物流冷庫的特點與設計
 

2009年6 月1 日，我國《食品安全法》將正式施行，確保食品安全已經納入法制管理軌道。加快冷鏈運營基礎設施建設，普及冷藏供應鏈配送網絡系統，促使食品制造商、供應商、零售批發商、配送中心，等從業者密切合作，按照食品安全標準操作，是保證食品安全的必經之路。
 
一、物流冷庫的特點
隨著現代商業的發展，商品的流通越來越表現出著快速，準確，小批量的特點。原有的以產品儲存為目的的冷庫越來越不能滿足現代流通的要求。以滿足客戶需求，和多品種配送為目的的低溫物流中心逐步發展起來，并發揮著越來越重要的作用。以大型超市的低溫物流中心為例，它以滿足店面小批量多品種訂貨為前提，物流中心的溫度范圍擴大，貨品周轉速度加快，配送網絡位置以系統效率最佳為原則。所以，現代低溫物流中心不但需要現代制冷與保溫技術的支撐，更要符合現代商業流通對冷鏈管理的特定要求。
物流冷庫就是要緊緊圍繞食品安全與運營效率，以供應鏈和系統化管理思想為核心，以效率優先為指導原則，在危害分析及關鍵控制點(HACCP)確定的基礎上，綜合應用現代管理方法、現代信息技術、物流技術、節能和溫度監控技術，實現投入產出比最優、作業質量和效率最佳、作業成本最低的冷鏈物流管理效果。
物流冷庫具有其特殊性，表現在：（1）、食品安全事關人體健康甚至生命安全，對保證食品質量安全的要求突出；（2）、食品的保質期短、質量損耗快，決定了食品冷鏈物流運作的時效性；（3）、食品的多樣性以及對于儲藏溫度和濕度要求各異，決定了食品物流作業環境的多樣性；（4）、冷庫儲藏作為食品供應鏈的重要環節，要求產品具有可溯源性。
物流冷庫功能由傳統冷庫的“低溫倉儲”型向“流通型”、“冷鏈物流配送”型轉變，其設施按照低溫配送中心的使用要求進行建造。體現在：
（1）、建有低溫穿堂、封閉式站臺并設置電動滑升式冷藏門、防撞柔性密封口、站臺高度調節裝置（升降平臺）， 實現“門對門”式裝卸作業已成為現代化物流冷庫的標志。
（2）、貨物進出頻繁、吞吐量大，根據生產經營的需要設置專門的理貨間（區），理貨區的溫度一般控制在0～+7℃。
（3）、物流冷庫的制冷系統設計更加注重環保和節能要求。庫房溫度控制范圍寬，冷卻設備的選型、布置和風速場設計考慮適用多種貨物的冷藏要求。配有完善的庫溫自動檢測、記錄和自動控制裝置。
（4）、建立完善的計算機網絡系統，使冷藏供應鏈配送管理科學化，做到食品安全的可追溯性。在歐盟、美國和日本，食品供應鏈中的所有企業都有實施追溯系統的法定義務。     
（5）、冷凍冷藏倉儲方式開始向貨架式、托盤化轉變，以實現貨物按“先進先出”的原則進行管理，有利于提高商品貯藏質量和減少損耗。
（6）、立體自動化冷庫采用計算機管理，可以實現庫內裝卸和堆垛及庫溫控制、制冷設備運行全自動化，庫內不需任何操作人員。采用計算機管理，能隨時提供庫存貨物的品名、數量、貨位和庫溫履歷、自動結算保管費用和開票等，提高了管理效率，并大大減少了管理人員。
 
二、物流冷庫的設計
1、規劃設計
冷鏈物流的效率取決于冷鏈物流各節點的有效銜接。按照整體性、綜合性、最優性的構成原則，綜合考慮客戶服務目標、物流網絡、節點布局、倉儲系統、運輸管理、運營模式、管理組織等因素，結合冷藏技術對物流冷庫作出總體規劃。
1.1、選址
物流冷庫選址在冷庫建設中是非常關鍵的環節，涉及到很多的因素，既要著眼于現在的需求也要考慮到企業未來的發展和城市的建設，要有效的協調庫房與城市距離和配送成本之間的矛盾，因為庫房距離城市每遠出10公里，配送成本就會增加4%～7%，所以這兩者是必須協調的。
物流冷庫建設是一個系統工程，關系著企業的生存和發展，在規劃設計時要從戰略的高度進行考慮和決策，由具備物流知識、建筑知識、制冷知識的的專業人員來操作。冷庫建設的成本很高，涉及制冷技術、保溫技術、食品保鮮技術，只有通過不同方案的比較，才能選出更適合企業自身投入和長期發展需要的建設方案。
1.2、硬件規劃與設計
物流冷庫僅僅是低溫冷鏈的一部分，硬件規劃的內容包括廠房規劃、倉儲設備規劃、運輸設備規劃等內容，根據實際需求規劃出最符合使用效益的物流冷庫是規劃設計的目標。
貨物的冷藏對溫度和濕度有特殊的要求，包括隔熱維護結構、制冷系統及控制、冷間內溫度場（風速場）的設計是冷藏庫技術設計的關鍵。在技術設計中，還要考慮貨物的水平運輸、垂直運輸、碼垛、貨物整理、冷鏈的完整性等使用要求，根據冷庫使用的特點設計出經濟、實用、安全的冷藏庫。
冷藏庫的倉儲設備如貨架、堆垛機、穿梭車、輸送機等設備都必須適應冷態環境要求，避免低溫冷脆，保證冷態啟、制動和冷態運行的可靠性。
1.3、軟件規劃與設計
低溫物流冷庫的軟件規劃設計主要表現在以下四個方面：（一）、庫存控制方面，包括銷售額預測系統、庫存狀況與存貨成本分析、安全存量與產品組合、貨品流動狀況等；（二）、運輸管理方面，包括路線安排與裝卸計劃、配送方式與時間、不同溫度產品的復合運輸、溫度記錄存查等；（三）、倉儲管理方面，包括裝卸作業、揀貨理貨作業、溫度品質管理等；（四）、顧客服務方面，包括配送渠道的訂貨系統、缺貨與延遲送貨的督導、配銷體系服務品質的追蹤評核等。
現代化物流冷庫作為冷鏈供應的一個環節，需要實現如下功能：
⑴、訂單協同功能。一體化處理客戶的物流訂單，進行任務的分解和分配。
⑵、精細化倉儲管理功能。通過設置相應的倉儲策略，實現倉儲管理的科學化、精細化。
⑶、RFID（Radio Frequency Identification的縮寫，即射頻識別，俗稱電子標簽）功能。支持RFID設備在物流過程中的應用，包括車門開閉報警、車內溫度監控等。
⑷、GPS/GIS（全球定位系統/地理信息系統）監控。通過GPS、GPRS和GIS的集成，對運輸車輛進行實時監控。
⑸、業務流程同步。應用工作流管理理念，實現內部業務流程的高度協同。
⑹、低溫設備管理。支持對低溫設備的日常管理和維護。
⑺、溫度濕度監控。實時監控物流過程中影響貨物品質的濕度和溫度，并設置預警機制。
⑻、快速入庫功能。為特殊貨物提供快速入庫功能。
⑼、提示及事件管理。為系統使用者提供提示及事件管理功能。
⑽、車隊優化。提升對運輸車隊的管理和控制。
⑾、運輸計劃執行管理。全過程的管理運輸計劃的執行情況。
⑿、績效管理。通過采集各關鍵業務節點的信息，實現全員KPI(關鍵業績指標)管理。
⒀、決策支持。應用統計分析方法，實現對企業經營決策的支持。
2、冷庫設計中的節能
冷庫的節能是需要冷庫設計、施工、運行操作、管理各方面通力合作共同完成的目標。冷庫設計的節能包括：隔熱結構保溫性能的優化設計、制冷系統運行參數的優化設計、高效率制冷設備的選擇、系統自動控制設計等。
2.1、隔熱結構設計上總的趨勢是越來越重視節能，即增大隔熱結構的總熱阻值，減小單位面積熱流量值q(w/m²)。美國（ASHRAE）推薦值6.3 w/m²，法國推薦值8 w/m²，日本推薦值7.2 w/m²，但我國現行《冷庫設計規范》（GB50072-2001）中推薦的單位面積熱流量值為8～12 w/m²，設計中大部分人選取中間值10 w/m²，明顯偏大。
理論上可以通過隔熱結構的一次性投資和制冷系統的運行費用計算出隔熱層經濟厚度，但是由于影響制冷系統運行費用的因素很多，加上能源價格的變化較大，理論計算值會出現較大的偏差，失去指導意義。因此建議：在初次投資允許的情況下，適當增加隔熱結構的總熱阻，減少運行中耗能。同時，由于總熱阻的增加、庫溫波動減小，也有利于利用電價的“峰谷”差值，調節系統運行，節約運行費用。
2.2、土建冷庫與裝配結構冷庫
傳統的土建冷庫具有墻體占地面積大、施工復雜、施工期長等缺點。但作為冷庫也有一個很大的優點：熱惰性大，其熱惰性指標D可達7～9（D＞4為重型結構），熱衰減度大，延遲時間可達16～18小時，因而白天維護結構吸收熱量的一部分會隨著夜晚室外溫度的降低反傳到室外，減少冷庫的熱負荷，并且庫內維護結構熱負荷的最大值出現在電價的“谷時”，也有利于節省運行費用。
采用聚氨酯復合保溫板的裝配式冷庫，可實現工廠化預制，現場組裝方便，具有施工快、工期短的優點。在工程實踐中，雖然總熱阻能夠滿足規范的要求，由于其熱惰性指標D值小（4＞D＞1.5），蓄熱系數小，總衰減度小，延遲時間只有3～4小時。實踐證明：維護結構總熱阻相同的裝配式冷庫與土建冷庫相比，制冷機的累計運行時間要多20%左右。老舊庫房改造的磚混結構的冷庫，采用聚氨酯噴涂是比較理想的保溫方式。
裝配式冷庫采用加長墻衣板，減少保溫墻體受熱的方式可以減少部分維護結構熱負荷。墻衣板下端與冷庫站臺平齊，屋頂采用無動力風機排風，降低冷庫維護結構外側溫度也可以起到很好的效果。
2.3、層高和單間冷庫面積
合理選擇層高和分間面積可以提高冷庫的利用率。層高和單間冷庫面積的確定一定要與經營方式、經營規模、品種特性、包裝方式、碼垛方式等相適應，最好能與冷庫貨架、庫內叉車等協調確定方案。
3、制冷系統的設計
3.1、根據冷庫的經營特點選擇制冷系統
生產型的冷庫要求產品迅速冷卻，所以冷卻、凍結、冷藏各個環節的加工能力必須與整個生產相適應。倉儲型的物流冷庫要注重通用性，考慮公共型冷庫的柔性設計。配送型的冷庫是一種定制化的設計，以超市為例，要根據超市的業態進行設計，有著非常細化的溫度帶，比如說熟食是不是在庫內加工包裝等等，是最復雜的綜合性設計。
物流冷庫制冷系統應該采用集中操作管理的模式，以便于對庫溫的控制、運行參數的調節，對于大、中型物流冷庫采用環境友好型制冷劑的氨制冷系統是很好的選擇，小型冷庫或對安全有特殊要求的冷庫選擇工質時盡量選擇新型替代制冷劑。具體選擇要按照國家《消耗臭氧層物質管理條例》和當地政府有關規定要求執行。
1998年美國太空總署NASA針對860種化學物質進行研究，從物質的應用范圍、液氣態物理性質、熱力性質、穩定性、毒性、燃燒性、與材料兼容性、價格等項目，試圖找出最適合做為冷媒的物質，結果氨被列為十種最適合物質中的一種。因其幾乎完全具有冷媒之必要的優點，尤其以價格低廉、潛熱大及不會破壞環境之性質為最。實際上，只要嚴格按著國家的相關規范、規程進行設計、施工和操作管理，其安全性是有保證的。但是隨著國內對于安全的重視程度及嚴格的檢查，現有的氨機冷庫很難正常運營。都紛紛改成環保型氟機系統，所以新建的冷庫就不再設計氨機系統。
3.2、確定合適的庫房面積，盡量采用大區域制冷的方式
現階段，很多物流冷庫采用“出租經營”的模式，部分租賃者的經營規模很小或者把物流冷庫當做零售環節的冷藏設施來使用，因此有些業主希望把冷間分割的很小，以適應經營者的需求，有時要分割成30～50米²/間。對于經營者個體而言，貨物的存儲量波動很大，有時一次進貨量就是該間冷庫的容量，如果把制冷區域分割成很小的單元會給制冷系統的設計、運行操作以及庫溫控制帶來很大的影響。
對于在經營上要求進行小區域分割的冷庫，可以采用大區域制冷，通透式分隔（以不影響庫內風速場流動為原則）的方式處理。即使局部新貨負荷較大，就整個制冷區域來講，引起的庫溫的波動是在設計允許范圍內的，庫內冷卻設備的選擇上也不需要刻意預留更大的換熱能力。
3.3、制冷系統運行參數的選擇
蒸發壓力（溫度）和冷凝壓力（溫度）是制冷系統的主要參數，是系統運行中操作與調整的重要依據。 
（1）、選取合適的蒸發溫度
冷鏈物流中的不同種類商品對物流環境中的溫度、濕度要求也各不相同。而我國冷庫庫溫一般設置為0℃～4℃和-18℃～-22℃兩種，有少數冷庫定為-28℃以下。這種庫溫設計滿足了大多數商品儲存的溫度要求，但與商品的最佳儲存溫度并不完全一致。從提高商品儲存質量、延長保質期的角度出發，應對產品進行細分，對不同商品應設定其最適宜的儲存溫度。
根據儲存溫度要求確定的蒸發溫度并不是越低越好，蒸發溫度過低不僅導致制冷系數下降，能耗增加，而且由于溫差增大，還會使冷風機的除濕量增大，庫房濕度減小，從而引起食品干耗增大，食品品質下降。
國內通常采用的蒸發溫度與庫房溫度之差為10℃，一些經濟發達國家，蒸發溫度與庫房溫度之差一般取值為3～6℃。在其他參數不變的條件下，蒸發溫度與庫房溫度之差由10℃改為7℃，則單級壓縮制冷系統的制冷系數（COP）值增加12%左右，而雙級壓縮制冷系統的制冷系數（COP）值增加10%左右。但是，蒸發器面積要增加42%,所增加的設備冷風機的設備投資回收期為三年左右，這里并沒有計算由于壓縮機制冷量的增加而減少的主機與其他輔助設備的投資節省。
實際上，選取傳熱溫差過大和操作調整不合理是造成食品干耗增大，很多業主拒絕使用冷風機而選用頂排管的主要原因。                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                              
    （2）、選取合適的冷凝溫度 
冷凝壓力升高，將會導致壓縮功能增加，制冷量減少，制冷系數下降，能耗增加。據估算，在其他條件不變的情況下，冷凝壓力所對應的冷凝溫度每升高1℃，耗電量將增加3%左右。
采用蒸發式冷凝器可以比殼管式冷凝器得到更低的冷凝溫度（冷凝溫度可以更接近濕球溫度），所以，選用蒸發式冷凝器有利于系統節能，同時也更加節水。研究發現，不同品牌的蒸發式冷凝器運行能耗相差很大，單位排熱量耗能甚至相差2～3倍。
單位排熱量耗功()計算公式：
 
3.4、制冷系統循環方式的選擇
選擇制冷系統循環方式要綜合考慮系統運行工況、年運行時間、系統冷負荷、一次性投資、系統運行效率（制冷系數）、制冷壓縮機及輔助設備的使用條件等多種因素。
《冷庫設計規范》（GB50072-2001）明確規定了活塞式制冷壓縮機選擇單、雙級壓縮的條件，而對于螺桿式制冷壓縮機沒有設定限制。就壓縮機的使用條件而言，螺桿壓縮機單級壓縮即可以達到較大的壓縮比，但是只有當內、外壓比相同時，機器耗功最低，而過壓縮和欠壓縮都將導致壓縮機運行效率下降，并產生額外的功耗。螺桿式壓縮機提供冷更多的雙級壓縮制冷循環方式：帶經濟器螺桿機制冷循環、單機雙級螺桿機制冷循環、螺桿配組雙級制冷循環，在特定的運行工況下，不同的制冷循環方式更具各有優勢。
對于螺桿壓縮機而言，一般情況下蒸發溫度T₀＞-15℃時，采用單級螺桿壓縮形式；蒸發溫度T₀=-10℃～-35℃時，采用帶經濟器螺桿壓縮形式；蒸發溫度T₀＜-30℃時，可考慮單機雙級螺桿機組或配組雙級壓縮形式。
雙級壓縮系統按其節流和中間冷卻方式可區分為一次節流、二次節流和完全中間冷卻、不完全中間冷卻幾種循環方式，對于同樣的低壓級、高壓級制冷機具有如下特點：（1）、完全中間冷卻系統的制冷系數（COP）值高于不完全中間冷卻系統；（2）、二次節流系統的制冷系數（COP）值高于一次節流系統。
3.5、庫內冷卻設備的選擇
庫內冷卻設備主要有冷風機和冷排管二種。冷風機由于其制冷劑充注量小，換熱效率高，易除霜，造價低（同樣換熱能力條件下，冷風機的造價僅相當于冷排管造價的不足50%），易實現自動控制，已經被廣泛采用。冷排管雖然制冷劑充注量大，換熱效率高低，不易除霜，造價也高，但由于儲存商品的干耗低，仍占有一定的市場。
庫內冷卻設備選擇的關注點是運行節能和減少干耗。傳統的觀念認為貨物商品干耗大是由于選用冷風機的緣故，實際上選用冷風機作為冷卻設備造成干耗大的原因有三個：（1）、設計時選擇傳熱溫差大（ΔT=10℃）；（2）、不做風速場設計；（3）、運行調整不合理，尤其是冷卻物冷藏間有時運行傳熱溫差達到15℃。
選用冷風機時，降低運行費用，減少干耗的措施：
第一，選擇大片距冷風機，加大冷風機面積，減小傳熱溫差，減少冷風機結霜和商品干耗。
第二，增設均勻送風道對庫內風速場進行設計，貨間空氣流速設定為0.25米/秒。探討其他形式的冷風機及其布置方式（例如下出風的貨倉式冷風機）。
第三，自動控制系統中，考慮蒸發溫度控制的控制。
第四，加強操作運行管理，注意主機能量調配（主機制冷能力是按最大負荷匹配的），防止“大馬拉小車”，保證設定傳熱溫差。
近幾年，帶翅片的鋁合金冷排管在氨制冷系統中也得到了應用，由于翅片增加了排管的換熱面積，同時鋁制排管采用了比較小的管徑，所以帶翅片的鋁制排管在減少荷載、減少工質充注量、減少投資、降低商品干耗等方面均有優勢。
鋁合金冷排管與傳統冷排管比較：
 

 
采用熱氟化霜，此技術已經運用成熟。
3.6、蒸發器除霜
速凍機蒸發器除霜采用熱氟加水的融霜方式，需要注意：速凍機的沖霜水要求達到食品生產的衛生標準，大多數用戶采用車間生產用水。熱氨融霜由制冷系統操作人員控制，而水沖霜由生產車間操作人員控制，要求操作上必須協調一致，除霜前將蒸發器內液氨抽凈，保證融霜安全。
冷排管采用熱氨排油加人工掃霜的方式，鋁合金冷排管可以采用電熱融霜的方式，除霜是庫溫波動大。
冷風機的除霜多采用熱工質加水的除霜方式。熱工質融霜在制冷系統的節能、管理、自動控制等方面都具有優勢，經濟發達國家已普遍采用，但我們在實際應用中還需要從產品設計、系統設計、操作管理等諸多方面進一步完善。
自動控制制冷系統，如果一個系統控制閥組帶多臺冷風機，要考慮每臺冷風機供液、回氣、熱氨的單獨調節。
3.7、自動化控制
制冷系統的自動化控制，可以保證系統的安全遠行，減輕勞動強度，提高食品質量，減少干耗，降低儲藏成本，是冷庫現代化的標志之一，也是食品質量溯源的技術保證。
制冷系統的自動控制主要通過全自動監控系統，實現系統運行狀態監視與控制、運行參數調節、事故報警、事故故障診斷等功能，保證冷庫內溫度的有效控制。通過制冷壓縮機的自動能量調節、設備的自動控制、供液量的自動調節和自動融霜，可使系統制冷量與冷負荷相適應，達到節能的效果。據有關資料統計，自動控制與手動操作相比，可節約能耗10-15%左右。
冷庫自動控制系統的節能設計應該從以下幾個方面考慮：
（1）、變蒸發溫度控制
冷庫溫度的控制多是以庫內空氣溫度為控制對象，對蒸發溫度往往不作調節，蒸發器的實際傳熱溫差是系統運行的自我平衡點，實際上難以達到好的節能效果，只有把蒸發溫度的調節和庫溫控制結合起來，輔以壓縮機自動能量調節，才能達到理想的節能效果。
（2）、根據冷負荷冷風機開啟臺數
制冷系統的蒸發器和制冷壓縮機都是按滿足最高負荷需要匹配的，根據被控制參數的變化設置累進制能量調節，使系統投入的制冷能力與冷負荷相匹配，避免設備或系統的頻繁啟仃。
（3）、設定合適的控制精度
不同的庫存商品和不同的貯存期都有不同的庫房溫度及其控制精度要求。從節能的角度出發，只要不影響商品的品質，庫房溫度宜取高不取低、控制精度宜取低不取高，不必偏面追求過低的庫溫和高精度控制。
（4）、蒸發器按需融霜
由于季節和生產經營的變化，即使在相同的運轉時間內結霜量也是不同的，定時融霜和累計定時融霜都不可避免出現融霜滯后或過頻的現象發生。同時，為了保證融霜效果設計時按最不利條件設置融霜時間，導致大部分融霜過程帶入的熱量過多。
冷風機按需融霜，需要有可靠的霜層傳感器或差壓變送器，感知最佳的融霜時間，由溫度控制器控制融霜時間，防止過多加熱。
（5）、變頻技術的應用
利用變頻技術，實現制冷壓縮機、冷風機、水泵的能量調節，使系統制冷能力與冷負荷相匹配，達到節能運行的目的。
3.8、大空間立體冷庫
近幾年，浙江海通食品集團、浙江祐慷集團、寧波遠東冷藏公司、伊利集團、蒙牛集團等先后建設了多座高貨位立體自動化冷庫，其庫內裝卸和堆垛作業實現了機械化或自動化及庫溫控制、制冷設備運行也全部實現自動化。
大空間立體冷庫制冷系統設計要注意以下幾點：
• ⑴、很大的單體冷藏空間，層高越來越高，可能會達到30至40米，在一定條件下，貨物區域可以利用空氣溫差實現自然對流換熱；
• ⑵、單位冷負荷較普通冷庫低，庫內空氣循環倍率低，冷負荷不能采用估算的方式；
• ⑶、高位貨架和支架，可能會阻礙氣流分布，冷風機和風道系統布置要和庫內貨位布置方式結合起來考慮，并且不阻礙庫內機械（設備）或自動傳輸系統的作業；
• ⑷、無過道式移動貨架的應用，最大限度地增加了空間利用率；
• ⑸、庫溫控制、制冷系統運行自動化，能隨時提供庫存貨物的品名、數量、貨位和庫溫履歷（歷史溫度曲線）；
• ⑹、維護結構冷負荷所占比例小，節能并降低投資成本。
3.9、低品位熱能的利用  
制冷系統運行中排放出大量的低品位熱能，對其加以利用也是節能的重要措施。主要包括：
⑴、壓縮機排氣熱的利用；
⑵、冷風機沖霜回水利用。
 
三、結束語
物流冷庫作為冷庫必須滿足商品的冷藏要求，同時作為冷鏈物流的節點必須適合物流的使用、經營、管理要求。進行設計之前必須對業主的要求、期望以及使用、管理方式有充分得了解，使設計更加貼切于實際使用。設計中節能環保是永遠的主題，沒有最好的冷庫，只有最適用的冷庫。
 
 
 
 
北京銀龍誠信制冷設備有限公司（設計部）