動(dòng)，還會(huì)影響其他庫(kù)房工況的穩(wěn)定。

分散供冷：將制冷壓縮機(jī)、冷凝器、膨脹閥、蒸發(fā)器以及必要的附屬設(shè)備在制造廠(chǎng)組裝起來(lái)，成為一套緊湊、高效、具有全自動(dòng)性能的制冷機(jī)組。冷庫(kù)隔熱廓體建成后直接將這種成套設(shè)備安裝在冷庫(kù)的穿堂、月臺(tái)等地方，只要接通水電、安裝好送回風(fēng)管道就可以投入運(yùn)轉(zhuǎn)。通常情況下，一套制冷機(jī)組負(fù)責(zé)向一間庫(kù)房供冷，各庫(kù)房都是獨(dú)立的制冷系統(tǒng)，各不干擾，控溫準(zhǔn)確，從而簡(jiǎn)化現(xiàn)場(chǎng)安裝，建設(shè)周期縮短。但由于各個(gè)制冷機(jī)組不能互相調(diào)節(jié)制冷量，使得設(shè)備利用率較低。

6.可供選擇的高新技術(shù)

（1）熱回收。冷庫(kù)制冷系統(tǒng)正常工作時(shí)，會(huì)將冷凝熱排到室外，危害環(huán)境，且浪費(fèi)能源。其實(shí)，制冷系統(tǒng)中的熱量主要來(lái)自冷間熱量和壓縮機(jī)功耗轉(zhuǎn)換的熱量，如果能利用好這些余熱，就可以相應(yīng)減少其他能源的消耗。目前出現(xiàn)的熱回收設(shè)備和系統(tǒng)，通過(guò)收集壓縮機(jī)等功耗所損失的熱量，把其導(dǎo)入冷庫(kù)地下對(duì)乙二醇加熱管加熱，從而得到充分利用。

冷庫(kù)的制冷系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)，需要結(jié)合冷鏈物流自身特點(diǎn)展開(kāi)

（2）熱氣除霜。熱氣除霜目前已廣泛應(yīng)用于冷凍冷藏行業(yè)，包括熱氟除霜、熱氨除霜等方式。以熱氟除霜為例，主要借助電磁閥以及轉(zhuǎn)換裝置，將高溫高壓排氣徑直傳輸?shù)嚼渑胖?，使冷排溫度上升，霜層在和冷排的結(jié)合處首先融化，繼而自動(dòng)脫落，即系統(tǒng)的冷凝器轉(zhuǎn)變成蒸發(fā)器，而蒸發(fā)器則轉(zhuǎn)變成冷凝器。

（3）制冷系統(tǒng)自動(dòng)化控制技術(shù)。利用自動(dòng)化控制技術(shù)可以更好地進(jìn)行冷庫(kù)制冷、控溫等操控。自動(dòng)化技術(shù)是一種運(yùn)用控制理論、儀器儀表、計(jì)算機(jī)和其他信息技術(shù)，對(duì)工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程實(shí)現(xiàn)檢測(cè)、控制、優(yōu)化、調(diào)度和管理，從而達(dá)到增加產(chǎn)能、提高質(zhì)量、降低消耗、確保安全等目的綜合性技術(shù)，制冷自動(dòng)化包括自動(dòng)運(yùn)行控制、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、自動(dòng)保護(hù)、數(shù)據(jù)的采集與處理，以及報(bào)表的自動(dòng)生成。

二、規(guī)劃設(shè)計(jì)要點(diǎn)

與工業(yè)制冷、商業(yè)制冷等不同，冷庫(kù)的制冷系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)，需要結(jié)合冷鏈物流自身特點(diǎn)展開(kāi)，并應(yīng)把握以下要點(diǎn)：

1.穩(wěn)定性。冷庫(kù)是冷鏈重要的基礎(chǔ)設(shè)施，承載著加工、存儲(chǔ)、配送等多種功能，一旦出現(xiàn)制冷系統(tǒng)故障，將造成不可估量的損失。在冷庫(kù)制冷系統(tǒng)的規(guī)劃中，首先要重視系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。在進(jìn)行冷庫(kù)基礎(chǔ)材料、制冷設(shè)備和制冷劑等相關(guān)設(shè)備和技術(shù)的選擇時(shí)，要保證具有較高的安全性和可靠性，為冷鏈安全護(hù)航。

2.綠色化。為保證始終處于恒溫恒濕環(huán)境，冷庫(kù)需要全天候運(yùn)作，耗能巨大。隨著“雙碳”戰(zhàn)略推行，冷庫(kù)需要在節(jié)能減排、綠色環(huán)保方面作出更多探索。在制冷系統(tǒng)的規(guī)劃設(shè)計(jì)中，應(yīng)更加重視環(huán)保材料、制冷劑和裝備的應(yīng)用，打造真正的綠色冷庫(kù)。

3.智能化。隨著物聯(lián)網(wǎng)等新技術(shù)逐步應(yīng)用，冷鏈全流程的實(shí)時(shí)監(jiān)控得以實(shí)現(xiàn)，并助推設(shè)備控制、系統(tǒng)運(yùn)行向著智能化方向發(fā)展，從而更好地進(jìn)行溫度、能源和安全控制。在冷庫(kù)轉(zhuǎn)型升級(jí)的過(guò)程中，自動(dòng)化、智能化技術(shù)將促使冷庫(kù)制冷效率和質(zhì)量進(jìn)一步提升。