自動化冷庫保溫結構節能設計分析

周　丹

（松下壓縮機（大連）有限公司，遼寧大連 116033）

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自動化冷庫保溫結構節能設計分析

周丹*

（松下壓縮機（大連）有限公司，遼寧大連 116033）

[摘 要]目前我國冷鏈物流行業處于快速發展時期，作為冷鏈物流重要環節之一的冷庫，未來的發展趨勢將是大型化、高端化，且自動化水平越來越高。立體冷庫維護結構的熱流量占總冷負荷的比重較大，采用合適的保溫結構設計可以降低冷庫的運行能耗。本文分析了自動化立體冷庫的結構特點，針對保溫材料厚度的選擇、保溫結構形式、庫板安裝、冷橋處理、屋面防水處理等方面提出了相應的解決方案。

[關鍵詞]自動化立體冷庫；保溫；防冷橋；防水處理

*周丹（1977-），女，高級工程師。研究方向：制冷系統優化及冷庫成套設計。聯系地址：大連市甘井子區東海路78號，郵編116033。聯系電話：13700098947。

0 引言

隨著國民經濟的發展和人民生活水平的提高，人們對食品的品質有了更高的要求，作為食品冷藏鏈重要環節之一的冷庫建設目前正處于高速發展時期。

未來冷庫的發展趨勢將為大型化、高端化、自動化水平越來越高。據文獻[1]報道，目前國際上最先進的冷庫是全自動化立體冷庫，起源于美國20世紀60年代中期，隨后日本、澳大利亞等發達國家也相繼建設了一批立體自動化冷庫。2006年以來我國的大型食品加工企業也先后開始了自動化立體冷庫的建設。

與傳統單層或多層土建冷庫相比，自動化立體冷庫的特點是單層設計，主體結構為鋼結構，庫高較高，一般為(18～25) m，庫內設計有9層以上自立式貨架，如圖1和圖2所示。

利用巷道堆垛起重機在冷庫內水平和垂直移動，從貨架中提取貨物，貨物放置于標準托盤上，用輸送機完成貨物進出庫的自動化操作。

據文獻[2]報道，自動化立體冷庫無論(0～4)oC的高溫庫還是(-20～-25)oC的低溫庫都是以儲存功能為主，屬于物流周轉冷庫，以(-20～-25)oC的低溫立體冷庫為例，貨物降溫過程中維護結構熱流量大約占總冷負荷的40％，保冷過程中約占總冷負荷的60％，因此有必要采取合理的保溫結構設計降低維護結構熱流量，降低冷負荷，降低系統運行的能耗。

保溫結構的節能設計涉及到兩方面內容，首先是保溫材料的選擇和經濟厚度的計算，其次是安裝施工過程中如何保證良好的保溫效果，避免冷量損失。本文分析了自動化立體冷庫的結構特點，在此基礎上針對保溫材料、厚度的選擇、保溫結構形式、庫板安裝、冷橋處理、防止庫板彎曲變形、屋面防水處理等方面提出了合理的解決方案。

圖1　立體冷庫建筑平面圖

圖2　立體冷庫貨架

1 保溫材料和厚度的選擇

據文獻[3]報道，冷庫在建設中應采取優質的保溫材料和經濟合理的保溫層厚度，即使初期投資費用較高，但從以后運行情況看，既節能又保證了食品的質量。

冷庫保溫材料的選用必須因地制宜，既要有良好的隔熱性能，又要經濟實用[4]。墻體和頂板常用的保溫材料有聚氨酯和聚苯乙烯兩種，兩者相比，聚氨酯隔熱性較好，不吸水，添加阻燃劑后可達到難燃水平，但成本較高，聚苯乙烯隔熱性較差，吸水性強，易燃，燃燒性能為B2級，但成本低，兩者物理特性對比見表1。據文獻[5]報道，目前相關部門對冷庫的安全性要求越來越嚴格，特別是防火要求，2011年國家公安部已明確規定在民用和工業建筑中不得使用聚苯乙烯作為保溫材料（擠塑板作為地面保溫除外），因此目前新建冷庫都采用聚氨酯保溫[5]。

在鋼結構立體冷庫中采用的是雙面金屬面板聚氨酯夾芯冷庫保溫板，庫板的經濟厚度可根據GB 50072-2010《冷庫設計規范》[6]中條文4.3.2進行計算，計算公式如下：

式中：

d——隔熱材料的厚度，m；

λ——隔熱材料的熱導率，W/(m·oC)；

Ro——維護結構總熱阻，m2·oC/W；

αw——維護結構外表面傳熱系數，W/(m2·oC)；

αn——維護結構內表面傳熱系數，W/(m2·oC)；

d1、d2、…dn——維護結構除隔熱層外各層材料的厚度，m；

λ1、λ2、…λn——維護結構除隔熱層外各層材料的厚度熱導率，W/(m·oC)；

計算可知，當面積熱流量取10 W/m2時，(-20～-25)oC低溫冷藏庫外墻的保溫厚度約為150 mm，頂棚的保溫厚度約為200 mm，(0～4)oC高溫冷藏庫外墻的保溫厚度約為100 mm，頂棚的保溫厚度約為150 mm。

表1　冷庫常用隔熱材料的物理特性

地面保溫材料的選擇，從保溫性能和抗壓強度方面來說XPS硬質聚苯乙烯擠塑板是目前最好的產品之一。由于自動化立體冷庫較高，貨架層數較多，單位面積的荷載要比常規冷庫大得多，因此要充分考慮貨架自重及貨物重量對地坪及地坪保溫層的影響，要求XPS硬質聚苯乙烯擠塑板的抗壓強度比較大。根據公式(1)計算，(-20～-25)oC低溫冷藏庫地面的保溫厚度約為150 mm，(0～4)oC高溫冷藏庫地面的保溫厚度約為100 mm。

2 保溫結構節能設計分析

2.1 保溫結構做法

與常規冷庫保溫層都在建筑內側不同，以鋼結構為主體的立體冷庫有兩種保溫結構做法。

2.1.1 內保溫方式

據文獻[7]報道，內保溫方式即保溫板在鋼結構內側，國內絕大多數的裝配式冷庫都采用這一方式。用鋼結構搭起立體冷庫的外框架，在鋼結構內部做庫體保溫，庫體內布置貨架，最后在鋼結構外側加上外罩板，見圖3和圖4。

圖3　內保溫結構冷庫外觀圖

圖4　內保溫結構

這種方案的優點是技術方案比較簡單，外維護隔熱面積小，容易做合適的防雨屋面，可減少隔熱板所受的日曬雨淋和陽光輻射熱，便于安裝擋雨檐板，在站臺部位也便于安裝護壁板或裝飾板，框架可用普通鋼材。

缺點是鋼結構本身不做貨架，因此鋼材用量較大，冷庫內需要設計鋼架結構立柱，減少了冷庫空間使用率，很多管道和吊架需要穿過吊頂，需要進行冷橋處理。

2.1.2 外保溫方式

外保溫方式即保溫板在鋼結構外側，用鋼結構搭起立體冷庫的框架，然后在鋼結構的外面安裝保溫板，見圖5和圖6。

圖5　外保溫結構

圖6　外保溫結構冷庫施工圖

外保溫結構優點：

1）庫內無結構立柱，能夠最大程度地利用庫內空間；

2）鋼結構不僅起到支撐整個冷庫的作用，還兼做冷庫的貨架，鋼材的用量較少；

3）無額外吊頂夾層，建筑物的總體高度可以降低，保溫板直接安裝在結構柱外側，無需外罩板，節省了投資；

4）庫內設備、管道吊件直接和鋼結構連接，無需防冷橋處理；

5）施工方便、快捷且安全度高。以一個10,000 m2的冷庫為例，如果采用內保溫方式，大致需要60個工人，約2個月的時間來安裝，而且安裝過程風險較大；而外保溫的人員在屋面上工作，在天氣好的情況下，20個工人大概只需要(15～20)天即可完成施工；

6）立柱、橫梁、連接件、貨架等合成一體，形成剛體，整體性好，不易變形，抗震能力強。

外保溫結構缺點：

1）鋼結構在保溫層內，要采用耐低溫鋼材，價格較貴；

2）隔熱維護結構面積較大，相應冷耗也較大，用電量大，日常的運轉費用高；

3）保溫板特別是頂棚要經受日曬雨淋，要做好防雨雪等措施，屋面隔汽、防水處理比較復雜；

4）鋼立柱與基礎結合處需做特殊防冷橋處理。

總體而言，兩種保溫方式相比較，外保溫方式在提高冷庫庫容利用率、減少鋼材用量、減少初投資、冷橋少等方面有著很大的優勢，單位重量貨物的能耗指數比內保溫方式低，即外保溫方式的節能性更好，但是在施工方面還存在一些技術難點，比如柔性屋面防水及保溫處理和立柱冷橋處理等問題。

2.2 國內外應用情況介紹及分析

在自動化立體冷庫保溫結構方式的選擇上，國內外有較大區別，國外基本上采用外保溫方式，而我國由于沿襲土建冷庫的內保溫模式，基本上以內保溫形式為主。

隨著越來越多的外資冷庫（如美冷、太古、普菲斯等）進入中國市場，外保溫結構的優勢也為大家所逐漸熟悉和了解，但是受國情的限制，真正實施起來還有一定的困難。在國外，自動化立體冷庫被認定為內部無人操作，其消防要求比較寬松。而在國內，自動化立體冷庫屬于新生事物，尚無具體的標準規范，在法規上被認定為普通倉庫的一種，考慮到庫內有人員活動，因此防火要求比較高[8]。

換言之，在我國推廣外保溫結構的最大阻礙來自于消防法關于防火等級的要求，國內的消防法規定，構筑物不管是鋼結構還是混凝土，均需要達到相應的防火等級。

根據GB 50016-2006《建筑設計防火規范》[9]3.1.3的條文說明，冷庫應按照丙類火災危險性標準進行防火設計，根據3.2.7條，“高架倉庫的耐火等級不應低于二級”。

如果采用外保溫結構，鋼結構和貨架是一體的，即貨架也屬于構筑物，要滿足不低于二級的防火等級要求，要求其為不燃燒體，耐火極限不低于2.5 h。根據表2，可知要使鋼柱達到2級防火等級，需要用至少40 mm厚的防火涂料做保護層，但是貨架數量很多，如果全部采用噴防火涂料方式，造價非常高，而且未必能夠通過消防驗收。

表2　建筑構件的燃燒性能和耐火極限

3 保溫結構施工難點解決方案

自動化立體冷庫建筑結構與常規冷庫相比有很大的區別，庫高一般為(18～25) m，單層結構，庫內布滿貨架，使得立體冷庫保溫結構施工時有很多地方需要特別處理，包括庫板的安裝施工、防止庫板熱脹冷縮、防冷橋處理、外保溫庫板防潮處理等等，本文就針對這些問題給出相應的解決方案。

3.1 庫板定裝施工工藝

由于自動化立體冷庫較高，需要確認高度方向采用整板還是多塊板拼接方式。

根據目前庫板的生產工藝水平，單板的最大長度可達30 m，可以滿足立體冷庫的高度要求。使用整板方式的優點是接縫少、冷橋少，缺點是比較容易發生彎曲變形；使用多塊板拼接方式的優缺點相反，見圖7和圖8。可根據立體冷庫保溫板的安裝位置來決定：如采用外保溫方式，適合采用整板安裝；如采用內保溫方式，則整板和拼接方式均適合。

3.2 防冷橋處理

由于冷庫的隔熱結構中局部構造的不同，維護結構中的某些部位的傳熱系數明顯大于其他部位，成為冷量大量傳遞的通道，稱為“冷橋”。冷橋的存在不僅導致冷量損失，而且冷橋部位成為保溫隔熱結構的薄弱環節，造成該處保溫隔熱結構溫度較高的一面凝露、結霜、結冰、隔熱層受潮結冰失效，嚴重時還使結構層受凍損壞。

與常規冷庫相同，立體冷庫保溫結構設計中需要進行冷橋處理的部位有制冷管道、電纜、冷風機吊架穿庫板處，墻板與頂板交接處，墻板與地坪保溫交接處等，處理方式見圖9。

與常規冷庫不同，立體冷庫的墻板固定、鋼結構立柱也要進行特殊的防冷橋處理。

圖7　庫板整板定裝施工圖

圖8　庫板拼接定裝施工圖

圖9　管道穿庫板處冷橋處理

傳統墻板的安裝方法是通過穿板螺栓固定的，但是在螺栓連接處會產生冷橋，常規的做法是在螺栓外面加裝保溫裝飾蓋，如圖10所示，該方案工藝比較復雜，處理不當還是會跑冷。國際著名的冷鏈物流公司PFS（普菲斯）提出了一種更加先進的墻板安裝工藝，通過在庫板內側預埋異形鋼板連接件，用折彎鋼板與預埋件連接，從而將庫板固定在鋼檁條上，如圖11所示，該方案的優點是庫板外側無固定釘點，無需進行冷橋處理，同時增加了冷庫的美觀性，值得在國內進行推廣[10]。

圖10　墻板固定螺栓裝飾蓋

圖11　庫板異形鋼板連接

此外，在立體冷庫外保溫結構中還需進行鋼立柱的冷橋處理。據文獻報道，國外的做法是在柱子下用10 cm厚的木板或者高密度高強度的聚氨酯保溫墊塊做為基礎底板隔斷庫內鋼柱和混凝土基礎底座[11]，見圖12。施工要點是下面的混凝土平臺的水平及標高要精確，在放置絕熱墊塊前要做好防水隔汽處理。

圖12　鋼立柱防冷橋處理

3.3 外保溫屋面防水處理

外保溫結構中保溫板特別是頂棚要經受日曬雨淋，防水隔汽處理要求較高，如果處理不好不僅會影響庫板的保溫效果，甚至會影響到建筑物整體的使用功能和耐久性。

眾所周知，保溫材料的吸水率越低，材料的導熱系數就越穩定，即材料的保溫性能越穩定，使用壽命越長。一旦保溫材料吸濕受潮，由于水的導熱系數為0.58 W/(m?k)，幾乎是聚氨酯導熱系數的20倍，當吸收的水份結冰時，因為冰的導熱系數為2.33 W/(m·K)，其導熱系數會進一步增大。保溫材料含濕量對導熱系數的影響見圖13[12]。

圖13　保溫材料含濕量對導熱系數的影響

國外常用的防水做法是在擠塑聚苯板（XPS保溫板）或單面聚氨酯保溫板的光面上鋪設一定厚度的柔性防水材料，比如高分子防水卷材、無紡纖維布等，上面再覆蓋一層壓型板，屋面的排水坡度不小于2％即可，小于國家規范規定的彩鋼板5％的坡度要求，對于大跨度的冷庫屋面而言，這一差別可有效降低建筑物高度，圖14是歐洲立體冷庫的屋面防水保溫做法。

圖14　歐洲的屋面防水保溫做法

4 結論

立體冷庫的維護結構熱流量占總冷負荷的比重較大，采用合適的保溫結構設計可以降低冷庫的運行能耗，本文通過研究自動化立體冷庫的特點，分析了其保溫結構節能設計時需要注意的問題，并總結了國內外的各種做法。

1）通常采用雙面金屬面板聚氨酯夾芯保溫板作為墻板和頂板，采用XPS硬質聚苯乙烯擠塑板作為地坪保溫，要求其抗壓強度比較大。

2）兩種保溫結構做法相比較，外保溫方式在提高冷庫庫容利用率、減少鋼材用量、減少初投資等方面有著很大的優勢，同時單位重量貨物的能耗指數也比內保溫方式低，即外保溫方式的節能性更好。

3）立體冷庫庫板安裝，如果采用外保溫方式，適合采用整板安裝，如果采用內保溫方式，則整板和拼接方式都適合。

4）墻板安裝工藝通過在庫板內側預埋異形鋼板連接件，用折彎鋼板與預埋件連接，從而將庫板固定在鋼檁條上，庫板外側無固定釘點，無需進行冷橋處理，節能性更好。

5）在立體冷庫外保溫結構中還需進行鋼立柱的特殊冷橋處理，常規的做法是在柱子下采用10 cm厚的木板或者高密度高強度的聚氨酯保溫墊塊做為基礎底板隔斷庫內鋼柱和混凝土基礎底座。

6）外保溫結構中要進行頂板防水隔汽處理，常用的防水做法是在擠塑聚苯板（XPS保溫板）或單面聚氨酯保溫板的光面上鋪設柔性防水材料，比如高分子防水卷材、無紡纖維布等。

參考文獻：

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[12]鐘云.硬泡聚氨酯外墻外保溫工程的防水技術[J].建設科技,2012,(7):68-69.

Analysis of Energy-saving Design of Thermal Insulation Structure for Automated Cold Storage

ZHOU Dan*
(Panasonic Appliances Compressor (Dalian) Co.,Ltd.,Dalian,Liaoning 116033,China)

[Abstract]At present,the cold chain logistics in China is in a period of rapid development.The cold storage is one of the important links for the cold chain logistics,and the future development tendency of cold storage is for large-scale and high-end,and the automation level is higher and higher.The heat flow of the maintenance structure of the cold storage holds a larger proportion of the total cooling load of the cold storage,and adopting appropriate insulation structure can reduce the operating energy consumption of cold storage.The structural characteristics of the automated cold storage have been analyzed in the paper,and the corresponding solutions of the thickness of insulation material,the form of insulation structure,the wall installation,anti-cold bridge and roof waterproofing have been proposed.

[Keywords]Automated cold storage; Thermal insulation; Anti-cold bridge; Waterproofing

doi：10.3969/j.issn.2095-4468.2016.01.207