庫(kù)架合一式超節(jié)能自動(dòng)化立體冷庫(kù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

張偉 趙輝/文

庫(kù)架合一式超節(jié)能自動(dòng)化立體冷庫(kù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

張偉 趙輝/文

近年來(lái)國(guó)內(nèi)冷庫(kù)建設(shè)項(xiàng)目越來(lái)越多，規(guī)模越來(lái)越大，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)日益激烈。冷庫(kù)企業(yè)在為客戶(hù)提供增值服務(wù)的同時(shí)，如何降低冷庫(kù)運(yùn)營(yíng)費(fèi)用成為關(guān)注的焦點(diǎn)。本文詳細(xì)介紹了山綠冷鏈自動(dòng)化立體冷庫(kù)的建筑情況、自動(dòng)化物流系統(tǒng)與制冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)與構(gòu)成，并分析了工業(yè)4.0時(shí)代現(xiàn)代化冷庫(kù)的建設(shè)趨勢(shì)和運(yùn)營(yíng)效果，值得借鑒。

庫(kù)架合一、自動(dòng)化立體冷庫(kù)、節(jié)能、CO2制冷

隨著冷凍冷藏食品的消費(fèi)量快速上升，冷鏈物流越來(lái)越受到關(guān)注，全國(guó)興起冷庫(kù)建設(shè)的熱潮。同時(shí)，生鮮電商的迅猛增長(zhǎng)推動(dòng)著冷庫(kù)建設(shè)從“低溫倉(cāng)儲(chǔ)型”向“冷鏈倉(cāng)儲(chǔ)配送型”轉(zhuǎn)變，而且冷庫(kù)規(guī)模也在向超大型化發(fā)展。

武漢山綠冷鏈物流有限公司（簡(jiǎn)稱(chēng)“山綠冷鏈”）是山綠農(nóng)產(chǎn)品股份有限公司旗下從事第三方綜合物流的子公司，成立于2007年，是集儲(chǔ)存、配送、加工、氣調(diào)、速凍、預(yù)冷、制冰等為一體的專(zhuān)業(yè)冷鏈物流服務(wù)供應(yīng)商，擁有華中地區(qū)最具規(guī)模的現(xiàn)代化農(nóng)產(chǎn)品物流配送中心，是肯德基、麥當(dāng)勞華中五省配送總站。公司一期冷庫(kù)為凈空高9米的10000m2高架冷藏庫(kù)和10000m2高架冷凍庫(kù)。

隨著業(yè)務(wù)量的不斷增加以及揀選、改包、貼標(biāo)等延伸服務(wù)的擴(kuò)展，原有冷庫(kù)容量和功能配置已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿(mǎn)足需求。山綠冷鏈經(jīng)過(guò)考察、論證、比選，最終確定按國(guó)際最先進(jìn)理念建設(shè)新一代低溫物流冷庫(kù)——全自動(dòng)化立體冷庫(kù)。該項(xiàng)目由實(shí)力雄厚的自動(dòng)化立體冷庫(kù)專(zhuān)業(yè)總承建商北京市京科倫工程技術(shù)有限公司（簡(jiǎn)稱(chēng)“京科倫”）整體承建，于2014年底開(kāi)工建設(shè)，2016年6月正式上線(xiàn)運(yùn)營(yíng)。

調(diào)節(jié)提升機(jī)

一、項(xiàng)目概況

1.建筑規(guī)模

山綠冷庫(kù)為裝配式全自動(dòng)立體低溫物流配送冷庫(kù)，由冷庫(kù)和附屬樓組成。

冷庫(kù)長(zhǎng)約83.6米，寬約59米，檐高約30米，建筑面積約5000m2，下沉式設(shè)計(jì)，凈容積為151200m3，為輕鋼結(jié)構(gòu)。冷庫(kù)沿長(zhǎng)度方向隔成兩間，保溫墻采用雙面304材質(zhì)，內(nèi)部填充聚氨酯，厚度為200mm；防護(hù)墻采用雙面彩鋼巖棉夾芯板，75mm，防火等級(jí)為A級(jí)；庫(kù)內(nèi)隔墻為結(jié)構(gòu)巖棉防火板，厚度為200mm；地坪選用四層擠塑板，每層厚度50mm，錯(cuò)層鋪設(shè)；頂板內(nèi)側(cè)鋼板為304材質(zhì)，200-300mm聚氨酯噴涂，鋪設(shè)三元乙丙防水層，再加30mm混凝土面層。見(jiàn)圖1。

附屬樓長(zhǎng)約17.5米，寬約59米，高約24.6米，為框架結(jié)構(gòu)，內(nèi)部保溫采用雙面彩鋼聚氨酯夾芯板。附屬樓共三層，通過(guò)兩部貨梯聯(lián)通。一層建有封閉式發(fā)貨站臺(tái)，溫度為0-10℃，共設(shè)置15個(gè)停車(chē)位。冷庫(kù)門(mén)為提升門(mén)，帶充氣門(mén)封和液壓升降平臺(tái)。一層還設(shè)置夾層，做為參觀走廊、配電間、設(shè)備間和監(jiān)控室（見(jiàn)圖2）。二層為低溫分選車(chē)間，設(shè)計(jì)溫度-18℃（見(jiàn)圖3）。三層為果蔬冷藏庫(kù)，設(shè)計(jì)溫度0-4℃（見(jiàn)圖4）。

冷庫(kù)和附屬樓通過(guò)雙層互鎖門(mén)（分別設(shè)置在一樓和二樓）連接。

表1：自動(dòng)化立體冷庫(kù)基本參數(shù)

圖1：冷庫(kù)概貌

圖2：一層封閉式發(fā)貨站臺(tái)

圖3：二層低溫分選車(chē)間

圖4：三層果蔬庫(kù)

2.制冷系統(tǒng)主要設(shè)備配置

（1）單一CO2活塞并聯(lián)制冷機(jī)組

（2）特殊研發(fā)定制排管蒸發(fā)器

（3）冷凝器：特殊研發(fā)制造的土壤源地源冷凝器。

（4）一樓冷風(fēng)機(jī)：LLK.P335，5臺(tái)。每臺(tái)在-10/25℃工況下，制冷量60kw，功率3kw。

（5）二樓冷風(fēng)機(jī)：VRZ-624510，5臺(tái)。每臺(tái)在-25/25℃工況下，制冷量12kw，功率2kw。

（6）三樓冷風(fēng)機(jī)：LLK.P152，5臺(tái)。每臺(tái)在-10/25℃工況下，制冷量25kw，功率2kw。

（7）地坪防凍：CO2排氣廢熱回收。

全新的建筑結(jié)構(gòu)

1.庫(kù)架合一式鋼結(jié)構(gòu)

按照GB 50072-2010《冷庫(kù)設(shè)計(jì)規(guī)范》和SBJ 17-2009《室外裝配冷庫(kù)設(shè)計(jì)規(guī)范》的要求，建筑高度超過(guò)24m時(shí)，冷庫(kù)建筑占地面積不能超過(guò)5000m2，每個(gè)防火分區(qū)為2500m2。采用常規(guī)式鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，要達(dá)到24m或者更高，結(jié)構(gòu)立柱至少為1000×600mm的H型鋼，勢(shì)必造成庫(kù)內(nèi)部分空間無(wú)法使用，降低了單位面積使用率，增加了單位投資。

該項(xiàng)目建筑形式采用庫(kù)架合一式，貨架除承受貨物的荷載外，還作為庫(kù)房的骨架支撐著屋面和墻面圍護(hù)，即貨架兼作建筑物承重的結(jié)構(gòu)，庫(kù)內(nèi)無(wú)單獨(dú)結(jié)構(gòu)立柱，最大程度地利用庫(kù)內(nèi)空間，立柱、橫梁、連接件形成剛體，整體性好，不易變形。設(shè)計(jì)單位通過(guò)對(duì)鋼貨架結(jié)構(gòu)在低溫環(huán)境下的整體力學(xué)分析與模擬，并建立模型，充分論證了設(shè)計(jì)的可行性。參見(jiàn)圖5、圖6。

2.無(wú)冷橋筏板基礎(chǔ)

常規(guī)室外裝配式冷庫(kù)，前期進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)施工時(shí)，通過(guò)在鋼柱和混凝土之間預(yù)埋設(shè)高強(qiáng)度隔熱擠塑板來(lái)杜絕冷橋，但是鋼柱和混凝土之間仍需要通過(guò)高強(qiáng)度螺栓貫穿保溫，無(wú)法完全避免冷橋。本項(xiàng)目采用筏板式基礎(chǔ)，貨架鋼結(jié)構(gòu)埋設(shè)在混凝土中，混凝土全部置于隔熱擠塑板以上，保證了基礎(chǔ)部分完全無(wú)冷橋。

圖5： 庫(kù)架合一式鋼結(jié)構(gòu)（左）與常規(guī)式鋼結(jié)構(gòu)（右）對(duì)比

圖6： 常規(guī)鋼結(jié)構(gòu)+分離式貨架

3.屋面體系

為了減少立柱，常規(guī)室外裝配式冷庫(kù)往往需要大的橫梁支撐，再考慮屋頂排水，導(dǎo)致貨架頂部與庫(kù)房頂部間有大量的空間無(wú)法利用。本項(xiàng)目采用虹吸式排水設(shè)計(jì)，屋面平緩，貨架頂部空間放置制冷設(shè)備，無(wú)任何浪費(fèi)。相同的建筑高度，庫(kù)架合一式比常規(guī)式多安裝一層貨架（按2米層高考慮）。

4.圍護(hù)結(jié)構(gòu)

圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用雙面304不銹鋼板現(xiàn)場(chǎng)焊接，形成全封閉外殼，內(nèi)部注塑式整體發(fā)泡，200mm厚聚氨酯，解決了使用常規(guī)夾芯板現(xiàn)場(chǎng)拼接、拼縫漏冷的問(wèn)題，整個(gè)立體庫(kù)就像一個(gè)超大冰箱，提高使用壽命的同時(shí)，大大降低了能耗。

保溫結(jié)構(gòu)外加裝了75mm厚巖棉夾芯板，整個(gè)冷庫(kù)外圍護(hù)完全達(dá)到A級(jí)不燃的標(biāo)準(zhǔn)。參見(jiàn)圖7。

三、先進(jìn)的物流系統(tǒng)

該項(xiàng)目的軟件分為五個(gè)子系統(tǒng)，由WMS倉(cāng)儲(chǔ)管理系統(tǒng)、WCS倉(cāng)儲(chǔ)控制系統(tǒng)、SCADA監(jiān)控系統(tǒng)、RF系統(tǒng)、ASS自動(dòng)化分揀系統(tǒng)組成。在以下方面亮點(diǎn)突出：

1. 倉(cāng)儲(chǔ)管理系統(tǒng)WMS

按照冷鏈倉(cāng)儲(chǔ)行業(yè)的要求，進(jìn)港車(chē)輛均需要首先通過(guò)溫度的監(jiān)測(cè)，車(chē)牌號(hào)、車(chē)廂溫度監(jiān)測(cè)均通過(guò)手持PAD拍照，單據(jù)由倉(cāng)管人員和司機(jī)共同簽字后，上傳至WMS系統(tǒng)的“質(zhì)檢單管理”，是收取“降溫費(fèi)”和質(zhì)量保證的依據(jù)。見(jiàn)圖8。

2.RF系統(tǒng)

本項(xiàng)目所有托盤(pán)均嵌入了RFID芯片，通過(guò)手持PAD系統(tǒng)，對(duì)RFID芯片自動(dòng)讀取，對(duì)托盤(pán)貨物進(jìn)行入庫(kù)組盤(pán)、單據(jù)確認(rèn)、出庫(kù)等操作，支持混盤(pán)入出庫(kù)。

3.ASS分揀系統(tǒng)

結(jié)合客戶(hù)實(shí)際需求，本項(xiàng)目二樓設(shè)計(jì)為分揀車(chē)間，主要由ASS分揀系統(tǒng)來(lái)完成工作，具體包括吸盤(pán)機(jī)器人、托盤(pán)輸送線(xiàn)、輥筒輸送線(xiàn)、拆托盤(pán)機(jī)、托盤(pán)提升機(jī)等設(shè)備，共設(shè)置8個(gè)揀選工位，8名員工能同時(shí)進(jìn)行16個(gè)終端客戶(hù)的貨物揀選，小到310mm×310mm×75mm，大到670mm×670mm×340mm尺寸的規(guī)則箱子均可以進(jìn)行分揀。控制畫(huà)面見(jiàn)圖11。

圖7： 圍護(hù)結(jié)構(gòu)

圖8：倉(cāng)儲(chǔ)管理系統(tǒng)WMS

圖9：手持式PDA

圖10：PAD系統(tǒng)顯示畫(huà)面

圖11：分揀系統(tǒng)控制

圖11：分揀關(guān)鍵流程

客戶(hù)通過(guò)EDI格式把數(shù)據(jù)傳給山綠冷鏈的訂單室，訂單室把數(shù)據(jù)導(dǎo)入系統(tǒng)，形成出庫(kù)單，工作人員進(jìn)行審核，通過(guò)后轉(zhuǎn)為分揀單，分揀工作人員選擇分揀站臺(tái)，開(kāi)始進(jìn)行分揀。系統(tǒng)收到指令后，堆垛機(jī)叉取托盤(pán)貨物，先將其送至二樓托盤(pán)輸送線(xiàn)，貨物抵達(dá)卸貨點(diǎn)后，吸盤(pán)機(jī)器人將托盤(pán)上的貨物取下，放在輥筒式輸送線(xiàn)上。貨物自動(dòng)輸送至指定工位，工人將貨物取下，放在面前的空托盤(pán)上。工人可隨時(shí)通過(guò)提升機(jī)調(diào)節(jié)高度以方便擺放貨物。該單任務(wù)完成后，工人通過(guò)面前的電腦確認(rèn)，貨物通過(guò)輸送線(xiàn)，堆垛機(jī)返回冷庫(kù)，等待執(zhí)行下一命令。

4.物流設(shè)備升級(jí)

冷庫(kù)環(huán)境特殊，低溫高濕，采用常規(guī)的輸送系統(tǒng)，如變頻電機(jī)，需要大量的傳感器來(lái)定位，傳感器不僅數(shù)量多，而且在此工況下故障率很高。系統(tǒng)承包商大膽采用了全伺服電機(jī)及控制系統(tǒng)，堆垛機(jī)、輸送線(xiàn)、高速互鎖門(mén)全部使用施耐德整體解決方案，布線(xiàn)舍棄常規(guī)電纜布置，全部采用動(dòng)力母線(xiàn)排。如此大規(guī)模的應(yīng)用，在國(guó)內(nèi)倉(cāng)儲(chǔ)自動(dòng)化物流行業(yè)是首屈一指。見(jiàn)圖12。

鏈條輸送機(jī)全鋁合金框架，每臺(tái)輸送機(jī)的電源可以單獨(dú)切斷，單獨(dú)檢修，且不影響其他輸送機(jī)的正常運(yùn)行；無(wú)托盤(pán)時(shí)保持禁止?fàn)顟B(tài)，托盤(pán)到達(dá)時(shí)啟動(dòng)，托盤(pán)離開(kāi)后停止，節(jié)能的同時(shí)延長(zhǎng)了電機(jī)軸承的壽命。輸送機(jī)運(yùn)行速度由常規(guī)的12米/分鐘提升至30米/分鐘，并且托盤(pán)和貨物在轉(zhuǎn)運(yùn)時(shí)始終保持相對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)，無(wú)打滑，防止貨物歪斜現(xiàn)象發(fā)生。

巷道堆垛機(jī)特殊制造，凈高28.2米，雙立柱式設(shè)計(jì)，鏈條式提升機(jī)構(gòu)，帶配重，采用伺服式電機(jī)及控制系統(tǒng)。多臺(tái)堆垛機(jī)采用總線(xiàn)供電，任意一臺(tái)堆垛機(jī)及滑觸線(xiàn)都可以單獨(dú)檢修，電源可單獨(dú)切斷，且不影響其他堆垛機(jī)的正常運(yùn)行。運(yùn)行速度最快可達(dá)160米/分鐘，提升速度可達(dá)40米/分鐘。

一樓封閉站臺(tái)與立體冷庫(kù)連接用冷庫(kù)門(mén)為專(zhuān)利設(shè)計(jì)的環(huán)形雙道互鎖門(mén)，減少冷熱空氣對(duì)流，開(kāi)關(guān)門(mén)響應(yīng)時(shí)間僅2秒，能做到貨物通過(guò)門(mén)時(shí)，輸送線(xiàn)無(wú)需停止。門(mén)采用伺服電機(jī)，PLC、總線(xiàn)控制。門(mén)附近配置操作按鈕，且有狀態(tài)指示。安全方面配置了防夾開(kāi)關(guān)和扭矩保護(hù)雙重安全裝置，以保證貨物及人員安全。

四、新型的制冷技術(shù)

隨著氟利昂淘汰期限的日益臨近，伴隨國(guó)內(nèi)頻發(fā)的氨系統(tǒng)安全事故，本項(xiàng)目采用了CO2環(huán)保制冷系統(tǒng)。但不同于常規(guī)的CO2/NH3（氟）復(fù)疊或載冷系統(tǒng)，本項(xiàng)目采用了首創(chuàng)的單一C02制冷系統(tǒng)。

由于CO2的特性，在溫度高于臨界溫度時(shí)，無(wú)論多高的壓力，均不能使CO2液化，常規(guī)的做法一般采用復(fù)疊系統(tǒng)或增壓系統(tǒng)。復(fù)疊系統(tǒng)，高溫級(jí)采用氨或氟利昂作為制冷劑，低溫級(jí)采用CO2作為制冷劑，通過(guò)冷凝蒸發(fā)器將二者連接起來(lái)，高溫級(jí)的蒸發(fā)器作為低溫級(jí)CO2的冷凝器。增壓系統(tǒng)是根據(jù)壓力將系統(tǒng)分為3個(gè)區(qū)：高壓區(qū)、中壓區(qū)、低壓區(qū)。系統(tǒng)中設(shè)置低壓壓縮機(jī)和高壓壓縮機(jī)，來(lái)自低溫蒸發(fā)器的制冷劑氣體被低壓壓縮機(jī)吸入并壓縮，與來(lái)自旁通閥的制冷劑氣體混合，被高壓壓縮機(jī)吸入并壓縮，從而完成整個(gè)制冷循環(huán)。

本項(xiàng)目采用京科倫公司首創(chuàng)的單一CO2制冷劑，制冷機(jī)組由多臺(tái)壓縮機(jī)組成并聯(lián)式制冷機(jī)組，蒸發(fā)器采用頂排管或冷風(fēng)機(jī)，系統(tǒng)可滿(mǎn)足中溫系統(tǒng)和低溫系統(tǒng)使用。運(yùn)營(yíng)一年多以來(lái)，庫(kù)溫長(zhǎng)期維持在-18.5℃，溫度波動(dòng)不超過(guò)0.5℃，庫(kù)內(nèi)濕度超過(guò)85%。庫(kù)內(nèi)18個(gè)溫度探測(cè)點(diǎn)溫差不超過(guò)0.5℃。見(jiàn)圖13。

圖12：升級(jí)后的物流設(shè)備

圖13：?jiǎn)我籆02制冷系統(tǒng)

五、成效顯著

項(xiàng)目自2016年6月正式投入運(yùn)營(yíng)以來(lái)，每天工作8小時(shí)，進(jìn)出貨量在800-1000托左右，除裝卸人員外（外包），運(yùn)營(yíng)人員僅7人（訂單室2人，庫(kù)管員2人，設(shè)備監(jiān)控與維護(hù)3人）。每天制冷系統(tǒng)用電量為2600-2800度，自動(dòng)化設(shè)備用電量為400-500度，完全達(dá)到甚至超過(guò)了設(shè)計(jì)要求。

根據(jù)統(tǒng)計(jì)并經(jīng)過(guò)專(zhuān)業(yè)權(quán)威機(jī)構(gòu)鑒定，在24小時(shí)×365天運(yùn)行條件下，立體冷庫(kù)耗電量為6.5度/立方米×年，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于國(guó)內(nèi)先進(jìn)冷庫(kù)60度/立方米×年，以及英國(guó)先進(jìn)冷庫(kù)30度/立方米×年。

一年多以來(lái)，該項(xiàng)目運(yùn)行平穩(wěn)，經(jīng)營(yíng)成本低，商戶(hù)入駐率高，運(yùn)營(yíng)效益高于同行業(yè)高端水平，取得了良好的口碑和知名度，實(shí)際收益和帶動(dòng)效益顯著。

另外，從運(yùn)營(yíng)成本、安全環(huán)保、節(jié)能高效、信息化、自動(dòng)化等多方面來(lái)看，該新型自動(dòng)化立體冷庫(kù)項(xiàng)目在同行業(yè)中具備明顯優(yōu)勢(shì)。可以預(yù)見(jiàn)，采用該技術(shù)建造冷庫(kù)必將成為潮流。

六、項(xiàng)目成功的關(guān)鍵

自動(dòng)化立體冷庫(kù)是一整套復(fù)雜的技術(shù)集合體，主要技術(shù)包括：建筑結(jié)構(gòu)技術(shù)、制冷技術(shù)、墻體保溫技術(shù)，自動(dòng)化物流技術(shù)等，應(yīng)用到的設(shè)備主要有堆垛機(jī)、輸送機(jī)、貨架、冷凍庫(kù)門(mén)、制冷機(jī)組、保溫材料、倉(cāng)儲(chǔ)管理系統(tǒng)、自動(dòng)化調(diào)度監(jiān)控系統(tǒng)等，其設(shè)計(jì)和施工需要非常專(zhuān)業(yè)的整體性和統(tǒng)籌性。業(yè)主方在該項(xiàng)目中采取了EPC（工程總承包）模式，由經(jīng)驗(yàn)豐富的京科倫作為總承包商負(fù)責(zé)整個(gè)項(xiàng)目的實(shí)施過(guò)程，有效解決設(shè)計(jì)與施工的銜接問(wèn)題，減少設(shè)計(jì)、采購(gòu)、制造、施工各個(gè)環(huán)節(jié)的時(shí)間，順利解決施工方案中的實(shí)用性、技術(shù)性、安全性之間的矛盾，工作范圍和責(zé)任界限清晰，項(xiàng)目按期、保質(zhì)完工，并超過(guò)了預(yù)期的效果。

作者單位為北京市京科倫工程技術(shù)有限公司