物流冷库

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物流冷库

物流冷库的特点与设计

一、物流冷库的特点
    随着现代商业的发展,商品的流通越来越表现出着快速,准确,小批量的特点。原有的以产品储存为目的的冷库越来越不能满足现代流通的要求。以满足客户需求,和多品种配送为目的的低温物流中心逐步发展起来,并发挥着越来越重要的作用。以大型超市的低温物流中心为例,它以满足店面小批量多品种订货为前提,物流中心的温度范围扩大,货品周转速度加快,配送网络位置以系统效率最佳为原则。所以,现代低温物流中心不但需要现代制冷与保温技术的支撑,更要符合现代商业流通对冷链管理的特定要求。
    物流冷库就是要紧紧围绕食品安全与运营效率,以供应链和系统化管理思想为核心,以效率优先为指导原则,在危害分析及关键控制点(HACCP)确定的基础上,综合应用现代管理方法、现代信息技术、物流技术、节能和温度监控技术,实现投入产出比最优、作业质量和效率最佳、作业成本最低的冷链物流管理效果。
    物流冷库具有其特殊性,表现在:(1)、食品安全事关人体健康甚至生命安全,对保证食品质量安全的要求突出;(2)、食品的保质期短、质量损耗快,决定了食品冷链物流运作的时效性;(3)、食品的多样性以及对于储藏温度和湿度要求各异,决定了食品物流作业环境的多样性;(4)、冷库储藏作为食品供应链的重要环节,要求产品具有可溯源性。
    物流冷库功能由传统冷库的“低温仓储”型向“流通型”、“冷链物流配送”型转变,其设施按照低温配送中心的使用要求进行建造。体现在:
(1)、建有低温穿堂、封闭式站台并设置电动滑升式冷藏门、防撞柔性密封口、站台高度调节装置(升降平台), 实现“门对门”式装卸作业已成为现代化物流冷库的标志。
(2)、货物进出频繁、吞吐量大,根据生产经营的需要设置专门的理货间(区),理货区的温度一般控制在0~+7℃。
(3)、物流冷库的制冷系统设计更加注重环保和节能要求。库房温度控制范围宽,冷却设备的选型、布置和风速场设计考虑适用多种货物的冷藏要求。配有完善的库温自动检测、记录和自动控制装置。
(4)、建立完善的计算机网络系统,使冷藏供应链配送管理科学化,做到食品安全的可追溯性。在欧盟、美国和日本,食品供应链中的所有企业都有实施追溯系统的法定义务。     
(5)、冷冻冷藏仓储方式开始向货架式、托盘化转变,以实现货物按“先进先出”的原则进行管理,有利于提高商品贮藏质量和减少损耗。
(6)、立体自动化冷库采用计算机管理,可以实现库内装卸和堆垛及库温控制、制冷设备运行全自动化,库内不需任何操作人员。采用计算机管理,能随时提供库存货物的品名、数量、货位和库温履历、自动结算保管费用和开票等,提高了管理效率,并大大减少了管理人员。

二、物流冷库的设计

1、规划设计
    冷链物流的效率取决于冷链物流各节点的有效衔接。按照整体性、综合性、最优性的构成原则,综合考虑客户服务目标、物流网络、节点布局、仓储系统、运输管理、运营模式、管理组织等因素,结合冷藏技术对物流冷库作出总体规划。
1.1、选址
    物流冷库选址在冷库建设中是非常关键的环节,涉及到很多的因素,既要着眼于现在的需求也要考虑到企业未来的发展和城市的建设,要有效的协调库房与城市距离和配送成本之间的矛盾,因为库房距离城市每远出10公里,配送成本就会增加4%~7%,所以这两者是必须协调的。
    物流冷库建设是一个系统工程,关系着企业的生存和发展,在规划设计时要从战略的高度进行考虑和决策,由具备物流知识、建筑知识、制冷知识的的专业人员来操作。冷库建设的成本很高,涉及制冷技术、保温技术、食品保鲜技术,只有通过不同方案的比较,才能选出更适合企业自身投入和长期发展需要的建设方案。

1.2、硬件规划与设计
    物流冷库仅仅是低温冷链的一部分,硬件规划的内容包括厂房规划、仓储设备规划、运输设备规划等内容,根据实际需求规划出最符合使用效益的物流冷库是规划设计的目标。
    货物的冷藏对温度和湿度有特殊的要求,包括隔热维护结构、制冷系统及控制、冷间内温度场(风速场)的设计是冷藏库技术设计的关键。在技术设计中,还要考虑货物的水平运输、垂直运输、码垛、货物整理、冷链的完整性等使用要求,根据冷库使用的特点设计出经济、实用、安全的冷藏库。
    冷藏库的仓储设备如货架、堆垛机、穿梭车、输送机等设备都必须适应冷态环境要求,避免低温冷脆,保证冷态启、制动和冷态运行的可靠性。

1.3、软件规划与设计
    低温物流冷库的软件规划设计主要表现在以下四个方面:(一)、库存控制方面,包括销售额预测系统、库存状况与存货成本分析、安全存量与产品组合、货品流动状况等;(二)、运输管理方面,包括路线安排与装卸计划、配送方式与时间、不同温度产品的复合运输、温度记录存查等;(三)、仓储管理方面,包括装卸作业、拣货理货作业、温度品质管理等;(四)、顾客服务方面,包括配送渠道的订货系统、缺货与延迟送货的督导、配销体系服务品质的追踪评核等。
    现代化物流冷库作为冷链供应的一个环节,需要实现如下功能:
⑴、订单协同功能。一体化处理客户的物流订单,进行任务的分解和分配。
⑵、精细化仓储管理功能。通过设置相应的仓储策略,实现仓储管理的科学化、精细化。
⑶、RFID(Radio Frequency Identification的缩写,即射频识别,俗称电子标签)功能。支持RFID设备在物流过程中的应用,包括车门开闭报警、车内温度监控等。
⑷、GPS/GIS(全球定位系统/地理信息系统)监控。通过GPS、GPRS和GIS的集成,对运输车辆进行实时监控。
⑸、业务流程同步。应用工作流管理理念,实现内部业务流程的高度协同。
⑹、低温设备管理。支持对低温设备的日常管理和维护。
⑺、温度湿度监控。实时监控物流过程中影响货物品质的湿度和温度,并设置预警机制。
⑻、快速入库功能。为特殊货物提供快速入库功能。
⑼、提示及事件管理。为系统使用者提供提示及事件管理功能。
⑽、车队优化。提升对运输车队的管理和控制。
⑾、运输计划执行管理。全过程的管理运输计划的执行情况。
⑿、绩效管理。通过采集各关键业务节点的信息,实现全员KPI(关键业绩指标)管理。
⒀、决策支持。应用统计分析方法,实现对企业经营决策的支持。

2、冷库设计中的节能
    冷库的节能是需要冷库设计、施工、运行操作、管理各方面通力合作共同完成的目标。冷库设计的节能包括:隔热结构保温性能的优化设计、制冷系统运行参数的优化设计、高效率制冷设备的选择、系统自动控制设计等。

2.1、隔热结构设计上总的趋势是越来越重视节能,即增大隔热结构的总热阻值,减小单位面积热流量值q(w/m2)。美国(ASHRAE)推荐值6.3 w/m2,法国推荐值8 w/m2,日本推荐值7.2 w/m2,但我国现行《冷库设计规范》(GB50072-2001)中推荐的单位面积热流量值为8~12 w/m2,设计中大部分人选取中间值10 w/m2,明显偏大。
    理论上可以通过隔热结构的一次性投资和制冷系统的运行费用计算出隔热层经济厚度,但是由于影响制冷系统运行费用的因素很多,加上能源价格的变化较大,理论计算值会出现较大的偏差,失去指导意义。因此建议:在初次投资允许的情况下,适当增加隔热结构的总热阻,减少运行中耗能。同时,由于总热阻的增加、库温波动减小,也有利于利用电价的“峰谷”差值,调节系统运行,节约运行费用。

2.2、土建冷库与装配结构冷库
    传统的土建冷库具有墙体占地面积大、施工复杂、施工期长等缺点。但作为冷库也有一个很大的优点:热惰性大,其热惰性指标D可达7~9(D>4为重型结构),热衰减度大,延迟时间可达16~18小时,因而白天维护结构吸收热量的一部分会随着夜晚室外温度的降低反传到室外,减少冷库的热负荷,并且库内维护结构热负荷的最大值出现在电价的“谷时”,也有利于节省运行费用。
    采用聚苯或聚氨酯复合保温板的装配式冷库,可实现工厂化预制,现场组装方便,具有施工快、工期短的优点。在工程实践中,虽然总热阻能够满足规范的要求,由于其热惰性指标D值小(4>D>1.5),蓄热系数小,总衰减度小,延迟时间只有3~4小时。实践证明:维护结构总热阻相同的装配式冷库与土建冷库相比,制冷机的累计运行时间要多20%左右。
    装配式冷库采用加长墙衣板,减少保温墙体受热的方式可以减少部分维护结构热负荷。墙衣板下端与冷库站台平齐,屋顶采用无动力风机排风,降低冷库维护结构外侧温度也可以起到很好的效果。

2.3、层高和单间冷库面积
    合理选择层高和分间面积可以提高冷库的利用率。层高和单间冷库面积的确定一定要与经营方式、经营规模、品种特性、包装方式、码垛方式等相适应,最好能与冷库货架、库内叉车等协调确定方案。

3、制冷系统的设计

3.1、根据冷库的经营特点选择制冷系统
    生产型的冷库要求产品迅速冷却,所以冷却、冻结、冷藏各个环节的加工能力必须与整个生产相适应。仓储型的物流冷库要注重通用性,考虑公共型冷库的柔性设计。配送型的冷库是一种定制化的设计,以超市为例,要根据超市的业态进行设计,有着非常细化的温度带,比如说熟食是不是在库内加工包装等等,是最复杂的综合性设计。
    物流冷库制冷系统应该采用集中操作管理的模式,以便于对库温的控制、运行参数的调节,对于大、中型物流冷库采用环境友好型制冷剂的氨制冷系统是很好的选择,小型冷库或对安全有特殊要求的冷库选择工质时尽量选择新型替代制冷剂。具体选择要按照国家《消耗臭氧层物质管理条例》和当地政府有关规定要求执行。
    1998年美国太空总署NASA针对860种化学物质进行研究,从物质的应用范围、液气态物理性质、热力性质、稳定性、毒性、燃烧性、与材料兼容性、价格等项目,试图找出最适合做为冷媒的物质,结果氨被列为十种最适合物质中的一种。因其几乎完全具有冷媒之必要的优点,尤其以价格低廉、潜热大及不会破坏环境之性质为最。实际上,只要严格按着国家的相关规范、规程进行设计、施工和操作管理,其安全性是有保证的

3.2、确定合适的库房面积,尽量采用大区域制冷的方式
    现阶段,很多物流冷库采用“出租经营”的模式,部分租赁者的经营规模很小或者把物流冷库当做零售环节的冷藏设施来使用,因此有些业主希望把冷间分割的很小,以适应经营者的需求,有时要分割成30~50米2/间。对于经营者个体而言,货物的存储量波动很大,有时一次进货量就是该间冷库的容量,如果把制冷区域分割成很小的单元会给制冷系统的设计、运行操作以及库温控制带来很大的影响。
    对于在经营上要求进行小区域分割的冷库,可以采用大区域制冷,通透式分隔(以不影响库内风速场流动为原则)的方式处理。即使局部新货负荷较大,就整个制冷区域来讲,引起的库温的波动是在设计允许范围内的,库内冷却设备的选择上也不需要刻意预留更大的换热能力。

3.3、制冷系统运行参数的选择
    蒸发压力(温度)和冷凝压力(温度)是制冷系统的主要参数,是系统运行中操作与调整的重要依据。 
(1)、选取合适的蒸发温度
    冷链物流中的不同种类商品对物流环境中的温度、湿度要求也各不相同。而我国冷库库温一般设置为0℃~4℃和-18℃~-22℃两种,有少数冷库定为-28℃以下。这种库温设计满足了大多数商品储存的温度要求,但与商品的最佳储存温度并不完全一致。从提高商品储存质量、延长保质期的角度出发,应对产品进行细分,对不同商品应设定其最适宜的储存温度。
    根据储存温度要求确定的蒸发温度并不是越低越好,蒸发温度过低不仅导致制冷系数下降,能耗增加,而且由于温差增大,还会使冷风机的除湿量增大,库房湿度减小,从而引起食品干耗增大,食品品质下降。 
    国内通常采用的蒸发温度与库房温度之差为10℃,一些经济发达国家,蒸发温度与库房温度之差一般取值为3~6℃。在其他参数不变的条件下,蒸发温度与库房温度之差由10℃改为7℃,则单级压缩制冷系统的制冷系数(COP)值增加12%左右,而双级压缩制冷系统的制冷系数(COP)值增加10%左右。但是,蒸发器面积要增加42%,所增加的设备冷风机的设备投资回收期为三年左右,这里并没有计算由于压缩机制冷量的增加而减少的主机与其他辅助设备的投资节省。
    实际上,选取传热温差过大和操作调整不合理是造成食品干耗增大,很多业主拒绝使用冷风机
(2)、选取合适的冷凝温度 
    冷凝压力升高,将会导致压缩功能增加,制冷量减少,制冷系数下降,能耗增加。据估算,在其他条件不变的情况下,冷凝压力所对应的冷凝温度每升高1℃,耗电量将增加3%左右。
    采用蒸发式冷凝器可以比壳管式冷凝器得到更低的冷凝温度(冷凝温度可以更接近湿球温度),所以,选用蒸发式冷凝器有利于系统节能,同时也更加节水。研究发现,不同品牌的蒸发式冷凝器运行能耗相差很大,单位排热量耗能甚至相差2~3倍。
单位排热量耗功( )计算公式:

其中: 
 ——冷凝器单位排热量耗功  w/ Kw ;
 ——冷凝器水泵额定功率  Kw ;
 ——冷凝器风机额定功率  Kw ;
 ——冷凝器排热量  Kw 。

3.4、制冷系统循环方式的选择
    选择制冷系统循环方式要综合考虑系统运行工况、年运行时间、系统冷负荷、一次性投资、系统运行效率(制冷系数)、制冷压缩机及辅助设备的使用条件等多种因素。
    《冷库设计规范》(GB50072-2001)明确规定了活塞式制冷压缩机选择单、双级压缩的条件,而对于螺杆式制冷压缩机没有设定限制。就压缩机的使用条件而言,螺杆压缩机单级压缩即可以达到较大的压缩比,但是只有当内、外压比相同时,机器耗功最低,而过压缩和欠压缩都将导致压缩机运行效率下降,并产生额外的功耗。螺杆式压缩机提供冷更多的双级压缩制冷循环方式:带经济器螺杆机制冷循环、单机双级螺杆机制冷循环、螺杆配组双级制冷循环,在特定的运行工况下,不同的制冷循环方式更具各有优势。
    对于螺杆压缩机而言,一般情况下蒸发温度T0>-15℃时,采用单级螺杆压缩形式;蒸发温度T0=-10℃~-35℃时,采用带经济器螺杆压缩形式;蒸发温度T0<-30℃时,可考虑单机双级螺杆机组或配组双级压缩形式。
    双级压缩系统按其节流和中间冷却方式可区分为一次节流、二次节流和完全中间冷却、不完全中间冷却几种循环方式,对于同样的低压级、高压级制冷机具有如下特点:(1)、完全中间冷却系统的制冷系数(COP)值高于不完全中间冷却系统;(2)、二次节流系统的制冷系数(COP)值高于一次节流系统。

3.5、库内冷却设备的选择
    库内冷却设备主要有冷风机和冷排管二种。冷风机由于其制冷剂充注量小,换热效率高,易除霜,造价低(同样换热能力条件下,冷风机的造价仅相当于冷排管造价的不足50%),易实现自动控制,已经被广泛采用。冷排管虽然制冷剂充注量大,换热效率高低,不易除霜,造价也高,但由于储存商品的干耗低,仍占有一定的市场。 
    库内冷却设备选择的关注点是运行节能和减少干耗。传统的观念认为货物商品干耗大是由于选用冷风机的缘故,实际上选用冷风机作为冷却设备造成干耗大的原因有三个:(1)、设计时选择传热温差大(ΔT=10℃);(2)、不做风速场设计;(3)、运行调整不合理,尤其是冷却物冷藏间有时运行传热温差达到15℃。

选用冷风机时,降低运行费用,减少干耗的措施:
    第一,选择大片距冷风机,加大冷风机面积,减小传热温差,减少冷风机结霜和商品干耗。
    第二,增设均匀送风道对库内风速场进行设计,货间空气流速设定为0.25米/秒。探讨其他形式的冷风机及其布置方式(例如下出风的货仓式冷风机)。
    第三,自动控制系统中,考虑蒸发温度控制的控制。
    第四,加强操作运行管理,注意主机能量调配(主机制冷能力是按最大负荷匹配的),防止“大马拉小车”,保证设定传热温差。
    近几年,带翅片的铝合金冷排管在氨制冷系统中也得到了应用,由于翅片增加了排管的换热面积,同时铝制排管采用了比较小的管径,所以带翅片的铝制排管在减少荷载、减少工质充注量、减少投资、降低商品干耗等方面均有优势。

铝合金冷排管与传统冷排管比较:

冷排管 排管管径
mm 单位面积
长度 m/m2 重量
Kg/m2 重量
百分比 单位容积
L/m2 充氨量
Kg/m2 充氨量
百分比
无缝钢管 Φ38×3.0 8.40 21.756 100 6.755 2.28 100%
铝合金 Φ21×1.5 —— 4.58 16~20 1.858 0.48 21.0%

但是,带翅片的铝合金冷排管在除霜上多采用电热除霜,热工质除霜的工程案例还未见报道。

3.6、蒸发器除霜
    速冻机蒸发器除霜采用热氨加水的融霜方式,需要注意:速冻机的冲霜水要求达到食品生产的卫生标准,大多数用户采用车间生产用水。热氨融霜由制冷系统操作人员控制,而水冲霜由生产车间操作人员控制,要求操作上必须协调一致,除霜前将蒸发器内液氨抽净,保证融霜安全。
    冷排管采用热氨排油加人工扫霜的方式,铝合金冷排管可以采用电热融霜的方式,除霜是库温波动大。
    冷风机的除霜多采用热工质加水的除霜方式。热工质融霜在制冷系统的节能、管理、自动控制等方面都具有优势,经济发达国家已普遍采用,但我们在实际应用中还需要从产品设计、系统设计、操作管理等诸多方面进一步完善。
    自动控制制冷系统,如果一个系统控制阀组带多台冷风机,要考虑每台冷风机供液、回气、热氨的单独调节。

3.7、自动化控制
    制冷系统的自动化控制,可以保证系统的安全远行,减轻劳动强度,提高食品质量,减少干耗,降低储藏成本,是冷库现代化的标志之一,也是食品质量溯源的技术保证。
    制冷系统的自动控制主要通过全自动监控系统,实现系统运行状态监视与控制、运行参数调节、事故报警、事故故障诊断等功能,保证冷库内温度的有效控制。通过制冷压缩机的自动能量调节、设备的自动控制、供液量的自动调节和自动融霜,可使系统制冷量与冷负荷相适应,达到节能的效果。据有关资料统计,自动控制与手动操作相比,可节约能耗10-15%左右。
    冷库自动控制系统的节能设计应该从以下几个方面考虑:
(1)、变蒸发温度控制
冷库温度的控制多是以库内空气温度为控制对象,对蒸发温度往往不作调节,蒸发器的实际传热温差是系统运行的自我平衡点,实际上难以达到好的节能效果,只有把蒸发温度的调节和库温控制结合起来,辅以压缩机自动能量调节,才能达到理想的节能效果。
(2)、根据冷负荷冷风机开启台数
制冷系统的蒸发器和制冷压缩机都是按满足最高负荷需要匹配的,根据被控制参数的变化设置累进制能量调节,使系统投入的制冷能力与冷负荷相匹配,避免设备或系统的频繁启仃。
(3)、设定合适的控制精度
不同的库存商品和不同的贮存期都有不同的库房温度及其控制精度要求。从节能的角度出发,只要不影响商品的品质,库房温度宜取高不取低、控制精度宜取低不取高,不必偏面追求过低的库温和高精度控制。
(4)、蒸发器按需融霜
由于季节和生产经营的变化,即使在相同的运转时间内结霜量也是不同的,定时融霜和累计定时融霜都不可避免出现融霜滞后或过频的现象发生。同时,为了保证融霜效果设计时按最不利条件设置融霜时间,导致大部分融霜过程带入的热量过多。
冷风机按需融霜,需要有可靠的霜层传感器或差压变送器,感知最佳的融霜时间,由温度控制器控制融霜时间,防止过多加热。
(5)、变频技术的应用
利用变频技术,实现制冷压缩机、冷风机、水泵的能量调节,使系统制冷能力与冷负荷相匹配,达到节能运行的目的。

3.8、大空间立体冷库
    近几年,浙江海通食品集团、浙江祐慷集团、宁波远东冷藏公司、伊利集团、蒙牛集团等先后建设了多座高货位立体自动化冷库,其库内装卸和堆垛作业实现了机械化或自动化及库温控制、制冷设备运行也全部实现自动化。
    大空间立体冷库制冷系统设计要注意以下几点:
• ⑴、很大的单体冷藏空间,层高越来越高,可能会达到30至40米,在一定条件下,货物区域可以利用空气温差实现自然对流换热;
• ⑵、单位冷负荷较普通冷库低,库内空气循环倍率低,冷负荷不能采用估算的方式;
• ⑶、高位货架和支架,可能会阻碍气流分布,冷风机和风道系统布置要和库内货位布置方式结合起来考虑,并且不阻碍库内机械(设备)或自动传输系统的作业;
• ⑷、无过道式移动货架的应用,最大限度地增加了空间利用率;
• ⑸、库温控制、制冷系统运行自动化,能随时提供库存货物的品名、数量、货位和库温履历(历史温度曲线);
• ⑹、维护结构冷负荷所占比例小,节能并降低投资成本。

3.9、低品位热能的利用  
    制冷系统运行中排放出大量的低品位热能,对其加以利用也是节能的重要措施。主要包括:
⑴、压缩机排气热的利用;
⑵、冷风机冲霜回水利用。

三、结束语
    物流冷库作为冷库必须满足商品的冷藏要求,同时作为冷链物流的节点必须适合物流的使用、经营、管理要求。进行设计之前必须对业主的要求、期望以及使用、管理方式有充分得了解,使设计更加贴切于实际使用。设计中节能环保是永远的主题,没有最好的冷库,只有最适用的冷库。
    2009年6 月1 日,我国《食品安全法》将正式施行,确保食品安全已经纳入法制管理轨道。加快冷链运营基础设施建设,普及冷藏供应链配送网络系统,促使食品制造商、供应商、零售批发商、配送中心,等从业者密切合作,按照食品安全标准操作,是保证食品安全的必经之路。


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