冷库制冷系统建设与技术选择

作为冷库的核心组成部分，制冷系统由多种设备组成，主要包括蒸发器、压缩机、冷凝器油分离器等等。在大多数冷库内，基本都是通过设备制冷，利用汽化温度很低的液体作为制冷剂，使其在低压下汽化，吸收冷库内的热量，从而达到冷却降温的目的。由于冷库类型多样，不同货物所需的温度需求也有所差异，不同制冷系统所耗费能源也不相同，所以选用合适的制冷系统显得尤为重要。
一、制冷系统的技术选择
在做制冷系统规划和选型时，需要充分考虑冷库所处环境、所存货物、冷库规模和性质、技术条件等因素，更要对所选技术的特点有所掌握。
1.制冷剂的选择
在目前我国的冷库中，使用最多的制冷剂主要是主要分为氨（NH3）、氟利昂（CFC/HCFC/HFC）和二氧化碳（CO2）。每种制冷剂都各具特点，如氨对臭氧层危害小、容易获取、价格低廉、压力适中、单位制冷量大、放热系数高、几乎不溶解于油、流动阻力小；缺点是对铜及铜合金有腐蚀作用，有刺激性臭味、有毒、易燃易爆，一旦泄露危害极大。
氟利昂在常温下都是无色、无味气体、易挥发液，透明、介电常数低、临界温度高、易液化、溶于油，无味或略有气味，无毒或低毒，化学性质稳定，但对大气臭氧层破坏严重。目前，氟利昂系列冷媒一部分已禁用，一部分限制使用。
二氧化碳制冷是一种天然制冷剂，具有高密度和低粘度，其流动损失小、传热效果良好，制冷能力大，并且费用低易获取、稳定性好、安全无毒，不可燃。缺点是运行压力高，需专业维护。
在衡量制冷剂时，除了考虑安全性外，绿色环保也是衡量的重要因素，臭氧层消耗潜值（ODP）和全球变暖潜能值（GWP）是两个关键性考核指标。由于氟利昂对环境的破坏作用而不被人看好，氨的ODP和GWP都为0，二氧化碳的ODP为0，GWP为1，这两种对环境的影响相对小，也是当今较为热门的制冷剂推荐。目前国内外还是以氨制冷系统为主，并且技术相对比较成熟，但由于国内近些年发生的氨冷库重大事故，使人们更多将重心放在二氧化碳上，开发新型的二氧化碳制冷技术也成为冷冻冷藏行业的研究热点。
国内外对二氧化碳在低温制冷系统中的应用研究多为复叠系统、双级增压系统和载冷系统。相对于这些系统，开发一种结构更简单、运行效率更高的二氧化碳制冷系统，将成为研究趋势。
2.制冷方式的选择
如同制冷剂各有利弊一样，直接制冷与间接制冷也有各自优势与劣势。制冷系统如果采用直接制冷方式，需要充装大量的制冷剂。目前常用的制冷剂都存在一定弊端甚至危害，要使制冷剂在高压下在冷库内循环，对管路系统要求也更高严格，一旦某些环节出现故障，将影响整个制冷系统。因此，直接制冷方式很少应用于大型制冷系统，这也是许多液氨直接制冷库要进行全面改造的原因所在。
间接制冷主要是通过常压的二次冷却介质进行大循环传送冷量，可避免直接制冷在库房内产生的高压和使用大量不安全制冷剂所潜伏的隐患。但间接制冷的问题是，大多数载冷剂的冰点和沸点都不够理想，有些还会严重锈蚀金属，导致制冷系统日常维护费用升高，寿命短且耗能增大。因此，要保证间接制冷系统正常运转，需要好的载冷剂与制冷机相配套。
3.冷凝机组的选择
根据冷库的规模和设计温度等因素，选择合适的冷凝机组是制冷系统设计的关键之一。冷凝机组按所选压缩机类型，可分为涡旋式冷凝机组、活塞式冷凝机组和螺杆式冷凝机组；按冷却方式可分为风冷冷凝机组、蒸发冷冷凝机组和水冷冷凝机组；按使用温度，又可将冷凝机组按高温、中温、低温、超低温进行划分。
按压缩机类型来看，涡旋式冷凝机组具有噪音低、体积小、密封性好、稳定性高等特点。目前，涡旋式压缩机及其冷凝机组都呈现大型化发展趋势，市场上存在60～90HP冷库项目使用多套15HP或者30HP涡旋并联的情况，多机并联进一步扩大了涡旋机组的应用范围，进一步挤压活塞式冷凝机组的市场。
螺杆式冷凝机组市场依旧保持高速增长。由于冷库呈现出大型化、装卸自动化、高效安全、环保节能的发展趋势，大功率的螺杆式冷凝机组刚好能够满足大冷量、低库温、低耗损、不间断运行、较低故障率等要求。技术上，随着冷链物流行业的发展，受“氨改氟”事件遗留影响，螺杆式冷凝机组企业完成螺杆并联技术的革新，并对机组整体能效进行提升，螺杆式冷凝机组的应用范围不断扩大。
虽然面对双重挤压，但活塞式冷凝机组被替代的趋势已经有所减弱。活塞式压缩机组可在多种工况下使用，特别是在低温工况下表现良好，性能稳定，可靠性高，同时具有较高性价比。目前，活塞式冷凝机组在冷库、商超等领域均占有一定的市场份额。
按冷却方式可分为风冷、蒸发冷和水冷三种冷凝机组，占比基本稳定，冷却方式不受压缩机类型和冷凝机组本身的限制，主要由客户主导。在三种冷却类型中，风冷冷凝机组产品占比最大。风冷产品系统安装简便，初投资和维护成本相对较低，不受周边水资源限制，对使用空间大小也没有特别要求，风冷冷凝机组的应用范围较为广泛，特别适合小型制冷项目。随着冷库行业的发展，风冷冷系统占比呈缓慢增加趋势。蒸发冷系统的效率较高，但初始投资和运营维护成本较高，主要用于大型制冷项目。大型冷库（万吨以上），特别是氨冷库大多采用蒸发冷系统，目前约90%新设计的大型冷库都会采用蒸发冷冷凝机组。水冷系统主要适用于室外温度较高、水源充足的南方地区，系统节能性和制冷优势比在北方更明显。水冷冷凝机组市场占比最小，且呈下降趋势。
总的来看，小型项目用户更倾向于选择风冷系统，大型项目更倾向选择蒸发冷系统。但在一些特殊环境下，例如附近有水源或一些机组和冷凝器不能放到外面的纯室内项目，会采用水冷系统。用户可通过分析系统的初投资和运维成本，以及当地气候条件，来选择采用相应的冷却方式。
4.制冷系统组合方式的选择
集中供冷：制冷装置的主要机器设备安装在特设的机房内，采用供液、回气管道把各冷间的冷却设备连接起来，这种由机房集中供冷的方式是目前应用最为广泛的一种组合方式。一套制冷装置可以承担冷加工、冷藏、制冰等多种制冷负荷，同时若干个库房集中供冷，机器设备的利用率高，冷量分配灵活并可相互支援。但这种模式下，冷库建设周期长，建设费用高；制冷装置工作效率的高低，不仅取决于安装技术好坏，而且一部分库房热负荷的波动，还会影响其他库房工况的稳定。
分散供冷：将制冷压缩机、冷凝器、膨胀阀、蒸发器以及必要的附属设备在制造厂组装起来，成为一套紧凑、高效、具有全自动性能的制冷机组。冷库隔热廓体建成后直接将这种成套设备安装在冷库的穿堂、月台等地方，只要接通水电、安装好送回风管道就可以投入运转。通常情况下，一套制冷机组负责向一间库房供冷，各库房都是独立的制冷系统，各不干扰，控温准确，从而简化现场安装，建设周期缩短。但由于各个制冷机组不能互相调节制冷量，使得设备利用率较低。
5.可供选择的高新技术
（1）热回收。冷库制冷系统正常工作时，会将冷凝热排到室外，危害环境，且浪费能源。其实，制冷系统中的热量主要来自冷间热量和压缩机功耗转换的热量，如果能利用好这些余热，就可以相应减少其他能源的消耗。目前出现的热回收设备和系统，通过收集压缩机等功耗所损失的热量，把其导入冷库地下对乙二醇加热管加热，从而得到充分利用。
（2）热气除霜。热气除霜目前已广泛应用于冷冻冷藏行业，包括热氟除霜、热氨除霜等方式。以热氟除霜为例，主要借助电磁阀以及转换装置，将高温高压排气径直传输到冷排中，使冷排温度上升，霜层在和冷排的结合处首先融化，继而自动脱落，即系统的冷凝器转变成蒸发器，而蒸发器则转变成冷凝器。
（3）制冷系统自动化控制技术。利用自动化控制技术可以更好地进行冷库制冷、控温等操控。自动化技术是一种运用控制理论、仪器仪表、计算机和其他信息技术，对工业生产过程实现检测、控制、优化、调度和管理，从而达到增加产能、提高质量、降低消耗、确保安全等目的综合性技术，制冷自动化包括自动运行控制、实时监测、自动保护、数据的采集与处理，以及报表的自动生成。
二、规划设计要点
与工业制冷、商业制冷等不同，冷库的制冷系统规划设计，需要结合冷链物流自身特点展开，并应把握以下要点：
1.稳定性。冷库是冷链重要的基础设施，承载着加工、存储、配送等多种功能，一旦出现制冷系统故障，将造成不可估量的损失。在冷库制冷系统的规划中，首先要重视系统运行的稳定性。在进行冷库基础材料、制冷设备和制冷剂等相关设备和技术的选择时，要保证具有较高的安全性和可靠性，为冷链安全护航。
2.绿色化。为保证始终处于恒温恒湿环境，冷库需要全天候运作，耗能巨大。随着“双碳”战略推行，冷库需要在节能减排、绿色环保方面作出更多探索。在制冷系统的规划设计中，应更加重视环保材料、制冷剂和装备的应用，打造真正的绿色冷库。
3.智能化。随着物联网等新技术逐步应用，冷链全流程的实时监控得以实现，并助推设备控制、系统运行向着智能化方向发展，从而更好地进行温度、能源和安全控制。在冷库转型升级的过程中，自动化、智能化技术将促使冷库制冷效率和质量进一步提升。