大型果蔬高架冷庫設計與施工研究

杜麗麗 楊 博 謝 強 左建冬 邵麗麗

（松下冷機系統（大連）有限公司 大連 116000）

引言

近年來，我國冷鏈市場規模快速增長，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1 776 萬噸，增長率位于所有儲物冷庫的首位，根據國家“十四五”冷鏈發展規劃要求，要加強配套冷鏈設施建設，推動構建反季節蔬菜、高原夏菜、熱帶水果等從優勢產區到主銷區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用并不多，本文結合實際工程的應用，著重闡述一下這一類型冷庫的設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 設計庫溫為-1 ℃，主要儲存果蔬類產品，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，可以進行中低溫切換。

圖1 某果蔬高架冷庫全景

2 整體方案設計

2.1 穩定的高層建筑結構

整個項目采用外保溫內承重式鋼結構、筏板基礎、柱底有下柱墩，預埋地腳錨栓，主體結構形式為單層門式鋼結構，在鋼結構設計上，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，上下通過栓焊接點連接。這種結構設計和施工的難點在于高層鋼結構在運輸和現場安裝時的工藝，立柱定位準確性以及選材的耐低溫性能和防冷橋做法。

圖2 鋼結構整體框架圖

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

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

2）鋼結構立柱防冷橋處理

在外保溫高架冷庫中，鋼結構立柱通過高強度螺栓與地面基礎相連接，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 鋼結構立柱冷橋處理圖

2.3 貨架

高架庫的優勢在于密集型儲存、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置8 條巷道，采用直道型巷道堆垛機，設置單雙伸巷道貨架，南北穿堂輸送設備均連接至加工區域。物流計算機調度和信息管理系統硬件結構采用客戶機/服務器模式。控制系統采用無線以太網工業控制網絡。堆垛機與出入庫端輸送系統控制設備通過無線以太網進行通訊。穿堂設置有纏膜機，用以貨物進行纏膜包覆，放置托盤上貨物在儲存及堆垛機轉運過程中塌落。

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（能否有主界面照片）

物流輸送系統包含傳送帶、纏膜機、托盤輸送機、堆垛機、提升機、運行軌道等硬件組成，軟件采用自主開發的WMS 智能倉儲管理系統和WCS 智能監控調度系統，用于實現對于貨物最佳的進出貨、分配、調度、管理以及控制功能，可以說，物流輸送系統對于高架冷庫的使用效率、物料的智能化、信息化起著至關重要的作用。

進出貨輸送流程如圖7～11。

圖7 穿堂入庫流程

圖8 分揀區入庫流程

圖9 穿堂出庫流程

圖10 分揀區出庫流程

圖11 分揀區物流設施

2.5 先進的制冷系統

通過分析儲存貨物類型，進出貨周期，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，制冷主機采用多機頭并聯螺桿壓縮機組，末端蒸發器為吊頂式側出風型冷風機輔以織物風道系統，冷間3 采用R507/CO2載冷系統，桶泵供液，制冷主機采用半封閉變頻螺桿壓縮機組，末端蒸發器采用倉式冷風機，通過其“冷湖效應”實現庫內冷空氣的自然對流換熱，該系統氟利昂R507 均在制冷機房，末端均為CO2，兩者通過板殼式冷凝蒸發器連接，，大大提高了系統的整體能效，降低了系統充注量。整個系統設計采用了先進的冷熱綜合利用設計理念，利用壓縮機余熱加熱地坪防凍系統，通過采集濕球溫度以及干球溫度值，并進行PID 演算，提供冷凝壓力的浮動控制方式，根據季節和溫度的變化動態調整冷凝壓力，實現了精確的高壓控制，降低了整個系統的能耗。

制冷設計中的關鍵點：

整個項目在制冷設計上有兩個關鍵點需要注意，一是果蔬在儲存過程中會釋放乙烯和二氧化碳，因此要在設計上采用合理的通風方式降低庫內有害氣體的濃度，以益于果品的保鮮。本項目建筑保溫主體形式為鋼結構外保溫形式，屋面不宜開洞進行直接通風，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；通風口布置在外墻又產生新的難點，由于建筑為外保溫形式外墻開洞后直接通向庫內，室內外連接處處理不好容易形成冷橋，嚴重時可能會在室內形成滴水甚至結冰等情況，針對此問題，采用室外微型冷庫門進行保溫段冷，冷庫門同時配備門框加熱及限位開關保證通風系統運行安全穩定；針對室內風管，送鳳管若采用金屬風管在夏季通風時容易產生內壁結露的現象，此問題即使在金屬風管外包裹保溫材料也不能很好的規避，最終采用植物布袋進行送風，避免送鳳管結露問題，同時也可使送風更佳均勻。

二是對于溫度場的均勻設計，由于果蔬儲存對冷庫內溫度的均勻性要求極高，需要保證38 m 高差內平均溫度在±0.5 ℃內波動，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、通風換氣熱、新入貨的貨物熱、機械熱等影響庫溫的因素，在系統設計時我們借助了CFD 溫度場模擬技術，BIM 手段，分別模擬了不同風量，不同布風口位置和數量條件下的氣流組織，通過多次的輸入參數調整來指導庫內的冷風機、送風布袋的設計，并在熱氟融霜控制、低負荷下冷風機風扇的獨立控制等方面作了精細化設計。通過CFD 模擬的數據結果可以得出如下結論：

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

圖12 機房設備布局圖

圖13 通風口布局圖

2）連接庫內蒸發器的織物布袋風道送風方式采用滲透送風，微孔置換送風以及主動對流送風相結合的方式，對于高架果蔬冷庫應該加大主動對流送風的風量，減少滲透送風，依靠主動對流送風，抵消部分水果產生的呼吸熱，通過微孔置換送風降低儲存水果的干耗。為保證整個溫度場的均勻，出風風口風速設定在7.50 m/s 以上，末端風速應達到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，每個截面設置7 處溫度傳感器，采集到的數據如表2。

表2 溫度傳感器數據表

經過項目運營后的數據監測，溫度場與CFD 模擬結果基本一致。模擬結果詳見文獻[2]。

2.6 智能的自動控制集成系統

項目采用集中控制系統的方案，上位機采用工業級專用計算機，負責監管系統內PLC 系統參數配置、各種設備的動作、運行狀態、報警信息及數據存儲。制冷系統、通風系統、加濕滅菌系統配置獨立的PLC 控制系統。云平臺互聯網監控系統，數據實時同步查詢，運行監控、多終端報警、在線報警、報修等功能。管理人員在對應級別權限范圍內實現遠程的設備信息監控。

圖14 CFD 溫度場模擬

圖15 集中控制系統架構圖

圖16 集中控制監控界面

壓縮機組根據吸氣壓力，完成多機頭并聯機組的分級啟停、加減載。制冷系統配置蒸發式冷凝器，根據排氣壓力控制蒸發冷水泵及風扇分級啟停。庫內降溫階段的控制流程圖，制冷系統自動控制是以壓縮機組的待機信號為前提，在自動運行模式下，通過判斷庫內溫度與目標溫度的比較來控制末端閥件及設備的運行，最終到達直接控制庫內溫度目的。當然，系統有必要配置溫度上下限保護報警提示功能，泵前后壓差報警、主要設備故障報警約束制冷系統的運行功能。

熱氣融霜的化霜方式最大優勢在于系統節能性優于電化霜的融霜方式，也不需要額外搭建水系統來完成水沖霜，本項目有選用熱氣化霜的融霜方式，融霜效果與季節、入貨量、融霜次數等因素相關，使用方需根據具體情況，合理調整融霜參數設置，如時間、融霜時長、融霜次數、甚至翅片溫度傳感器的位置調整，都是必要的干預。

通風系統可選擇兩種運行模式，按照冷間劃分系統，同時與制冷系統聯動，規定系統的優先級，依次為，融霜動作優先級最高，其次是通風、制冷動作。

加濕系統可選擇兩種運行模式，按照冷間劃分系統，同時與制冷系統聯動，規定系統的優先級，依次為，融霜動作優先級最高，其次是制冷動作、加濕動作。滅菌系統采用周期開啟的模式管理設備運行。

3 結論

伴隨著中國冷鏈產業的快速發展，我國冷庫設施需要朝著單體儲量大，智能化、綠色化、節能型、先進性方向去發展。筆者希望在這個工程中的設計和施工中的經驗能對今后同類型冷庫的建設起到借鑒作用。