冷庫項目如何進行制冷系統(tǒng)選擇——雙碳時代冷庫用制冷系統(tǒng)如何選擇,環(huán)保、節(jié)能、初投資能否兼顧

漢鐘精機制冷事業(yè)部經(jīng)理 謝鵬

一、冷庫市場現(xiàn)狀簡述

疫情爆發(fā)之后,冷鏈行業(yè)加速發(fā)展,同時政府出臺相關(guān)政策意見為行業(yè)發(fā)展帶來良好政策環(huán)境,電商冷鏈物流系統(tǒng)的發(fā)展以及食品加工企業(yè)產(chǎn)能擴充,從需求側(cè)驅(qū)動冷鏈設(shè)備的市場增容。冷鏈物流的主要設(shè)施包括冷庫或低溫物流中心、生鮮食品加工中心(包括中央廚房)、冷藏運輸車、超市陳列柜等。而在冷鏈物流的所有環(huán)節(jié)中,冷庫是朂核心的設(shè)施。隨著人們生活水平的日益提高,中國居民消費能力持續(xù)增強,對冷凍冷藏食品的需求越來越大;以及社會對食品安全的關(guān)注加強,很多食品需要在生產(chǎn)、儲存、運輸?shù)热^程冷鏈,促進了對冷庫需求的增加。冷鏈是******內(nèi)循環(huán)戰(zhàn)略的一個重要載體,資本市場也在持續(xù)關(guān)注與進入該市場,加之電商物流頭部企業(yè)的積極布局,使終端消費需求逐漸打開,也引導冷庫市場與食品加工市場的持續(xù)擴容,從而整個冷凍冷藏市場保持兩位數(shù)的穩(wěn)定增長。

二、雙碳時代對冷庫制冷設(shè)備選擇的影響

近年來我國推動的“雙碳”政策,關(guān)乎我國的戰(zhàn)略安全,也涉及到人類的未來。對于冷庫應用而言,雙碳政策主要涉及到兩方面:

其一是直接碳排放的影響,主要表現(xiàn)在冷庫制冷設(shè)備中制冷劑的選擇。不同制冷劑的GWP值大小不同,GWP是一種物質(zhì)產(chǎn)生溫室效應的一個指數(shù)(GWP是在100年的時間框架內(nèi),各種溫室氣體的溫室效應對應于相同效應的二氧化碳的質(zhì)量。二氧化碳被作為參照氣體。二氧化碳的GWP值定義為1,GWP值越大則說明該物質(zhì)的溫室效應越嚴重,即碳排當量越高)。所以選擇不同的制冷劑也意味著環(huán)保性的不同,但由于制冷劑只有排放到大氣才會產(chǎn)生相應的溫室效應,如果能有效的降低制冷劑泄露量,即便選擇GWP相對較高的制冷劑,對溫室效應的影響也有限;

表1、冷庫制冷設(shè)備中常用制冷劑特點

表2、制冷劑安全等級

其二是間接碳排放的影響,主要表現(xiàn)在冷庫制冷設(shè)備的運行能效值COP,即單位制冷負荷下的耗電量,COP值越大則說明同樣的制冷負荷下耗電量越小,越省電,折合為一次能源消耗量與碳排放量就越小;以萬噸冷庫為例,制冷系統(tǒng)占冷庫建設(shè)成本的13%左右,水電費占冷庫運營成本13%左右;據(jù)我們進一步與一些冷庫建設(shè)方溝通了解到,制冷壓縮機在冷庫建設(shè)成本中僅占3~5%,但制冷壓縮機在冷凍庫項目中的耗電量占冷庫總耗電量的85~90%左右。壓縮機產(chǎn)品作為制冷系統(tǒng)的心臟,采用高效壓縮機可以從根本上提升整個制冷系統(tǒng)的效率,來降低整個項目的運營費用,同時亦可降低一次能源碳排放量。

三、冷庫新國標對冷庫制冷設(shè)備選擇的建議

新冷庫設(shè)計標準《GB50072-2021 冷庫設(shè)計規(guī)范》(以下簡稱《規(guī)范》)已于2021年12月1日正式實施,其中對冷庫制冷系統(tǒng)的選擇做出了如下要求與建議(以下6.3.3、6.3.4、6.3.5、6.3.6均為《規(guī)范》中制冷相關(guān)條款):

6.3.3 制冷劑的選擇應符合下列規(guī)定:

1、對于生產(chǎn)性冷庫和物流冷庫,其中具有分揀、配貨功能的穿堂或封閉站臺不應采用氨直接蒸發(fā)制冷

2、商用冷庫不應采用氨

3、大、中型冷庫和大、中型制冷系統(tǒng)不宜采用鹵代烴及其混合物在冷間內(nèi)直接蒸發(fā)制冷

如上6.3.3對制冷劑的要求,總結(jié)為:

1、對于有人員有可能接觸到制冷劑的場合,不應使用氨(NH3)作為制冷劑,以防氨泄漏帶來的安全事故;

2、對于大中型制冷系統(tǒng),不推薦使用R22\R507等GWP較高的氟利昂直接蒸發(fā)應用,因直接蒸發(fā)應用的系統(tǒng)往往制冷劑充注量較間接蒸發(fā)應用的系統(tǒng)大(間接蒸發(fā)應用即為載冷應用),而且直接蒸發(fā)應用的系統(tǒng),因為在冷庫現(xiàn)場有大量焊接施工,增加了系統(tǒng)泄露隱患,從而也增加了氟利昂泄漏帶來的溫室氣體效應;而采用間接蒸發(fā)系統(tǒng)后,現(xiàn)場施工的管路都是載冷劑接觸的部分,即便發(fā)生泄露,對環(huán)境的影響很少;故此項可理解為不推薦使用氟利昂工質(zhì)的直接蒸發(fā)系統(tǒng),但不明文規(guī)定不推薦使用氟利昂工質(zhì)的間接蒸發(fā)系統(tǒng)(載冷系統(tǒng)),推測是因為間接蒸發(fā)系統(tǒng)(載冷系統(tǒng))較直接蒸發(fā)系統(tǒng)多了一級換熱溫差,采用同樣的制冷壓縮機時能效要低5%-8%,且系統(tǒng)造價略高,故未做明文規(guī)定推薦與否,完全由項目本身的側(cè)重點決定是否選用;

3、二氧化碳(CO2)未在文中體現(xiàn),說明不明文規(guī)定也不推薦使用,推測是因為CO2在此類應用中環(huán)保性雖好,但因系統(tǒng)能效在某些應用中并不理想,且系統(tǒng)造價沒有競爭力,故未做明文規(guī)定是推薦與否,完全由項目本身的側(cè)重點決定是否選用;

6.3.4 載冷劑的選擇應符合下列規(guī)定:

1、商用冷庫不應采用氨水溶液載冷劑

2、氨水溶液載冷劑的質(zhì)量濃度不應超過10%

3、對于大、中型制冷系統(tǒng),載冷劑使用溫度低于一5℃時,宜采用二氧化碳

4、鹽水載冷劑的凝固溫度應低于設(shè)計蒸發(fā)溫度,并且溫差不應小于5℃

如上6.3.4對載冷劑的要求,總結(jié)為:

1、對于人員有可能接觸到載冷劑的場合,不應使用氨(NH3)作為載冷劑,以防氨泄漏帶來的安全事故;

2、對于中、低溫載冷應用,推薦使用二氧化碳(CO2)作為載冷劑。

6.3.5 大、中型的生產(chǎn)性冷庫和物流冷庫宜采用集中式制冷系統(tǒng)

6.3.6 對于制冷劑采用鹵代烴及其混合物的直接蒸發(fā)制冷系統(tǒng),不宜采用多倍循環(huán)供液

如上6.3.5&6.3.6對于系統(tǒng)的要求,總結(jié)為:

1、大中型冷庫推薦采用集中式制冷系統(tǒng),而不推薦分布式制冷系統(tǒng);此項應該是由于一般集中式制冷系統(tǒng)的能效與運維較分布式制冷系統(tǒng)有優(yōu)勢,故推薦采用集中式制冷系統(tǒng)。

2、即便采用氟利昂的直接蒸發(fā)系統(tǒng),也不推薦使用多倍循環(huán)供液的桶泵系統(tǒng);此項與上述6.3.3第3點考量點相同,因直接蒸發(fā)系統(tǒng)氟利昂充注量較大,采用多倍循環(huán)供液的桶泵系統(tǒng)氟利昂充注量更大,且現(xiàn)場焊接點更多,出于環(huán)?？剂?/span>,不推薦使用。

綜上,新版冷庫設(shè)計標準對制冷劑的選用推薦是基于雙碳政策的直接碳排放影響與安全性考量,但未具體提及間接碳排放的影響,即系統(tǒng)能效的影響,不過仔細解讀后可發(fā)現(xiàn),其深層含義有考量到此因素。

四、雙碳時代冷庫用制冷系統(tǒng)如何選擇

,環(huán)保、節(jié)能、初投資能否兼顧

據(jù)相關(guān)單位統(tǒng)計,目前市場上冷凍庫的占比超過70%,是主流應用場景,不同應用場景的系統(tǒng)選擇建議也不同,因篇幅有限,本文僅聚焦在冷凍庫的對比分析,即-18至-25℃凍結(jié)物冷藏間的對比分析。

根據(jù)圖2,我們分別從環(huán)保、節(jié)能、初投資三個方面進行分析說明:

A、環(huán)保方面

1、從上文《GB50072-2021 冷庫設(shè)計規(guī)范》的解讀可知,純氟系統(tǒng)因為使用氟利昂作為制冷劑,而氟利昂有較高的GWP值,在標準中皆不推薦使用,所以對于以環(huán)保性作為項目******考量因素的項目,不宜使用此系統(tǒng),不論是直膨或桶泵。

2、從上文《GB50072-2021 冷庫設(shè)計規(guī)范》的解讀可知,純氨系統(tǒng)在環(huán)保性方面沒有問題,但因氨的安全等級屬于B2類,在人員有可能接觸到氨的項目,不應使用此系統(tǒng),若沒有相關(guān)限制,則可使用該系統(tǒng);因無論是標準抑或地方政策,目前對氨的使用限制仍然較多,故在下文對比中,將不再展開對使用氨作為制冷劑的系統(tǒng)分析。

3、從上文《GB50072-2021 冷庫設(shè)計規(guī)范》的解讀可知,CO2在環(huán)保性方面沒有問題,因能效與造價考量,標準未明文規(guī)定是否推薦使用該系統(tǒng),但若以環(huán)保性作為項目******考量因素的項目,且因氨的安全性限制無法使用,CO2復合系統(tǒng)是一個能較好滿足項目需求的方案。至于是采用CO2復疊系統(tǒng)還是載冷系統(tǒng),仍需結(jié)合節(jié)能、初投資整體考量。

B、節(jié)能方面

從表3可知,皆采用單級壓縮技術(shù)時,R507/CO2復疊系統(tǒng)能效>純R507系統(tǒng)能效>R507/CO2載冷系統(tǒng)能效,但若綜合寬溫區(qū)單機雙級壓縮技術(shù)考慮時:

1、對于非環(huán)保優(yōu)先的項目,采用純氟系統(tǒng)時,R507寬溫區(qū)單機雙級壓縮系統(tǒng)較常規(guī)R507單級螺桿系統(tǒng)能效有明顯優(yōu)勢。

2、對于環(huán)保優(yōu)先的項目,采用CO2復合系統(tǒng)時,R507寬溫區(qū)單機雙級壓縮/CO2載冷系統(tǒng)較R507單級壓縮/CO2復疊系統(tǒng)能效有明顯優(yōu)勢(復疊系統(tǒng)中再采用單機雙級壓縮技術(shù)對能效基本沒有提升效果)。

綜上,從節(jié)能方面來看,不論是環(huán)保優(yōu)先的項目抑或非環(huán)保優(yōu)先的項目,采用寬溫區(qū)單機雙級壓縮技術(shù)皆在能效方面有一定優(yōu)勢。

C、 初投資方面

據(jù)調(diào)研得知(以下對比皆為設(shè)備成本對比,不含保溫):

1、純氟直膨系統(tǒng)較純氟桶泵系統(tǒng)成本低10%-30%。

2、CO2復疊系統(tǒng)較純氟桶泵系統(tǒng)相比,冷凍庫單體5000平方成本差異70%-99.99%,單體1萬平方成本差異30%-50%,單體2萬平方成本差異10%左右(因為系統(tǒng)越大,桶泵系統(tǒng)的充氟利昂越多,成本越高,故差異逐漸減小)。

3、CO2載冷系統(tǒng)較CO2復疊系統(tǒng)成本低5%-10%。大體成本排序為:純氟直膨系統(tǒng)<純氟桶泵系統(tǒng)

綜上,從三個維度綜合考慮,且不考慮氨作為制冷劑的條件下:對于環(huán)保優(yōu)先的項目,相較于R507/CO2復疊系統(tǒng),R507寬溫雙級/CO2載冷系統(tǒng)無論是在節(jié)能性抑或初投資方面皆有一定優(yōu)勢;對于非環(huán)保優(yōu)先的項目,相較于R507常規(guī)單級壓縮系統(tǒng),R507寬溫區(qū)單機雙級壓縮系統(tǒng)在節(jié)能性有明顯優(yōu)勢,且對于中大項目而言,造價相當。

此外,對于系統(tǒng)選擇還應考慮全負載綜合能效、融霜方式、維保費用、蒸發(fā)器形式、供液形式等,因本文篇幅有限,就不再展開分析。

五、項目分享

《項目案例——山東某 R507寬溫區(qū)雙級變頻技術(shù)+CO2載冷冷藏庫項目》

客戶需求:該冷庫原采用氨制冷系統(tǒng),出于對安全性以及人工成本的考慮,對制冷系統(tǒng)進行改造。通過與客戶的溝通,若采用直接制冷系統(tǒng)會導致氟充注量較大,造成運行成本高且不環(huán)保,綜合考慮能效優(yōu)勢以及環(huán)保要求,朂后采用 R507寬溫區(qū)雙級變頻壓縮節(jié)能技術(shù)+CO2 載冷的間接制冷系統(tǒng)。

庫溫需求:-20℃設(shè)備應用:冷藏庫(R507/CO2載冷系統(tǒng))

貨物信息:蔬菜、水果包裝材料:紙箱、編織袋

冷庫規(guī)模:共有 1#～4#庫四間冷藏庫,冷庫尺寸見下表

該冷庫屬于中大型冷庫,采用LT-S-V系列160匹寬溫區(qū)雙級變頻壓縮機,冷庫末端蒸發(fā)器采用的頂排管布局,采用 R507/CO2間接制冷系統(tǒng)。通過載冷劑與制冷機組的蒸發(fā)器換熱,從而帶走冷庫內(nèi)物品的熱量。CO2系統(tǒng)完全潔凈,無冷凍油殘留,運行換熱效果遠優(yōu)于傳統(tǒng)氨或氟系統(tǒng),降溫快,同時無須考慮制冷末端殘留冷凍油的處理問題;載冷系統(tǒng)換熱面積不會減少,同時采用寬溫區(qū)雙級變頻壓縮機根據(jù)庫內(nèi)負荷實時調(diào)節(jié)壓縮機負載,在實現(xiàn)節(jié)能的同時保證庫溫需求。

用戶反饋:全自動控制,相較于廠內(nèi)舊的氨開啟設(shè)備使用方便很多。在安全性、氣味等提升很多,運行電費低,除霜周期長,穩(wěn)定性好,使用無不良反饋,且二期項目已依舊采用該類系統(tǒng)。

環(huán)保效益:現(xiàn)場使用 CO2低壓循環(huán)桶 5.8m3,相比于 R507(GWP="3990"),CO2減排3990 倍。

能效收益:采用了寬溫區(qū)雙級變頻壓縮技術(shù),節(jié)能效果明顯。載冷端使用 CO2作為載冷劑時,由于 CO2優(yōu)良的性能,在作為載冷劑時,具有冰點低,黏度小、可減少載冷劑輸送過程中的壓力損失,泵功率可節(jié)約 90%,載冷劑分布更均勻,并且蒸發(fā)器無油膜覆蓋,換熱效率高。因此即使載冷存在一定的換熱溫差,但使用 R507寬溫區(qū)雙級壓縮節(jié)能技術(shù)+CO2載冷的組合,在相較于各種 CO2 復疊技術(shù)能效皆有一定優(yōu)勢。蒸發(fā)器形式采用頂排鋁排管,管徑為 25mm,采用雙管制熱氣融霜設(shè)計。使用二氧化碳作為載冷劑,由于二氧化碳熱容量非常大、換熱效率高,因此蒸發(fā)器的換熱溫差小,此設(shè)備運行兩年多仍無需除霜。由于除霜周期長,貨物干耗少,儲存水果、蔬菜等產(chǎn)品時,減少了果蔬水分丟失,保障了貨物的價值,且項目電費極低,詳見下表:

《項目案例——天津某知名快遞平臺干改冷物流冷庫項目》

改造前期的土建消防和規(guī)劃報審以及庫區(qū)結(jié)構(gòu)加固,是本項目實施的重要保證。由于該工程原設(shè)計為干倉,按照冷庫設(shè)計規(guī)范及現(xiàn)有消防設(shè)計規(guī)范的要求,需要重新劃分防火區(qū),并進行消防認證。該項目被劃分為3個防火區(qū),每個防火區(qū)采取了防火性能更強的設(shè)計措施,以保證本項目的順利實施:同時,由于原有月臺未封閉,為保證改造后冷庫運營的質(zhì)量,對改造部分的月臺進行了封閉處理,并報規(guī)劃部門重新審批,保證了冷庫改造的合規(guī)性。

改造后的冷藏庫共分為8間冷藏間和2個穿堂,其中3間變溫庫,4間低溫庫,1間中高溫庫(溫區(qū)詳見下表)。

綜合分析,此項目為快遞用物流周轉(zhuǎn)庫,皆為R507純氟直膨系統(tǒng),蒸發(fā)器采用冷風機,其中冷凍庫采用了寬溫區(qū)雙級壓縮技術(shù),能效較常規(guī)單級壓縮技術(shù)高約25%左右。據(jù)用戶統(tǒng)計反饋,21年10、11月每平方每天耗電量約0.27元至0.3元,預測年平均每平方每天耗電量約0.4元左右。

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