冷库设计实例

前言

1.1 设计题目的选题的缘由及意义

冷库是发展冷藏业的基础设施，也是在低温条件下贮藏货物的建筑群。食品保鲜主要以食品冷藏链为主，将易腐畜禽、水产、果蔬、速冻食品通过预冷、加工、贮存和冷藏运输，有效地保持食品的外观、色泽、营养成分及风味物质，达到食品保质保鲜，延长食品保存期的目的，起到调剂淡、旺季市场的需求并减少生产与销售过程中经济损耗的作用。在现代化的食品工业中，食品从生产加工、贮藏运输、销售至消费全过程都保持在所要求的低温条件下，这种完整的冷藏网统称“冷链”，它可以保证食品的质量，减少生产及分配过程中的损耗。目前，国家投入巨资加快基础设施建设，调整农业产品结构，推进城市化进程，这些措施必将会带动制冷空调产品的生产和使用，促进、完善“冷链”的建设。在农业、畜牧业方面，水果、蔬菜、养殖加工业的发展，包括花卉业的兴起，给冷冻冷藏业的发展带来勃勃生机。由此可见，随着市场经济的不断发展、现代物流系统的不断完善，食品冷藏链的产业化发展前景十分广阔。

1.1.1 冷库行业现状

国外冷库行业现状。国外冷库行业发展较快的国家主要有日本、美国、芬兰、加拿大等国。日本是亚洲最大的速冻食品生产国，-20℃以下的低温库在冷库中占80%以上。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，70年代后期逐渐采用以R22为制冷剂的分散式制冷系统。美国和加拿大占80%以上的冷库都以使用R717为制冷剂。80年代以来，分散式制冷系统在国外发展很快，冷却设备由冷风机逐步取代了排管，贮藏水果冷库中近1/3为气调库，在冷库建造方面土建冷库正向预制装配化发展，自动化控制程度比较高。比较著名的装配式冷库的制造商如芬兰的辉乐冷冻集团(HUURRE),其库板HE-3由无氟绝缘聚氨酯板和两层镀锌的钢层组成，轻便易拆卸，施工期短、气密性好、空间利用率高。

近年来，国外新建的大型果蔬贮藏冷库多是果品气调库，如美国使用气调贮藏苹果已占冷藏总数的80%；法国、意大利也大力发展该项技术，气调贮藏苹果均达到冷藏苹果总数的50%～70%以上；英国气调库容达22万吨。日本、意大利等发达国家已拥有10座世界级的自动化冷库。

国内冷库行业现状。我国自1955年开始建造第一座贮藏肉制品冷库，1968年建成第一座贮藏水果冷库，1978年建成第一座气调库。1995年由开封空分集团有限公司首次引进组合式气调库先进工艺，并在山东龙口建造15000吨气调冷库获得成功，开创了国内大型组装式气调冷库的成功先例，用户亦取得了较好的经济效益。1997年又在陕西西安建造了一座10000吨气调冷库，气密性能达到国际先进水平。该公司气调冷库已分布在山东、河南、北京、湖南、新疆、陕西、天津、四川等省市自治区，并获得客户的较好信誉。广东、北京等省市大约先后引进了40座预制装配式冷藏库，总库容约为7.5万吨。近几年来，我国冷库建设发展十分迅速，主要分布在各水果、蔬菜主产区以及大中城市郊区的蔬菜基地。据统计，全国现有冷冻冷藏能力已达500多万吨，其中外资、中外合资和私营冷库约占50万吨，国有冷库450多万吨，分属于内贸、农业、外贸和轻工系统，其中内贸系统冷库容量达300多万吨，占全国总量的60%以上。我国商业系统拥有果蔬贮藏库面积达200多万平方米，仓储能力达130多万吨，其中机械冷藏库70多万吨，普通库为60多万吨。

果品蔬菜保鲜一般采用最低温度为-2℃的高温库，水产、肉食类保鲜采用温度在-18℃以下的低温库，而我国的贮藏冷库大多数为高温库。大型冷库一般采用以氨为制冷剂的集中式制冷系统，冷却设备多为排管，系统复杂，实现自动化控制难度大。小型冷库一般采用以氟里昂为制冷剂的分散式或集中式制冷系统[4]。在建造方面以土建冷库偏多，自动化控制水平普遍较低。装配式冷库近几年来有所发展。

国内专业生产制冷设备及建造冷库的厂家很多，如开封空分集团制冷工程公司为国内第一家组装式冷库生产厂家，已形成从几立方米库容小型室内库到几万立方米的大型室外库；从高温库、低温库、冻结库到综合库；从全组装式冷库到土建结构内部贴板的混合式冷库；从普通冷库过渡到的多品种、多规格的气调冷库系列产品。此外大连制冷设备厂、天津森罗科技发展有限责任公司等，其制冷设备在冷库行业领域中所占比重较大，天津森罗科技发展有限责任公司采用双面彩钢聚苯乙烯保温板建造的装配式冷库，在国内发展较快。国家农产品保鲜工程技术研究中心（天津）研制开发的微型节能冷库在国内农村各地已广泛推广。据统计我国生产企业已生产建设大中小型装配库约800座，室内装配式冷库约2.5万套（座），仅苏州市2004年全市新建保鲜冷库38座，占江苏省的40%。

1.2 目前主要存在的问题

由于我国的冷库行业起步相对于发达国家还有一定差距，冷库的设计、制造，维护水平和国际先进水平相比相对落后，主要表现在以下几个方面：

1.2.1 冷库利用率偏低

空间利用率。传统的冷库设计一般高5m左右，但在实际操作应用中，尤其是无隔架层的冷库利用率低于50%，如物品堆码的高度一旦达到3.2m时，外包装为纸箱的食品，因重压变形、吸潮等原因极易出现包装破裂、倒塌等现象[6]，导致食品品质降低，造成较大的经济损失。

周年利用率。以兰州市为例：大多数冷库每年5～10月份期间贮藏荷兰豆、西兰花、花椰菜、大白菜、甘蓝、百合等新鲜蔬菜，然后以冷藏车、简易汽运等方式运至广州、上海、杭州等南方城市进行销售经营，冷库闲置期长达6个月。兰州肉联厂低温冷库贮藏肉制品、速冻食品、雪糕、冷饮等，利用率相对较高。而其他冷库中仅有少量冷库在10月至翌年4月份贮藏水果，其余时间基本关闭闲置，周年利用率仅能达到50%。

1.2.2 部分冷库设计不尽规范，存在诸多安全隐患

国内很多冷库属于无证设计、安装，缺乏统一标准，缺乏特种设备安全技术档案现象较为普遍。操作人员未经专业培训无证上岗，管理人员安全意识淡薄。部分容积500立方米以上以氨为制冷剂的土建食品冷库，其库址选择、地基处理、制冷设备安装等严重不符合《冷库设计规范》(GB50072-2001)的要求，存在诸多安全隐患。许多冷库名为气调库却达不到气调的目的，部分低温库一建成就面临停用或只能按高温库降级使用的局面。

1.2.3 制冷系统维修措施不力，设施设备老化严重

制冷机的正常维修周期一般为运转8000～10000h即应进行大维修；运转3000～4000h 进行中维修；运转1000h进行小维修。适时对制冷系统进行维修、保养，可以及早消除事故隐患。因为国内大多数冷库尤其是90年代以前所建冷库，设施设备陈旧、管道严重腐蚀、墙体脱落、地基下陷、压力容器不定期检验。普遍开开停停，带病运营现象十分严重。

1.2.4 冷库节能措施未引起足够重视

冷库属于耗能大户。有数据表明：蒸发器内油膜增加0.1㎜，会使蒸发温度下降2.5℃，电耗增加11%。冷凝器中若存在油膜、水垢，蒸发器外表结霜等均会导致蒸发温度下降，耗电增加。另外，低温库冻结间或速冻装置进货后压缩比小于8时，应先采用单级制冷压缩，当蒸发压力降下来后，其压缩比大于8时再改用双级压缩制冷方式，而许多低温冷库

一开机就启用双级压缩机，使冷库能耗加大。

1.2.5 自动化控制程度低迷

国外冷库的制冷装置广泛采用了自动控制技术，大多数冷库只有1～3名操作人员，许多冷库基本实现夜间无人值班。而我国冷库的制冷设备大多采用手动控制，或者仅对某一个制冷部件采用了局部自动控制技术，对整个制冷系统做到完全自动控制的较少，货物进出、装卸等方面的自动化程度普遍较低。

1.2.6 商业冷库价格竞争激烈

近几年随着冷库数量的增加，除部分食品生产企业、科研单位自备用于存放食品原料或用于科研试验的冷库外，商业冷库出租转让频繁，行业内低价竞争激烈，加之高温库和低温库比例失衡以及地理位置的差异，存贮肉类及速冻食品的低温库供不应求，大量的高温库闲置待用，导致大多商业冷库经营企业经济效益不佳。

1.2.7 目前食品冷藏行业冷库安全生产的专职管理部门不明确

上个世纪，原商业部食品局一直是全国商业系统冷库安全生产最高管理机关，它组织制定的一系列有关冷库安全生产的管理规程，不仅在商业系统，而且在轻工、外贸、水产等行业的冷库中也都纷纷借鉴，参照执行，起到了统领全国食品冷藏业冷库安全生产管理的作用。但是如今，随着政府体制的改革，商业部已不复存在了，有关我国食品冷藏冷库安全生产管理的部门至今尚不明确，因此这就形成了我国食品冷藏业冷库安全生产管理放任自流，各行其是的状况。此外，目前在我国大中型冷库中，特别是在使用氨做制冷剂的冷库，多数没有设置专职的生产安全管理人员。不少食品冷藏企业对安全工程师这种专业技术职称都十分生疏。特别是近几年，国内食品冷藏企业面临着转制及市场激烈竞争的双重压力，生存是第一位的，企业领导顾及不到生产安全，加上企业减员增效等一系列内部改革措施的出台，往往被削减的首先是企业生产安全管理的职能部门及人员。从对安全生产重视程度来看，应该说现在远不如以前。安全生产的管理水平在下降，无论从历史上还是现在，我们食品冷藏业冷库安全管理的水平，都落于国内石化、冶金、轻工等相关行业，这已是不争的事实。

1.2.8 食品冷藏业冷库安全生产管理的规章制度不健全

据了解，目前除在上世纪八十年代中期原商业部食品局曾在全国商业系统冷藏企业内颁布实施过《冷藏库氨制冷装置安全技术规程》（暂行）外（后来此“规程”曾在国内其

它行业的冷库都曾经参照执行过），至今国内针对食品冷藏业冷库安全生产管理的规程或安全生产操作规程还未见公布于世。这就说明我们食品冷藏业冷库安全生产管理规章制度目前还是空白，急待从行业管理的角度，制定全行业安全生产应遵从的作业及操作规范。

1.2.9 在各类安全生产事故中，火灾事故仍是我国食品冷藏业冷库建设与生产中的头号多发事故

由于冷库围护结构的隔热层和制冷设备和管道的保冷层，目前仍然以难燃和易燃的隔热材料——聚氨酯泡沫塑料、自熄性聚苯乙烯泡沫塑料、软木等为主。尽管在工程设计中遵照国家“建筑设计防火规范”和“冷库设计规范”要求，科学规划防火分区，加设防火带，但不可否认由于技术条件的限制，这些技术措施对冷库火险还难以彻底防范，这都会为冷库在建造和使用中留下火灾隐患。据目前有关冷库火灾事故的统计，冷库建造过程中发生的火险远远大于冷库建成后使用过程中的火险（此部分火险则大多由电气设施，设置或使用不当造成）。据不完全统计，从上世纪九十年代以来，全国仅冷库建造过程中发生火灾就有20余起，死亡78人，造成直接经济损失近1.5亿元。由此可以看出，火灾已成为我们食品冷藏业冷库的头号灾害。

1.3 我国食品冷藏冷库安全生产管理有待改进的几个问题

针对上面的分析及我国食品冷藏业冷库安全生产的现状，为缩小我们行业在安全生产管理方面同国内其他行业之间的差距特提出如下几方面的改进的建议。

1.3.1 健全和完善我国食品冷藏业冷库各级安全生产管理规章制度

目前从全国冷藏行业来看，还没有一份可供全行业共同执行的“冷库安全生产管理的规范”。因此当务之急，是在广泛调研的基础上，以我国人大颁布的“安全生产法”为纲，紧密结合冷库安全生产这种特殊环境，组织行业内的标准化工作者，尽快编写出食品冷藏业“冷库氨制冷装置安全技术规程”，而各食品冷藏企业可结合本企业的生产特点，制定出本企业“冷库安全生产管理规程”、“制冷机安全操作规程”等，形成国家、行业、企业三级完善的安全生产管理规章制度体系。

1.3.2 在全国食品冷藏行业中广泛开展安全生产知识和相关法规的宣贯工作

可以以一个省（自治区）为单位，由食品冷藏行业组织出面，在各省安全生产主管部门的指导下，通过办培训班、搞知识竞赛等多种灵活的形式，对全体职工进行安全生产知识及相关法规的教育。宣讲食品冷藏行业特别是有关冷库安全生产管理的相关规程，有关

压力容器、压力管道的安全知识，车间火灾的防控安全捕救方法及遇险后逃生的方法。必要是要注意纠正其习惯性违章作业。当前有关国家及行业内安全生产法规的宣贯，其重点对象应是非公有制食品冷藏企业的经营者及乡、镇一级食品冷藏企业主。

1.3.3在食品冷藏业大中型冷库中，为落实我国“安全生产法”的要求，应针对企业安全生产管理的需要设岗立责

我国《安全生产法》已对企业安全生产管理机构和人员设置做出了规定，企业的安全生产除企业人为本企业安全生产第一责任外，还应设有安全管理部门及专职人员。这一要求对我国为数众多小型乡、镇食品冷藏企业来讲，一时还难以执行，但对大中型食品冷藏业冷库来讲，特别是对采用氨制冷系统的冷库来说，还是十分必要的。应该设专职安全生产管理人员1人，负责企业安全生产管理制度的制订，安全生产状况的监督检查工作，以及安全生产知识和条令法规在企业内的宣贯工作。因为在这些大中型食品冷藏冷库的氨制冷系统中，氨的充注量都在几吨到几十吨之多，一旦发生氨泄漏事故，不仅危及本企业职工的人身安全，对周围500米之内的人畜都会造成重大伤害，因此，大、中型冷库企业的安危已为影响社区安全的重大问题。

1.3.4 冷库的最优化设计与应用

目前,全国城镇居民和农村居民全年用于饮食的消费约为16140亿元人民币 ,到2000年底我国仅禽畜产量一项就达6000万吨以上,而蔬菜、水果等的产量也在逐年递增,使与之相配的食品加工、储藏的食品冷链体系,在全国范围内得到快速发展和完善。冷库作为冷链体系的关键设备之一,自90年代以来,在全国各地兴建约4000余座,冷藏容量达450万吨/次。

1.3.5 降低能耗

冷库围护结构。冷库通过围护结构的跑冷量与冷藏库围护结构单位热流量成正比。因此，应多在减少冷库的冷藏库围护结构单位热流量指标方面下功夫。要降低围护结构单位热流量，一是保温材料热导率要小，二是围护结构层要厚。但厚度一般不宜太厚，否则会出现增加建造成本和浪费空间等问题。因此，要在合适的厚度范围内选取保温材料。通常情况下要求保温材料热导率小、吸水率低、耐低温性能好，成本不能过高等。常用的冷库保温材料有聚氨酯硬质泡沫塑料、聚苯乙烯泡沫塑料等。聚氨酯硬质泡沫塑料热阻最大，

保温性能最好，适用于低温冷库。聚苯乙烯泡沫塑料生产厂家众多，购取方便，热阻较大，建造安装方便，适用于高、中温冷库。

冷库围护结构的防潮和隔汽。对冷库围护结构采取防潮隔汽措施也是必要的，否则会使保温材料的保温性能变差。这也就是冷库库体刚开始使用时保温性能不错，可是用一段时间以后保温效果变差的原因。由于水蒸气是从高温侧向低温侧渗透，因此，防潮隔汽层应设在隔热层温度高的一侧。

冷库的蒸发压力和温度。蒸发温度与蒸发压力是相对应的，知道了蒸发压力后，可通过查表得出蒸发温度。在冷库库房温度一定的条件下，将温差(蒸发温度与库房温度的差)缩小，蒸发温度可以相应地提高，冷库制冷机的制冷量就会有所提高，也就是循环效率提高了，相应地也节省了电能。

冷库融霜操作。一般来说，当蒸发器表面上的霜层对空气的阻力尚不显著，通过蒸发器空气的流量尚未减少之前，霜层的影响尚不严重，可不必融霜;当空气的流量明显减少时，应进行融霜。空气的湿度越大、蒸发器温度与冷库的库温差越大，越容易在蒸发器上结霜，结合保鲜工艺，尽量采用包装化冷藏可以减少果蔬的干耗，减少蒸发器的融霜次数，实际也起到了冷库节能的作用。

冷库储藏温度和冷库库房利用率。不同的产品储藏温度不同，每种产品也都有适合其储藏的温度范围。在不影响产品品质的情况下，节能冷库应选用较高的储藏温度。冷库库温高了，制冷系统的蒸发温度也相应的提高，制冷机的制冷量就会有所提高，循环效率也当然的提高了。提高冷库库温更重要的是还可以减少通过库体向外的传热量。

节能冷库库房利用率是产品实占容积与库房有效容积的比值。对于微型冷库的容积利用率一般不低于0.3,当然也不能太高，否则出现降温困难。对于所要储藏的产品的容积变化较大时，应分隔成两个或更多的冷库冷藏间。另外要选择合理的储藏周期，这对冷库的节能是不言而喻的。鉴于冷库冷藏企业耗电量的80%是制冷系统,而制冷系统中压缩机的耗电量约占60%左右,所以压缩机所匹配电动机的节能意义更为重大。

1.4 发展趋势

从市场对冷库的需求趋势来看，我国现有的冷库容量还十分不足，今后冷库的发展趋势主要表现在以下几个方面：

1.4.1 建设规模

果蔬产区应集中建设气调冷库，规模应以大、中、小型相结合，以发展中型为宜。机械气调库的建设应择优推广预制生产，现场装配模式冷库工程化工业产品，果蔬产地适于建单层冷库和中小型冷库；尽快推广塑料薄膜、大棚、大帐、硅窗、塑料薄膜小包装等气调设施是我国近期发展的重点。在经济较发达的城市，发展中型冷库，建立冷冻食品贮藏批发市场。将中小型冷库向社会开放，提供有偿的仓库服务、信息服务、经营后勤服务。

1.4.2 冷链物流

我国完整独立的冷链系统尚未形成，市场化程度很低，冷冻冷藏企业有条件的可改造成连锁超市的配送中心，形成冷冻冷藏企业、超市和连锁经营企业联营经营模式。建立食品冷藏供应链，将易腐、生鲜食品从产地收购、加工、贮藏、运输、销售，直到消费者的各个环节都处于标准的低温环境之中，以保证食品的质量，减少不必要的损耗，防止食品变质与污染。

1.4.3 制冷设备

制冷设备业应着力开发国际市场先进通用的60HP以下各档次分体式或一体化且配有电子技术的自动化机组，将计算机与自动化技术广泛地应用于整个制冷系统的自动控制中，目的是为冷冻冷藏行业升级换代，延长产业链，降低工程造价。

1.4.4 整体规划

冷库行业必须在有关部门的统一协调下，加强整体规划与协调，大力发展冷链物流体系建设。同时，要防止盲目重复建设，以保证我国冷冻冷藏行业持续健康稳定的发展。

总之，从冷库的现状与发展趋势来看，果品恒温气调库发展迅速，低温库比例有所增加，适合农户建造使用的微型冷库异军突起，装配式冷库及以氟里昂为制冷剂的分散式制冷系统推广力度正在加大，冷库设计更加趋于优化，自动化控制程度逐步提高，政府安全生产和质量监督等管理部门对冷库的监管力度大大加强。国内冷库行业正朝着采用发泡聚氨酯或聚苯乙烯板隔热材料的轻便预制装配化、低温大型化、管理及进出库货物装卸自动化、果蔬冷库恒温气调化、冷风机代替排管和广泛使用氟里昂制冷剂的操作方便、灵活多样、高效安全、环保节能的方向发展。可以预言，随着我国科学技术的进步，综合国力的提高，一批新型的，科技含量较高的冷库制冷装置、空调制冷装置、冷藏运输制冷装置、低温实验制冷装置等必将展现在祖国各地，我国制冷空调业必将迎来一个繁荣的景象。

1.5 本课题的主要研究内容

900吨冷藏库制冷工程设计

1.6 设计题目的关键问题及难点

课题关键问题是：冷库总平面图的合理布置、制冷系统原理图

课题难点：氨系统制冷机房的设计；压缩机的选型；冷间内蒸发器的选型及布置，管道选型以及保温层厚度的确定。

1.7 设计题目的成果及意义

按时顺利完成一份900吨冷藏库制冷工程设计。通过本课题的研究，加深对本专业知识的进一步理解，学会如何运用所学知识解决遇到的实际问题，提高了自己的能力。

2设计题目原始资料

2.1 建筑概况

本工程服务于小城镇农业畜牧养殖需要，适合对各类养殖的猪、羊、禽、兔、水产食品的冷冻冷藏加工生产。本设计的冷藏库于不同的食品加工车间配合能形成集屠宰、分割、冻结、冷藏为一体的生产型食品加工企业。

冷藏库库容900吨，层高4.8米，内净面积约860平方米左右（以冻肉计算重度）；该冷藏库制冷工程应满足肉、禽类（肉鸡）的宰杀、分割、冻结、包装冷藏等生产工艺要求。

冻结间每天加工能力按照14吨设计。

采用氨作为制冷剂。

2.2 冷库生产示意图

图1.1 冷库生产流程

2.3 设计范围

根据设计任务书和相关资料，本次设计的范围如下：

制冷方案的比较论证；冻结间、冷藏间、预冷间和分割包装间冷负荷的计算；冷方式的选择；压缩机及中间冷却器、冷凝器、冷却塔、贮液器、低压循环桶、排液桶、油分离器、集油器等相关辅助制冷装置的选型以及其在机房、设备间的就位；单冻机的选型及其布置方式；分割包装间空调和预冷间预冷机的布置；冻结间轴流风机和搁架排管的布置方式，冷藏间的排管布置方式，冻结间和冷藏间的气流组织形式和融霜方式。

2.4 设计依据

2.4.1 气象参数

按照《采暖同风与空调设计规范》山东济南地区取值。

室外计算温度（取下及空调日平均温度）：31.3℃；

室外计算湿球温度：26.7℃

夏季最热月室外空气平均相对湿度73%

2.4.2 设计参数

冻结间设计温度：-25℃；（冻品出冻温度-17℃）

冷藏间设计温度：-20℃；

3设计方案的对比、论证

3.1 冷库建筑平面布置方案

由于本冷库由功能分为冻结间和冷藏间，且两者之间库温要求不一致，所以两者分为两个独立的围护结构体，在使用上方便，建筑热工处理上互不影响，有利于向库温单一化、专业化、自动化发展。

由于本冷库属于小型冷库，冻结间和冷藏间面积都不大，所以不设库内穿堂，只在冻结间和冷藏间之间设常温穿堂。为保证冷库内的环境安全，在机房与冷库之间有墙隔开。

设备间

机器间

冻结间

冷藏库冷藏库

2月台

-20°C

-20°C

-25°C

-25°C

冻结间

图

3.1 冷库平面建筑示意图

3.2 制冷供液方案

表3.1 制冷供液方案对比

3.3 蒸发回路方案

由于冻结间、冷藏间内外温度差别很大，所以应该分别采用不同的蒸发温度，更经济。若采用相同的蒸发温度，则造成浪费。但是虽然蒸发温度不同，冷凝温度却相同，冷凝温度决定于冷却水温度及冷凝器形式，所以两个不同的蒸发温度系统可以选用相同的冷凝温度，共用一套冷凝系统，这样可以简化系统，节省资金，更经济。

3.4 采用制冷压缩机的形式

表3.2 制冷压缩机形式对比

3.5 冻结、冷藏的冷却设备的形式

3.5.1 冷藏间的冷却设备的形式

表3.3 冷藏间冷却设备形式对比

3.5.2 冻结间的冷却设备的形式

表3.3 冻结间冷却设备形式对比