大中型冷库采用分散式供冷分析

周金坤



大中型冷库采用分散式供冷分析

周金坤

（浙江商业职业技术学院 杭州 310053）

冷库供冷方式可分集中供冷和分散供冷二种，这二种供冷方式各有优缺点。目前我国大中型冷库大多采用集中式氨制冷系统，但集中式氨制冷系统复杂，注氨量大，具有较大安全隐患。在大中型冷库中采用分散式制冷系统，与集中式氨制冷系统相比，可以确保冷库运行安全，不会增加投资成本和运行管理成本。在未来的大中型冷库建设中，采用分散式氨制冷系统是可行的。

分散式；集中式；制冷系统；氨；卤代烃

0 引言

自2010年6月国家发改委发布《农产品冷链物流发展规划》以后的五年时间里，我国冷库建设呈现井喷式发展，从当时的880万吨[1]，迅速增加到2014年底的3320万吨[2]。新建冷库以大型和超大型冷库群为主。随着这几年冷库建设的高速发展，大中型冷库建设越来越多，冷库的规模越来越大。而在大中型冷库中，大多是采用氨为制冷剂的集中式制冷系统。

2013年，吉林、上海等地发生的氨冷库制冷系统泄漏爆炸重大事故[3]，引发了人们对氨冷库的恐慌，这导致了人们对建设氨冷库的重新思考，探讨氨冷库的安全性问题，寻求提高氨系统安全性的方法与措施。为此，笔者对在大中型冷库中采用分散式制冷系统的安全性和经济性进行了分析。

1 冷库制冷系统供冷方式

冷库制冷系统供冷方式有集中供冷和分散供冷二种方式。

1.1 集中式供冷

所谓集中式供冷是把制冷装置的压缩机和其它辅助设备安装在机房内，增加气、液调节站，用供液、回气管道把各库房的冷却设备连接起来。整套制冷装置可以承担冷加工、冷藏、制冰等多种制冷系统负荷，并且向各个冷间供冷[4]。集中式供冷如图1所示。

冷库按照制冷系统所选用的工质不同，可以分为氨冷库和氟利昂（卤代烃）冷库。不管是氨冷库还是氟利昂冷库都可以采用集中式供冷。但是，集中式供冷其机房与库房分开，对冷却设备供液的管路较长，供液方式一般采用液泵供液方式，而不采用直接膨胀供液方式。由于液泵供液量数倍于冷却设备的蒸发量，又因为液泵供液须配置低压循环贮液桶及其辅助设施，制冷系统气液分离设备多，系统复杂，供液管和回气管路长，所有的设备和管道都需充注制冷剂，因此整个制冷系统制冷剂充注量大。由于氨价格低廉且热力性能优良，我国集中式制冷系统大多采用氨（R717）作制冷剂。

1.压缩机，2.高压贮液器，3.低压循环贮液器，4.调节站，5.蒸发器

1.2 分散式供冷系统

所谓分散式供冷系统是把制冷压缩冷凝机组布置在冷间外，用管道把库房内冷却设备连接起来，如图2所示。

1.压缩机组，2.蒸发器

分散式供冷系统的制冷机组就近冷间布置，供液管与回气管的道路较短，供液方式一般采用直接膨胀供液方式，直接膨胀供液的冷却设备采用干式蒸发器，制冷系统简单，制冷剂充注量少。

直接膨胀供液制冷系统压缩机吸入的是过热蒸气，由于氨的排气温度比较高，现有氨冷库一般不采用直接膨胀供液方式。所以冷库分散式供冷系统一般是直接膨胀供液的卤代烃制冷系统。

2 集中式氨制冷系统和分散式卤代烃制冷系统的特点

2.1 集中式氨制冷系统的特点

2.1.1 优点

（1）集中式制冷系统采用液泵供液方式，供液距离和高度不受什么限制，输送的液体可以到达较远处或者较高处，适合大中型冷库，尤其是多层冷库。

（2）液泵供液量数倍于蒸发量，蒸发器内表面液体湿润充分，传热效果好。液泵供液采取下进上出方式，停止供液后，蒸发器内仍然存有制冷剂液体，有利于库温的稳定。

（3）制冷机器设备都集中在机房，使制冷系统大型化，在确定机械负荷时考虑到各冷间负荷高峰不可能在同一时间段，可以减少装机总容量。同一蒸发系统的压缩机并联工作，不同蒸发温度系统的压缩机可以互为备用，操作调整灵活。

（4）集中式制冷系统普遍以氨作制冷剂，氨作为天然制冷剂，不仅价格低廉，氨的热力性能非常优越，而且对地球生态系统无害，GWP=0并且ODP=0，属环境友好型制冷剂。根据国际制冷学会文献[5]介绍，在蒸发温度-35℃以上，氨制冷剂的热力性质是所有制冷剂中最佳的，即在蒸发温度-35℃以上，采用氨制冷剂运行能耗最低。

2.1.2 缺点

（1）由于集中式制冷系统的工艺复杂，辅助设备多，尤其是气液分离设备多，具有以下几点不利因素：

①系统制冷剂充注量大。一座公称体积为43000m3（10000吨）冷库，其氨制冷系统内的充氨量将达20000kg[6]。

②建设期长，设计施工工作量大。制冷工艺的设计和施工图的绘制，安装和调试，设备的订货，压缩机房的建造等等所需时间都较长且工作量大。现场施工的方式，其工程质量没有象工厂批量生产来得可靠。

③自控系统复杂，较难实现全自动控制；对机器设备需人工操作管理，且管理范围大，对管理人员技术水平要求高。机房需24小时有人值班，劳动力成本高。

④在设计和运行管理中，如果机器设备选配不当，与负荷不相匹配时，易造成“大马拉小车”[7]。

（2）氨作为制冷剂有毒，可燃烧爆炸，且集中式制冷系统充注量大，一旦发生泄漏，后果相当严重。氨在我国国家标准中属于四级轻度有毒物质，当空气中氨的体积分数达到16～25％时遇明火可引起爆炸。由于种种原因，前几年制冷系统的事故时有发生。

（3）需要建造专用机房，增加建筑成本。机房内单机容量大，数量多，与之配套的供电与动力系统复杂。

2.2 分散式卤代烃制冷系统的特点

2.2.1 优点

（1）分散式制冷系统大多为机组形式，气液分离设备少，系统简单，结构紧凑，制冷剂管道短，单机制冷量小，制冷剂充注量少。

（2）采用热力膨胀阀或电子膨胀阀为节流机构，能自动调节对蒸发器的供液量。

（3）系统小而简单，易于控制，能实现自动化，不需要人工操作，可以节省劳动力成本。

（5）可采用并联机组，随负荷的变化，自动运转必要的机组，制冷效率高而稳定，有利于节能。

（6）设备施工周期短，设计、施工工作量小。工艺设计简单，安装容易[8]，只要在库房外穿堂或室外留出机组安装的位置，连接水电，用制冷剂管道把冷却设备连接既可。机组在专门的工厂批量加工，其质量往往有保障。

（7）目前以卤代烃为制冷剂，无毒、不燃烧，安全可靠。各机组系统独立，单机容量小，即使泄漏，对周围环境与安全影响小。

（8）无需建造专门的机房，节省建筑面积。

2.2.2 缺点

（1）各库房机组系独立系统，单机容量按库房最大负荷配置，整个系统总装机容量大。相互间不能备用，若机组出现故障，可能会影响库温。

（2）机组安装在冷库建筑内，占用库房建筑面积，增加库房建筑造价。

（3）卤代烃制冷剂不仅在热力性能方面还比不上氨，价格比氨贵得多，还因为对全球环境有影响，CFCs已经被淘汰，目前应用比较多的HFCs也已经进入淘汰阶段。

3 大中型冷库采用分散式供冷与集中式供冷的比较分析

按照以往人们的习惯，集中式就是大中型冷库制冷系统，分散式就是中小型冷库制冷系统。冷库的集中式制冷系统大多采用氨作制冷剂，冷库的分散式制冷系统一般以卤代烃为制冷剂。

在大中型冷库采用分散式供冷，与传统集中式氨制冷系统相比，笔者就投资者特别关心的冷库安全问题、投资成本、运行与管理成本三方面进行比较分析。

3.1 冷库安全问题

建设一座大中型冷库，安全因素不管对投资者也好，对社会也好都是一个十分重大的问题，有时会起决定性的作用。在当前一部分人谈“氨”色变的形势下，今后大中型冷库集中式氨制冷系统的采用必定会受到一定的影响。而分散式制冷系统一般以无毒、不燃烧、不爆炸的卤代烃为制冷剂，确保了冷库使用的安全性。分散式制冷系统自动化程度高，减少了人员与氨系统接触，安全性大大提高[9]。

3.2 投资成本

投资成本主要由建筑成本和设备成本二部分构成。

3.2.1 建筑成本

建筑成本包括库房和机房建筑，但不包括办公与其它建筑。我国大中型冷库大多为多层建筑，分散式制冷系统须按不同楼层和不同冷间分层、分库设计配置，虽然不用专门的机房，节省了建造机房的费用，但机组安装要占用库房建筑面积，增加了库房建筑的造价。

3.2.2 设备成本

设备成本包括制冷系统、冷却水系统和供电与动力系统。

集中式制冷系统大多采用价格低廉的氨作制冷剂，可降低了制冷系统的投资成本，但集中式制冷系统辅助设备多，单机容量大，价格高；系统复杂，安装施工费用多；与之配套的供电与动力系统复杂，设备购置与施工费用都相应增加。

分散式制冷系统采用比氨贵得多的卤代烃，增加了制冷系统的投资成本；由于应用最多的HFC面临淘汰，新的无公害替代制冷剂的价格会更高，无疑会增加制冷系统的投资成本。分散式制冷系统单机容量小，但数量多，总容量比集中式大，也会增加制冷系统的投入。但是，分散式制冷系统一般为机组形式，系统简单，制冷剂充注量少，减少制冷剂的使用量，从而降低制冷剂购置费用；分散式制冷系统安装施工量小，施工费用少。

综合建筑成本和设备成本，分散式供冷与集中式供冷相比，相同容量的冷库建设投资成本，是高还是低呢？根据文献[4]介绍，引进国外分散式供冷的单位造价指标为3900元/吨，而国内集中式供冷设计的单位造价指标为4330元/吨。也就是说，分散式供冷的造价比集中式供冷低近10%。这说明，对相同容量的冷库，分散式供冷的投资成本比集中式供冷低。

3.3 运行与管理成本

冷库制冷系统的运行与管理成本包括二部分，一部分是制冷系统运行所需的能源消耗；另一部分是对制冷系统进行操作管理人员的工资成本。

3.3.1 能源消耗

冷库的制冷用电是其运行成本的主要部分，约占总成本的25%～40%[10]。所以，制冷系统运行的COP非常重要。集中式供冷多采用氨制冷剂，由于氨制冷热力性能优越，其COP比较高。与冷库中采用较多的卤代烃制冷剂R22进行比较，采用R22的系统比采用氨相同工况的系统，实际运行耗电量增加约18%[11]。也就是说，在相同工况下分散式卤代烃制冷系统的COP要比集中式氨制冷系统要低。但是，分散式制冷系统简单，用全自动的精确控制，改善系统运行工况。每一冷间的机组，都根据库温自动开启和关闭，如采用并联机组，能做到机器的运行负荷与实际负荷相配匹，压缩机始终处于满负荷运行，不仅制冷压缩机的运行效率高，而且库温自动控制精准，有利于确保食品的质量。又如，分散式制冷系统的冷却设备一般采用冷风机，并进行自动除霜，及时融化冷却设备表面结霜，提高制冷系统运行效率；而现有冷库工程的集中式氨系统采用冷却排管较多（一般为U型顶排管），以人工扫霜为主，往往除霜不及时，而且除霜不彻底，影响制冷系统的效率。

集中式供冷，只要有一个冷间的温度不符合要求，一整个制冷系统就得启动运行，制冷压缩机虽然有能量调节，但压缩机的部分负荷下工作，会降低压缩机的工作效率。在集中式氨制冷系统的实际运行管理中，基本上都人工操作控机器的开停及其运行，譬如夜间多开机，白天少开机。这种做法虽然可以减少耗电，充分利用谷电价格，降低运行成本，但库温波动大，甚至库温高出正常范围，影响食品质量。

节能与降低成本，应该以确保食品的储藏温度，保证食品质量为前提，分散式制冷系统能较好的做到这一点。

3.3.2 劳力成本

集中式制冷系统需要配备专门的技术人员对制冷装置进行操作管理，随着工人工资的不断上涨，增加了企业运行与管理的成本。大中型的氨冷库需二十四小时有人现场当班，每班人数一般不少于二人，冷库规模越小，单位容量劳动力成本越高。然而分散式制冷系统运行为全自动控制，无需操作人员，这大大地节省了劳动力成本。

虽然分散式的卤代烃制冷系统的COP在同工况下比不上集中式的氨制冷系统高，但其自动控制运行不仅可使劳动力成本大幅度节省，而且容易保证制冷系统在较理想的工况下运行，减少人为的不合理操作，从而降低了冷库总的运行成本。

经过以上比较分析，我们不难看出在大中型冷库中采用分散式供冷，不仅确保了运行安全，而且还不会增加投资成本和运行管理成本，另外还可减少建筑物，缩短施工周期等好处。所以建议在新建或扩建大中型冷库中，可以考虑采用分散式制冷系统。

4 冷库分散式制冷系统应用的前景

20世纪70年代以前国外冷库普遍采用以氨为制冷剂的集中式制冷系统，20世纪70年代后期逐渐采用以R22为制冷剂的分散式制冷系统[12]。目前我国冷库在分散式供冷系统中也是采用以R22为主的卤代烃制冷系统，但R22已经进入淘汰，从环保和热力性能都非常优良的制冷剂氨（R717）在大中型冷库建设中仍将被长期使用。然而，集中式供冷方式制冷剂大灌注量给冷库带来安全隐患，减少制冷剂充注量是制冷系统发展的必然趋势。分散式供冷方式是从根本上减少制冷剂灌注量的有效途径。

目前，在大中型冷库中还没有采用分散式氨制冷系统，但在不久的将来，随着人们对小型氨压缩机（包括全封闭氨压缩机）的研究与开发成功，在分散式供冷方式中不仅可以采用卤代烃制冷系统，还可以采用氨制冷系统。另外，从近二年氨冷库发生的重大安全事故分析，制冷系统的施工与操作不规范是造成事故的主要原因之一。如果采用分散式供冷方式，其设备在工厂标准化加工，质量有保障，可以提高制冷系统的安全性。

全自动冷库是大中型冷库建设发展的必然趋势。分散式制冷系统简单，比集中式制冷系统更容易实现操作自动化，也更易于实现安全控制。因此，不管是卤代烃冷库还是氨冷库，都可以采用分散式供冷系统。

[1] 国家发展和改革委员会.农产品冷链物流发展规划[R].2010,6.

[2] 中国制冷学会.中国制冷行业战略发展研究报告[M].北京:中国建筑出版社,2016:181.

[3] 李晶晶.关于冷库制冷剂发展方向的探讨[J].制冷技术,2014,(2):74-78.

[4] 王乔.冷库集中与分散供冷系统经济性的建模分析[J].农机化研究,2006,(2):53-58.

[5] Pearson S F. Saving energy in refrigeration, air –conditioning and heat pump technology[M]. InternationalInstitute of Refrigeration, 2008.

[6] 徐庆磊.当前氨制冷剂在冷库中应用的公共安全问题值得密切关注[J].冷藏技术,2000,(3):46-47.

[7] 林锋.冷库集中式、分散式两种供冷方式的分析与比较[J].中国水产,2006,(2):53-58.

[8] 周莉娟.冷藏库采用分散式制冷系统的设计体会[J].制冷技术,2001,(3):26-27.

[9] 张建一.英国某氨系统冷库安全与节能技术分析[J].制冷技术,2014,(3):18-21.

[10] 马一太,刘秋菊,刘圣春.空调能效比发展趋势的研究[J].制冷与空调,2007,(3):10-13.

[11] 黄劲松.氨和R22在冻结系统内的性能比较[J].冷藏技术,1992,(2):36-41.

[12] 顾建中.分散式和准集中式制冷系统概述及应用[J].制冷与空调,2004,(5):1-5.

Analysis of Distributed Refrigeration Systems for Large and Medium Scale Cold Storages

Zhou Jinkun

( Zhejiang Business College, Hangzhou, 310053 )

The refrigeration systems for cold storages are usually divided into centralized type and distributed type, which have different advantages and disadvantages. At present, centralized refrigeration systems of ammonia in China were mostly adopted in large and medium scale cold storages, but the complicated structure of the centralized refrigeration system resulted in huge amount of ammonia in charge and great potential safety hazard. Compared with the centralized refrigeration system, the distributed refrigeration system can adopted in large and medium scale cold storages, which will ensure the safety operation and not increase investment costs and operation costs. Therefore, it is feasible to adopt the decentralized ammonia refrigeration system in the construction of large and medium scale cold storage in the future.

cold storage; refrigeration system; ammonia; centralized; distributed

1671-6612（2017）03-299-05

TB657.1

A

浙江省科技计划基金资助项目（2016C31125）

周金坤（1963.04-），男，本科，副教授，E-mail：13018947125@163.com

2017-01-18