大型果蔬高架冷庫設(shè)計與施工研究

杜麗麗 楊 博 謝 強 左建冬 邵麗麗

（松下冷機(jī)系統(tǒng)（大連）有限公司 大連 116000）

引言

近年來，我國冷鏈?zhǔn)袌鲆?guī)模快速增長，特別是在生鮮電商及線下超市的帶動下，果蔬冷庫需求不斷提高，截至2020年，我國果蔬冷庫庫容量達(dá)1 776 萬噸，增長率位于所有儲物冷庫的首位，根據(jù)國家“十四五”冷鏈發(fā)展規(guī)劃要求，要加強配套冷鏈設(shè)施建設(shè)，推動構(gòu)建反季節(jié)蔬菜、高原夏菜、熱帶水果等從優(yōu)勢產(chǎn)區(qū)到主銷區(qū)的全流程果蔬冷鏈物流體系[1]。在眾多類型的冷庫類型中，用于儲存果蔬的高架冷庫在我國的應(yīng)用并不多，本文結(jié)合實際工程的應(yīng)用，著重闡述一下這一類型冷庫的設(shè)計及施工重點和難點。

1 工程概況

河南某超市配套冷鏈倉儲配送中心高架立體冷庫建筑占地面積5 958.58 m2，面積約4 445 m2，庫高約38（-4.00 ～ +34.15）m，擁有托盤位3 萬個，儲存容量達(dá)3 萬噸，被分割成三個不同尺寸的冷間，其中冷間1和冷間2 設(shè)計庫溫為-1 ℃，主要儲存果蔬類產(chǎn)品，冷間1 尺寸為87 m×15.3 m×37 m，冷間2 尺寸為87 m×8.5 m×37 m，冷間3 設(shè)計庫溫為-18 ℃，主要儲存冷凍食品，尺寸為87 m×24 m×37 m。其中冷間2 作為變溫庫，可以進(jìn)行中低溫切換。

圖1 某果蔬高架冷庫全景

2 整體方案設(shè)計

2.1 穩(wěn)定的高層建筑結(jié)構(gòu)

整個項目采用外保溫內(nèi)承重式鋼結(jié)構(gòu)、筏板基礎(chǔ)、柱底有下柱墩，預(yù)埋地腳錨栓，主體結(jié)構(gòu)形式為單層門式鋼結(jié)構(gòu)，在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計上，綜合考慮造價、工期還是在空間利用率上，選擇實腹H 型鋼柱樣式，鋼柱均為焊接形式，鋼柱分為2 節(jié)，上下通過栓焊接點連接。這種結(jié)構(gòu)設(shè)計和施工的難點在于高層鋼結(jié)構(gòu)在運輸和現(xiàn)場安裝時的工藝，立柱定位準(zhǔn)確性以及選材的耐低溫性能和防冷橋做法。

圖2 鋼結(jié)構(gòu)整體框架圖

圖3 外保溫板安裝圖

2.2 完善耐久的保溫體系

1）整體材料的選擇

采用外貼保溫結(jié)構(gòu)，這種保溫形式具有冷庫庫容可實現(xiàn)最大化，庫內(nèi)設(shè)備及管道吊架與主結(jié)構(gòu)連接無需穿透庫板，冷橋少，整體外觀效果好等特點，同時考慮到消防規(guī)范要求，故在冷庫墻面、頂部采用PIR 保溫板外側(cè)加設(shè)A 級不燃性巖棉夾芯板，從而滿足《建筑設(shè)計防火規(guī)范》相關(guān)要求。巖棉板外側(cè)加覆PVDF 涂層，這樣也能在今后的使用過程中更好的保護(hù)冷庫保溫板，使得整個建筑的壽命更長久。

2）鋼結(jié)構(gòu)立柱防冷橋處理

在外保溫高架冷庫中，鋼結(jié)構(gòu)立柱通過高強度螺栓與地面基礎(chǔ)相連接，因此這部分的防冷橋處理顯得十分重要，本工程采用高密度高強度的聚氨酯保溫墊塊，抗壓強度達(dá)到30 Mpa，不僅能有效的滿足隔熱的功能，還能起到支撐荷載的作用，在施工中同時還要注意做好保溫與混凝土之間的防水處理，如圖5所示。

圖4 巖棉板安裝圖

圖5 鋼結(jié)構(gòu)立柱冷橋處理圖

2.3 貨架

高架庫的優(yōu)勢在于密集型儲存、自動化存取、信息化管理，針對目前使用于高架庫貨架的幾種形式的分析比較（表1），最終決定采用整個高架庫設(shè)置8 條巷道，采用直道型巷道堆垛機(jī)，設(shè)置單雙伸巷道貨架，南北穿堂輸送設(shè)備均連接至加工區(qū)域。物流計算機(jī)調(diào)度和信息管理系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)采用客戶機(jī)/服務(wù)器模式。控制系統(tǒng)采用無線以太網(wǎng)工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)。堆垛機(jī)與出入庫端輸送系統(tǒng)控制設(shè)備通過無線以太網(wǎng)進(jìn)行通訊。穿堂設(shè)置有纏膜機(jī)，用以貨物進(jìn)行纏膜包覆，放置托盤上貨物在儲存及堆垛機(jī)轉(zhuǎn)運過程中塌落。

圖6 橫梁式貨架圖

表1 橫梁庫和密集庫（子母車）的分析比較

2.4 物流輸送系統(tǒng)（能否有主界面照片）

物流輸送系統(tǒng)包含傳送帶、纏膜機(jī)、托盤輸送機(jī)、堆垛機(jī)、提升機(jī)、運行軌道等硬件組成，軟件采用自主開發(fā)的WMS 智能倉儲管理系統(tǒng)和WCS 智能監(jiān)控調(diào)度系統(tǒng)，用于實現(xiàn)對于貨物最佳的進(jìn)出貨、分配、調(diào)度、管理以及控制功能，可以說，物流輸送系統(tǒng)對于高架冷庫的使用效率、物料的智能化、信息化起著至關(guān)重要的作用。

進(jìn)出貨輸送流程如圖7～11。

圖7 穿堂入庫流程

圖8 分揀區(qū)入庫流程

圖9 穿堂出庫流程

圖10 分揀區(qū)出庫流程

圖11 分揀區(qū)物流設(shè)施

2.5 先進(jìn)的制冷系統(tǒng)

通過分析儲存貨物類型，進(jìn)出貨周期，冷庫運營工藝要求，初投資以及運行費用、各種制冷劑及供液方式等因素，最終選定冷間1 和冷間2 果蔬存儲庫采用R507桶泵供液，制冷主機(jī)采用多機(jī)頭并聯(lián)螺桿壓縮機(jī)組，末端蒸發(fā)器為吊頂式側(cè)出風(fēng)型冷風(fēng)機(jī)輔以織物風(fēng)道系統(tǒng)，冷間3 采用R507/CO2載冷系統(tǒng)，桶泵供液，制冷主機(jī)采用半封閉變頻螺桿壓縮機(jī)組，末端蒸發(fā)器采用倉式冷風(fēng)機(jī)，通過其“冷湖效應(yīng)”實現(xiàn)庫內(nèi)冷空氣的自然對流換熱，該系統(tǒng)氟利昂R507 均在制冷機(jī)房，末端均為CO2，兩者通過板殼式冷凝蒸發(fā)器連接，，大大提高了系統(tǒng)的整體能效，降低了系統(tǒng)充注量。整個系統(tǒng)設(shè)計采用了先進(jìn)的冷熱綜合利用設(shè)計理念，利用壓縮機(jī)余熱加熱地坪防凍系統(tǒng)，通過采集濕球溫度以及干球溫度值，并進(jìn)行PID 演算，提供冷凝壓力的浮動控制方式，根據(jù)季節(jié)和溫度的變化動態(tài)調(diào)整冷凝壓力，實現(xiàn)了精確的高壓控制，降低了整個系統(tǒng)的能耗。

制冷設(shè)計中的關(guān)鍵點：

整個項目在制冷設(shè)計上有兩個關(guān)鍵點需要注意，一是果蔬在儲存過程中會釋放乙烯和二氧化碳，因此要在設(shè)計上采用合理的通風(fēng)方式降低庫內(nèi)有害氣體的濃度，以益于果品的保鮮。本項目建筑保溫主體形式為鋼結(jié)構(gòu)外保溫形式，屋面不宜開洞進(jìn)行直接通風(fēng)，開洞后的防水工作，保溫端冷橋工作較。

難得到保障，且容易為日后冷庫運行造成隱患；通風(fēng)口布置在外墻又產(chǎn)生新的難點，由于建筑為外保溫形式外墻開洞后直接通向庫內(nèi)，室內(nèi)外連接處處理不好容易形成冷橋，嚴(yán)重時可能會在室內(nèi)形成滴水甚至結(jié)冰等情況，針對此問題，采用室外微型冷庫門進(jìn)行保溫段冷，冷庫門同時配備門框加熱及限位開關(guān)保證通風(fēng)系統(tǒng)運行安全穩(wěn)定；針對室內(nèi)風(fēng)管，送鳳管若采用金屬風(fēng)管在夏季通風(fēng)時容易產(chǎn)生內(nèi)壁結(jié)露的現(xiàn)象，此問題即使在金屬風(fēng)管外包裹保溫材料也不能很好的規(guī)避，最終采用植物布袋進(jìn)行送風(fēng)，避免送鳳管結(jié)露問題，同時也可使送風(fēng)更佳均勻。

二是對于溫度場的均勻設(shè)計，由于果蔬儲存對冷庫內(nèi)溫度的均勻性要求極高，需要保證38 m 高差內(nèi)平均溫度在±0.5 ℃內(nèi)波動，近似于冰溫庫的要求，由于果蔬的呼吸特性，儲存過程中會釋放呼吸熱，為了均衡掉呼吸熱、通風(fēng)換氣熱、新入貨的貨物熱、機(jī)械熱等影響庫溫的因素，在系統(tǒng)設(shè)計時我們借助了CFD 溫度場模擬技術(shù)，BIM 手段，分別模擬了不同風(fēng)量，不同布風(fēng)口位置和數(shù)量條件下的氣流組織，通過多次的輸入?yún)?shù)調(diào)整來指導(dǎo)庫內(nèi)的冷風(fēng)機(jī)、送風(fēng)布袋的設(shè)計，并在熱氟融霜控制、低負(fù)荷下冷風(fēng)機(jī)風(fēng)扇的獨立控制等方面作了精細(xì)化設(shè)計。通過CFD 模擬的數(shù)據(jù)結(jié)果可以得出如下結(jié)論：

1）果蔬高架冷庫需要采用大風(fēng)量，小風(fēng)速的設(shè)計，100 %風(fēng)量條件下的溫度最為均勻，絕大部分區(qū)域溫度維持在（-1.5 ～0）℃之間，即使在貨架中心部位，也能滿足設(shè)計要求。而在風(fēng)量為70 %和 50 %風(fēng)量滿負(fù)荷下均不能滿足需求，局部區(qū)域溫度分別超過 4 ℃和 7 ℃。

圖12 機(jī)房設(shè)備布局圖

圖13 通風(fēng)口布局圖

2）連接庫內(nèi)蒸發(fā)器的織物布袋風(fēng)道送風(fēng)方式采用滲透送風(fēng)，微孔置換送風(fēng)以及主動對流送風(fēng)相結(jié)合的方式，對于高架果蔬冷庫應(yīng)該加大主動對流送風(fēng)的風(fēng)量，減少滲透送風(fēng)，依靠主動對流送風(fēng)，抵消部分水果產(chǎn)生的呼吸熱，通過微孔置換送風(fēng)降低儲存水果的干耗。為保證整個溫度場的均勻，出風(fēng)風(fēng)口風(fēng)速設(shè)定在7.50 m/s 以上，末端風(fēng)速應(yīng)達(dá)到0.5 m/s 左右。在項目施工過程中，降整個冷間分割為若干個單元，分別在距離地面2 m 處，18 m，32 m 處，每個截面設(shè)置7 處溫度傳感器，采集到的數(shù)據(jù)如表2。

表2 溫度傳感器數(shù)據(jù)表

經(jīng)過項目運營后的數(shù)據(jù)監(jiān)測，溫度場與CFD 模擬結(jié)果基本一致。模擬結(jié)果詳見文獻(xiàn)[2]。

2.6 智能的自動控制集成系統(tǒng)

項目采用集中控制系統(tǒng)的方案，上位機(jī)采用工業(yè)級專用計算機(jī)，負(fù)責(zé)監(jiān)管系統(tǒng)內(nèi)PLC 系統(tǒng)參數(shù)配置、各種設(shè)備的動作、運行狀態(tài)、報警信息及數(shù)據(jù)存儲。制冷系統(tǒng)、通風(fēng)系統(tǒng)、加濕滅菌系統(tǒng)配置獨立的PLC 控制系統(tǒng)。云平臺互聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)，數(shù)據(jù)實時同步查詢，運行監(jiān)控、多終端報警、在線報警、報修等功能。管理人員在對應(yīng)級別權(quán)限范圍內(nèi)實現(xiàn)遠(yuǎn)程的設(shè)備信息監(jiān)控。

圖14 CFD 溫度場模擬

圖15 集中控制系統(tǒng)架構(gòu)圖

圖16 集中控制監(jiān)控界面

壓縮機(jī)組根據(jù)吸氣壓力，完成多機(jī)頭并聯(lián)機(jī)組的分級啟停、加減載。制冷系統(tǒng)配置蒸發(fā)式冷凝器，根據(jù)排氣壓力控制蒸發(fā)冷水泵及風(fēng)扇分級啟停。庫內(nèi)降溫階段的控制流程圖，制冷系統(tǒng)自動控制是以壓縮機(jī)組的待機(jī)信號為前提，在自動運行模式下，通過判斷庫內(nèi)溫度與目標(biāo)溫度的比較來控制末端閥件及設(shè)備的運行，最終到達(dá)直接控制庫內(nèi)溫度目的。當(dāng)然，系統(tǒng)有必要配置溫度上下限保護(hù)報警提示功能，泵前后壓差報警、主要設(shè)備故障報警約束制冷系統(tǒng)的運行功能。

熱氣融霜的化霜方式最大優(yōu)勢在于系統(tǒng)節(jié)能性優(yōu)于電化霜的融霜方式，也不需要額外搭建水系統(tǒng)來完成水沖霜，本項目有選用熱氣化霜的融霜方式，融霜效果與季節(jié)、入貨量、融霜次數(shù)等因素相關(guān)，使用方需根據(jù)具體情況，合理調(diào)整融霜參數(shù)設(shè)置，如時間、融霜時長、融霜次數(shù)、甚至翅片溫度傳感器的位置調(diào)整，都是必要的干預(yù)。

通風(fēng)系統(tǒng)可選擇兩種運行模式，按照冷間劃分系統(tǒng)，同時與制冷系統(tǒng)聯(lián)動，規(guī)定系統(tǒng)的優(yōu)先級，依次為，融霜動作優(yōu)先級最高，其次是通風(fēng)、制冷動作。

加濕系統(tǒng)可選擇兩種運行模式，按照冷間劃分系統(tǒng)，同時與制冷系統(tǒng)聯(lián)動，規(guī)定系統(tǒng)的優(yōu)先級，依次為，融霜動作優(yōu)先級最高，其次是制冷動作、加濕動作。滅菌系統(tǒng)采用周期開啟的模式管理設(shè)備運行。

3 結(jié)論

伴隨著中國冷鏈產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，我國冷庫設(shè)施需要朝著單體儲量大，智能化、綠色化、節(jié)能型、先進(jìn)性方向去發(fā)展。筆者希望在這個工程中的設(shè)計和施工中的經(jīng)驗?zāi)軐窈笸愋屠鋷斓慕ㄔO(shè)起到借鑒作用。