冷庫制冷系統建設與技術選擇

文/ 本刊記者 林振強

制冷系統是整個冷庫的核心組成部分，只有把握好制冷系統設計的各個要點，憑借新技術及經驗不斷優(yōu)化，才能使冷庫的制冷系統更加完善、安全和高效。

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

一、制冷系統的技術選擇

在做制冷系統規(guī)劃和選型時，需要充分考慮冷庫所處環(huán)境、所存貨物、冷庫規(guī)模和性質、技術條件等因素，更要對所選技術的特點有所掌握。

1.制冷劑的選擇

冷庫是冷鏈重要的基礎設施，需要保證制冷系統的穩(wěn)定性

在目前我國的冷庫中，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，如氨對臭氧層危害小、容易獲取、價格低廉、壓力適中、單位制冷量大、放熱系數高、幾乎不溶解于油、流動阻力小；缺點是對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色、無味氣體、易揮發(fā)液，透明、介電常數低、臨界溫度高、易液化、溶于油，無味或略有氣味，無毒或低毒，化學性質穩(wěn)定，但對大氣臭氧層破壞嚴重。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，其流動損失小、傳熱效果良好，制冷能力大，并且費用低易獲取、穩(wěn)定性好、安全無毒，不可燃。缺點是運行壓力高，需專業(yè)維護。

在衡量制冷劑時，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）是兩個關鍵性考核指標。由于氟利昂對環(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，這兩種對環(huán)境的影響相對小，也是當今較為熱門的制冷劑推薦。目前國內外還是以氨制冷系統為主，并且技術相對比較成熟，但由于國內近些年發(fā)生的氨冷庫重大事故，使人們更多將重心放在二氧化碳上，開發(fā)新型的二氧化碳制冷技術也成為冷凍冷藏行業(yè)的研究熱點。

國內外對二氧化碳在低溫制冷系統中的應用研究多為復疊系統、雙級增壓系統和載冷系統。相對于這些系統，開發(fā)一種結構更簡單、運行效率更高的二氧化碳制冷系統，將成為研究趨勢。

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優(yōu)勢與劣勢。制冷系統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內循環(huán)，對管路系統要求也更高嚴格，一旦某些環(huán)節(jié)出現故障，將影響整個制冷系統。因此，直接制冷方式很少應用于大型制冷系統，這也是許多液氨直接制冷庫要進行全面改造的原因所在。

間接制冷主要是通過常壓的二次冷卻介質進行大循環(huán)傳送冷量，可避免直接制冷在庫房內產生的高壓和使用大量不安全制冷劑所潛伏的隱患。但間接制冷的問題是，大多數載冷劑的冰點和沸點都不夠理想，有些還會嚴重銹蝕金屬，導致制冷系統日常維護費用升高，壽命短且耗能增大。因此，要保證間接制冷系統正常運轉，需要好的載冷劑與制冷機相配套。

3.冷凝機組的選擇

根據冷庫的規(guī)模和設計溫度等因素，選擇合適的冷凝機組是制冷系統設計的關鍵之一。冷凝機組按所選壓縮機類型，可分為渦旋式冷凝機組、活塞式冷凝機組和螺桿式冷凝機組；按冷卻方式可分為風冷冷凝機組、蒸發(fā)冷冷凝機組和水冷冷凝機組；按使用溫度，又可將冷凝機組按高溫、中溫、低溫、超低溫進行劃分。

按壓縮機類型來看，渦旋式冷凝機組具有噪音低、體積小、密封性好、穩(wěn)定性高等特點。目前，渦旋式壓縮機及其冷凝機組都呈現大型化發(fā)展趨勢，市場上存在60～90HP冷庫項目使用多套15HP或者30HP渦旋并聯的情況，多機并聯進一步擴大了渦旋機組的應用范圍，進一步擠壓活塞式冷凝機組的市場。

螺桿式冷凝機組市場依舊保持高速增長。由于冷庫呈現出大型化、裝卸自動化、高效安全、環(huán)保節(jié)能的發(fā)展趨勢，大功率的螺桿式冷凝機組剛好能夠滿足大冷量、低庫溫、低耗損、不間斷運行、較低故障率等要求。技術上，隨著冷鏈物流行業(yè)的發(fā)展，受“氨改氟”事件遺留影響，螺桿式冷凝機組企業(yè)完成螺桿并聯技術的革新，并對機組整體能效進行提升，螺桿式冷凝機組的應用范圍不斷擴大。

雖然面對雙重擠壓，但活塞式冷凝機組被替代的趨勢已經有所減弱。活塞式壓縮機組可在多種工況下使用，特別是在低溫工況下表現良好，性能穩(wěn)定，可靠性高，同時具有較高性價比。目前，活塞式冷凝機組在冷庫、商超等領域均占有一定的市場份額。

按冷卻方式可分為風冷、蒸發(fā)冷和水冷三種冷凝機組，占比基本穩(wěn)定，冷卻方式不受壓縮機類型和冷凝機組本身的限制，主要由客戶主導。在三種冷卻類型中，風冷冷凝機組產品占比最大。風冷產品系統安裝簡便，初投資和維護成本相對較低，不受周邊水資源限制，對使用空間大小也沒有特別要求，風冷冷凝機組的應用范圍較為廣泛，特別適合小型制冷項目。隨著冷庫行業(yè)的發(fā)展，風冷冷系統占比呈緩慢增加趨勢。蒸發(fā)冷系統的效率較高，但初始投資和運營維護成本較高，主要用于大型制冷項目。大型冷庫（萬噸以上），特別是氨冷庫大多采用蒸發(fā)冷系統，目前約90%新設計的大型冷庫都會采用蒸發(fā)冷冷凝機組。水冷系統主要適用于室外溫度較高、水源充足的南方地區(qū)，系統節(jié)能性和制冷優(yōu)勢比在北方更明顯。水冷冷凝機組市場占比最小，且呈下降趨勢。

總的來看，小型項目用戶更傾向于選擇風冷系統，大型項目更傾向選擇蒸發(fā)冷系統。但在一些特殊環(huán)境下，例如附近有水源或一些機組和冷凝器不能放到外面的純室內項目，會采用水冷系統。用戶可通過分析系統的初投資和運維成本，以及當地氣候條件，來選擇采用相應的冷卻方式。

按使用溫度來看，低溫冷凝機組在低溫冷庫、肉制品冷凍貯藏等領域應用廣泛，近年用于凍結水產、禽肉類食品冷藏的低溫冷凝機組隨之快速增多。中溫冷凝機組主要用于凍結后的食品冷藏，受冷鏈物流和生鮮電商行業(yè)發(fā)展的拉動，全國各地大量建設中溫冷庫，機組市場隨之增長。超低溫冷凝機組主要應用于大型速凍、生物制藥和各類實驗室等領域。

制冷系統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，前兩種在冷庫制冷系統較為常用。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中大多采用，而在氨系統中較少采用。在500噸及500噸以上的各型冷庫中，目前基本都采用液泵供液方式。在500噸以下的小型冷庫的氨制冷裝置中，則基本還采用重力供液方式。

5.制冷系統組合方式的選擇

集中供冷：制冷裝置的主要機器設備安裝在特設的機房內，采用供液、回氣管道把各冷間的冷卻設備連接起來，這種由機房集中供冷的方式是目前應用最為廣泛的一種組合方式。一套制冷裝置可以承擔冷加工、冷藏、制冰等多種制冷負荷，同時若干個庫房集中供冷，機器設備的利用率高，冷量分配靈活并可相互支援。但這種模式下，冷庫建設周期長，建設費用高；制冷裝置工作效率的高低，不僅取決于安裝技術好壞，而且一部分庫房熱負荷的波動，還會影響其他庫房工況的穩(wěn)定。

分散供冷：將制冷壓縮機、冷凝器、膨脹閥、蒸發(fā)器以及必要的附屬設備在制造廠組裝起來，成為一套緊湊、高效、具有全自動性能的制冷機組。冷庫隔熱廓體建成后直接將這種成套設備安裝在冷庫的穿堂、月臺等地方，只要接通水電、安裝好送回風管道就可以投入運轉。通常情況下，一套制冷機組負責向一間庫房供冷，各庫房都是獨立的制冷系統，各不干擾，控溫準確，從而簡化現場安裝，建設周期縮短。但由于各個制冷機組不能互相調節(jié)制冷量，使得設備利用率較低。

6.可供選擇的高新技術

（1）熱回收。冷庫制冷系統正常工作時，會將冷凝熱排到室外，危害環(huán)境，且浪費能源。其實，制冷系統中的熱量主要來自冷間熱量和壓縮機功耗轉換的熱量，如果能利用好這些余熱，就可以相應減少其他能源的消耗。目前出現的熱回收設備和系統，通過收集壓縮機等功耗所損失的熱量，把其導入冷庫地下對乙二醇加熱管加熱，從而得到充分利用。

冷庫的制冷系統規(guī)劃設計，需要結合冷鏈物流自身特點展開

（2）熱氣除霜。熱氣除霜目前已廣泛應用于冷凍冷藏行業(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換裝置，將高溫高壓排氣徑直傳輸到冷排中，使冷排溫度上升，霜層在和冷排的結合處首先融化，繼而自動脫落，即系統的冷凝器轉變成蒸發(fā)器，而蒸發(fā)器則轉變成冷凝器。

（3）制冷系統自動化控制技術。利用自動化控制技術可以更好地進行冷庫制冷、控溫等操控。自動化技術是一種運用控制理論、儀器儀表、計算機和其他信息技術，對工業(yè)生產過程實現檢測、控制、優(yōu)化、調度和管理，從而達到增加產能、提高質量、降低消耗、確保安全等目的綜合性技術，制冷自動化包括自動運行控制、實時監(jiān)測、自動保護、數據的采集與處理，以及報表的自動生成。

二、規(guī)劃設計要點

與工業(yè)制冷、商業(yè)制冷等不同，冷庫的制冷系統規(guī)劃設計，需要結合冷鏈物流自身特點展開，并應把握以下要點：

1.穩(wěn)定性。冷庫是冷鏈重要的基礎設施，承載著加工、存儲、配送等多種功能，一旦出現制冷系統故障，將造成不可估量的損失。在冷庫制冷系統的規(guī)劃中，首先要重視系統運行的穩(wěn)定性。在進行冷庫基礎材料、制冷設備和制冷劑等相關設備和技術的選擇時，要保證具有較高的安全性和可靠性，為冷鏈安全護航。

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

3.智能化。隨著物聯網等新技術逐步應用，冷鏈全流程的實時監(jiān)控得以實現，并助推設備控制、系統運行向著智能化方向發(fā)展，從而更好地進行溫度、能源和安全控制。在冷庫轉型升級的過程中，自動化、智能化技術將促使冷庫制冷效率和質量進一步提升。