冷链物流冷库绿色设计的理念与探析

 

2023年6月6日，在河南郑州召开的2023年绿色冷链发展峰会上，国家发展改革委相关负责人强调，对于冷链物流低碳发展的方向，必须把绿色发展理念贯穿到全链条、各领域，注重技术装备研发改观，研究制定冷库、冷藏车等能效标准，完善绿色冷链物流技术装备认证及标准体系。结合《“十四五”冷链物流发展规划》和“碳达峰、碳中和”目标，笔者以冷链物流中的冷库建设为契机，从节能减排、环境和谐等方面精简论述、探析“绿色概念”的设计理念。

 

一、国内冷链物流冷库现状及发展

2018年以来，在市场需求、国家政策刺激等多项因素影响下，冷链物流冷库如雨后春笋般快速增长，在全国各地布局开发。通过工程设计、同行交流、案例资料的阅读等方式了解，现行冷链物流冷库大部分为钢结构装配式冷库，有单层、双层、立体冷库之分；制冷系统中的制冷剂大部分选用R507，少量选用R744；制冷系统型式以直接膨胀供液方式为主，桶泵供液方式相对较少，R507/R744载冷系统或复叠系统只在少量工程项目中应用。

 

近年来，我国冷链物流市场规模快速增长，国家骨干冷链物流基地、产地销地冷链设施建设稳步推进，冷链装备水平显著提升，截至2020年，冷链物流市场规模超过3800亿元，冷库库容近1.8亿立方米[1]。2023年9月22日，中国物流与采购联合会公布的数据显示，1～8月份我国冷链物流需求总量为2.4亿吨，同比增长5.35%。业内专业人士分析，在政策的大力支持下，我国冷链物流运行总体情况持续向好，保持企稳回升态势，冷链物流行业有望迎来黄金发展期。

 

二、冷链物流冷库绿色设计

冷链物流冷库在建设期需要投入大量的建设资金，在运营期需消耗大量电能以保持冷库内的温度，同样需要投入大量的运营资金。因此，在拟定冷链物流冷库方案时，不应只关注冷库建设期的投资，冷库运营期的能量消耗、运营管理费用的节约同样是关注的焦点。我们要以长远发展的眼光，从冷链物流冷库项目的全生命周期统筹拟定建设方案和运用方案，以及内在因素和外在影响；从节约能源、与环境友好和谐、为货物提供安全适用和高效的使用空间、为运行管理提供健康工作环境等方面，考虑冷链物流冷库的绿色设计。

 

1. 节约能源

冷库“维冷”是一个系统工程，为保证库内温度达到使用要求，既要克服外界环境热量的侵入，又需要制冷系统提供足够的冷量。制冷系统运行遵循“能量平衡”的自然规律，通过消耗电能，把库内的热量和消耗的电能共同排放到外界环境中。

 

(1）围护结构厚度的选择

现代冷链物流冷库中，墙体、屋面常用聚氨酯（PIR）双面彩钢保温板为围护结构保温材料，地面常用具有一定抗压强度的挤塑板（XPS）为保温材料，其厚度与允许的单位面积热流量有关，围护结构允许的单位面积热流量越大，其厚度选择越小，反之，其厚度选择越大。《冷库设计标准》GB50072-2021明确规定冷间外墙、屋面围护结构的单位面积热流量可在6～11W/m2范围内选择，日本、法国和美国规定，单位面积热流量分别不超过7.2W/m2、8.0W/m2和6.3W/m2[2]。为节约能源、减少库温波动，建议在6～8W/m2的范围内确定围护结构保温层的厚度。

 

(2）建立分布式园区光伏发电系统

《冷库单位产品能源消耗指标》DB31/595-2021明确了冷链物流冷库的单位产品能源消耗基准值：冻结物冷藏为0.48～0.60k W·h/t·d，冷却物冷藏为1.08k W·h/t·d，按此基准推算，冻结物冷藏与冷却物冷藏比例为4:1的10000t冷库，满库运转的情况下，每天耗电量约为6825k W·h，可见冷库能耗在冷链物流体系中占比较大。

 

太阳能光伏发电作为无污染、廉价、人类能够自由利用的可再生资源，成为能够改变人类能源结构的关注焦点。为节约能源，降低运营费用，在冷链物流园区的建筑屋面上架设太阳能光伏电池组件，并配置太阳能光伏发电、供电系统，利用调频、调峰联合能源的综合手段，以满足自身负载的需要，多余或不足的电力通过电网来调节。

 

(3）制冷系统余热的利用

制冷系统正常运行过程中，制冷机组排出的热量通过冷凝器排向外界大气环境，为提高能源回收利用，减少排气对大气环境的影响，在制冷压缩机的排气管道上设置热气融霜管和与热回收器连接管道。热气融霜管与冷却设备连接，通过阀门切换实现自动融霜；制冷机组排出的热量通过热回收器与多元醇不冻液实现热量交换，通过温度控制器与电动阀联控实现对多元醇的加热及温度控制，温度升高后的多元醇作为冷库地坪防冻加热或冷风机融霜的热源。

 

(4）制冷系统余冷的利用

冻结物冷藏间内的冷风机在运转过程中，传热管及翅片表面的霜层会不断增厚，由于霜层会影响冷风机的风量及制冷效果，通过PLC程序设计自动热工质融霜，把低温融霜水引向蒸发式冷凝器的接水盘或远置水箱，既节省了补水量，又降低了冷却循环水的温度，冷凝温度同时降低。冷凝温度每降低1℃，单位制冷量的耗电将降低4%～5%左右[3]，可见融霜水的循环利用，能够较大比例地节约电能。

 

2. 环境友好和谐方面

制冷系统中制冷剂的ODP和GWP值，是影响大气臭氧层变薄和环境温室效应的两个指标，事关环境友好和谐。我们应从使用天然制冷工质或GWP值低的制冷剂、减少制冷剂的充注量、减少制冷剂的排放量等方面考虑绿色设计。

 

(1）制冷剂的选择

在现代化冷库中，大体上有R717、R507、R744、R134a四种制冷剂分别在不同的冷库制冷系统中使用，其中R717、R744是天然制冷工质，对大气环境影响较小，R507、R134a的GWP值较高，对大气环境变暖有较大的不利影响。由于R717有毒、有味、易燃、易爆且安全等级为B2级制冷剂，在安全上有一定的危险性，最近几年氨库安全事故频发，使得政府部门加大了对氨制冷系统的管理力度。因此，现代冷链物流冷库中，选择R717的较少；R134a的沸点为-26.5℃，一般在高温制冷系统中使用，具有高、低温冷藏间的现代物流冷库中很少使用；R744的临界温度为31.1℃，在常规的自然环境下，为减少排气温度，一般选用亚临界二氧化碳制冷系统，即二氧化碳的载冷系统或复叠系统，由于二氧化碳制冷系统的工作压力及初期投资较高，选用R744的较少；总之在现代冷链物流冷库中，使用最多的制冷剂为R507。

 

经过理论计算确定，在蒸发温度低于-20℃的工况下，R717/R744复叠制冷系统的COP值高于单级NH3压缩制冷系统、单级NH3压缩载冷剂制冷系统与双级NH3压缩载冷剂制冷系统；在蒸发温度低于-40℃的工况下，R717/R744复叠制冷系统的COP值高于双级NH3压缩制冷系统[4]。结合国家的“双碳”目标政策和国外高GWP值制冷剂的禁用年限：2016年美国环境保护部（EPA）公布了两项新法规，自2021年1月1日起，禁止一批高GWP值制冷剂在某些新生产产品中使用，包括R134a，自2023年1月1日起，禁止R507在新生产的冷库设备中使用，从安全性、能效比、制冷剂充注量、系统回油及润滑油的影响、投资成本、投资回收期等方面综合考虑，建一座或两座物流冷库设置一个制冷机房，内设一套氨制冷系统，通过自动调节分配带动二氧化碳复叠系统、二氧化碳载冷系统、含蓄冷功能的不冻液载冷系统，以满足冻结物冷藏间或冻结间（库温<-25℃）、冻结物冷藏间（库温≥-25℃）、冷却物冷藏间（0℃左右）或穿堂的降温要求。

 

(2）设置自动型空气分离器

由于抽真空未彻底、充注制冷剂或润滑油带入空气、制冷剂或润滑油高温下的分解等原因，制冷系统中可能会存在少量的不凝性气体，一般存在于冷凝器和高压贮液器中。制冷系统中有不凝性气体存在时，就会引起系统中的冷凝压力升高、耗电量增加[5]。根据制冷系统中放空气的位置点数选择自动型空气分离器型号，通过温度控制器、液位控制器与电磁阀的联控技术实现混合气体的冷却、分离、排放过程，可以降低冷凝压力、节约能源，又可以减少混合气体中的制冷剂直接排向大气、减少对环境的污染。

 

3. 安全、适用、高效的冷藏空间

(1）冷链物流冷库中大量的货物或食品需要在合适的温度、相对湿度、良好空气质量环境下储存，才能保证货物或食品的质量安全，为此要考虑冷间温度和相对湿度的探测、显示、控制、报警功能，以及空气质量检测、分析、报警功能；冷间内严禁设置阀门和法兰，冷却设备的调节阀可集中设置在专门规划的调节站间内。

 

(2）冷间规划和布局时，综合考虑货架的布置型式与尺寸、运输工具所需通道宽度、货物距墙及顶的距离，合理布置冷藏间空间，冷藏间外墙的长宽比不超过2[6]，以保证冷间空间的高效利用，减少货物在冷间中的进、出库时间。

 

4. 运行管理的健康工作环境

冷链物流冷库的运行管理，包括冷链物流的运行管理和制冷系统的运行管理。

 

(1）冷链物流的运行管理

(1)冷藏间设置外墙长度60m以下、长宽比不超过2，可以减少运营人员的工作强度及在冷间中的工作时间，提高工作效率。

 

(2)布局规划小型堆垛机立体冷库，以其高效、灵活和节省空间的特点，提高仓储效率，降低运营成本；以其智能自控的特点，提高货物储存的精确性和准确性，有助于更好地管理库存水平和减少库存损失。

 

(3)搭建专业的物流信息平台，建设一体化OMS订单管理系统，具体包括BMS计费管理系统、WMS仓库管理系统、TMS运输管理系统，对仓储费用、入库管理、盘点管理、出库管理、单据报表、调度管理、运输管理、质量管理等工作环节数据自动化采集、传输和储存。

 

(2）制冷系统的运行管理

制冷系统采用全自动PLC集成控制系统，利用计算机和云计算辅助管理，实现本地操作、远程操作多点管理功能和集中监控、手机端监控等监控功能，实现整个制冷系统的最优运行方案，所有数据可以上传至物联网平台，真正实现大数据管理、节能管理和分析。

 

三、结束语

节能减排是当今世界范围内的一大主题，“双碳”目标是我国提出的促进人与自然和谐共生、构建人类生命共同体的战略要求。因此冷链物流冷库设计也要适时而进、顺应这一潮流和趋势，本着“绿色设计”的理念，提升我国冷链物流技术在国际范围内的影响力，另外随着光伏、碳交易、数字孪生等热点的产生，“绿色”的冷链物流将迎来广阔的发展前景。