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冷链物流冷库绿色设计的理念与探析

文章出处:泡沫板 发表时间: 2024-08-10 18:35:03

  :在节能减排与“双碳”目标政策的影响和要求下,节约能耗、提高综合能效比、减少碳排放量等技术指标对冷库设计提出新的挑战。本文结合理论分析和工程经验,从可再生资源与余热及余冷的循环利用、围护结构的选择、制冷剂与制冷系统的选择及界定、冷间规划布局与货架应用、智能化管理与控制等方面提出新的思路和可行性建议,以期为冷库设计和冷库建设提供帮助,并促进冷链物流冷库绿色可持续发展。

  冷链物流是利用温控、保鲜等技术工艺和冷库、冷藏车、冷藏箱等设施设备,确保冷链产品在加工、储存、运输、销售、流通等全过程始终处于规定环境下的系统工程。其中,冷链产品在冷库中的储存是其质量保证的关键环节,储存过程中的能耗与费用在整个冷链物流中也占有相当大的比重,因此冷库建设成为冷链物流新基地的重要内容。

  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。

  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迅速增加,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建设项目中应用。

  近年来,我国冷链物流市场规模迅速增加,国家骨干冷链物流基地、产地销地冷链设施建设稳步推进,冷链装备水平明显提升,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多个方面数据显示,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%。业内专业技术人员分析,在政策的全力支持下,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。

  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。

  冷库“维冷”是一个系统工程,为保证库内温度达到使用上的要求,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。

  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住压力的强度的挤塑板(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。

  《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0.48~0.60kW.h/t·d,冷却物冷藏为1.08kW.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6825kW.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。

  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,温度上升后的多元醇作为冷库地坪防冻加热或冷风机融霜的热源。

  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。

  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。

  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,一般都会采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所承受的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,在蒸发温度不高于-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;在蒸发温度不高于-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、投资所需成本、投资回收期等方面考虑,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。

  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,能够更好的降低冷凝压力、节约能源,又能够大大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。

  (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,才可能正真的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,和空气质量检验、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,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。

  ①冷藏间设置外墙长度60m以下、长宽比不超过2,能够大大减少运营人员的工作强度及在冷间中的上班时间,提升工作效率。

  ②布局规划小型堆垛机立体冷库,以其高效、灵活和节约空间的特点,提高仓储效率,降低经营成本;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。

  制冷系统采用全自动PLC集成控制管理系统,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,真正的完成大数据管理、节能管理和分析。

  节能减排是当今全球范围内的一大主题,“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。

  [1]国家发展改革委员会.“十四五”冷链物流发展规划[J].2021.12.23.

  [2]尉迟斌,卢士勋,周祖毅.实用制冷与空调工程手册[M].机械工业出版社,2015:349.

  [4]田雅芬,赵兆瑞等复叠制冷系统与载冷剂制冷系统适合使用的范围研究[J].制冷学报,

  [5]商业部冷藏加工公司管理局.冷库制冷技术[M].中国财政经济出版社,1980:585.