冷库项目如何进行制冷系统选择——双碳时代冷库用制冷系统如何选择,环保、节能、初投资能否兼顾

汉钟精机制冷事业部经理 谢鹏

一、冷库市场现状简述

疫情爆发之后,冷链行业加速发展,同时政府出台相关政策意见为行业发展带来良好政策环境,电商冷链物流系统的发展以及食品加工企业产能扩充,从需求侧驱动冷链设备的市场增容。冷链物流的主要设施包括冷库或低温物流中心、生鲜食品加工中心(包括中央厨房)、冷藏运输车、超市陈列柜等。而在冷链物流的所有环节中,冷库是朂核心的设施。随着人们生活水平的日益提高,中国居民消费能力持续增强,对冷冻冷藏食品的需求越来越大;以及社会对食品安全的关注加强,很多食品需要在生产、储存、运输等全过程冷链,促进了对冷库需求的增加。冷链是******内循环战略的一个重要载体,资本市场也在持续关注与进入该市场,加之电商物流头部企业的积极布局,使终端消费需求逐渐打开,也引导冷库市场与食品加工市场的持续扩容,从而整个冷冻冷藏市场保持两位数的稳定增长。

二、双碳时代对冷库制冷设备选择的影响

近年来我国推动的“双碳”政策,关乎我国的战略安全,也涉及到人类的未来。对于冷库应用而言,双碳政策主要涉及到两方面:

其一是直接碳排放的影响,主要表现在冷库制冷设备中制冷剂的选择。不同制冷剂的GWP值大小不同,GWP是一种物质产生温室效应的一个指数(GWP是在100年的时间框架内,各种温室气体的温室效应对应于相同效应的二氧化碳的质量。二氧化碳被作为参照气体。二氧化碳的GWP值定义为1,GWP值越大则说明该物质的温室效应越严重,即碳排当量越高)。所以选择不同的制冷剂也意味着环保性的不同,但由于制冷剂只有排放到大气才会产生相应的温室效应,如果能有效的降低制冷剂泄露量,即便选择GWP相对较高的制冷剂,对温室效应的影响也有限;

表1、冷库制冷设备中常用制冷剂特点

表2、制冷剂安全等级

其二是间接碳排放的影响,主要表现在冷库制冷设备的运行能效值COP,即单位制冷负荷下的耗电量,COP值越大则说明同样的制冷负荷下耗电量越小,越省电,折合为一次能源消耗量与碳排放量就越小;以万吨冷库为例,制冷系统占冷库建设成本的13%左右,水电费占冷库运营成本13%左右;据我们进一步与一些冷库建设方沟通了解到,制冷压缩机在冷库建设成本中仅占3~5%,但制冷压缩机在冷冻库项目中的耗电量占冷库总耗电量的85~90%左右。压缩机产品作为制冷系统的心脏,采用高效压缩机可以从根本上提升整个制冷系统的效率,来降低整个项目的运营费用,同时亦可降低一次能源碳排放量。

三、冷库新国标对冷库制冷设备选择的建议

新冷库设计标准《GB50072-2021 冷库设计规范》(以下简称《规范》)已于2021年12月1日正式实施,其中对冷库制冷系统的选择做出了如下要求与建议(以下6.3.3、6.3.4、6.3.5、6.3.6均为《规范》中制冷相关条款):

6.3.3 制冷剂的选择应符合下列规定:

1、对于生产性冷库和物流冷库,其中具有分拣、配货功能的穿堂或封闭站台不应采用氨直接蒸发制冷

2、商用冷库不应采用氨

3、大、中型冷库和大、中型制冷系统不宜采用卤代烃及其混合物在冷间内直接蒸发制冷

如上6.3.3对制冷剂的要求,总结为:

1、对于有人员有可能接触到制冷剂的场合,不应使用氨(NH3)作为制冷剂,以防氨泄漏带来的安全事故;

2、对于大中型制冷系统,不推荐使用R22\R507等GWP较高的氟利昂直接蒸发应用,因直接蒸发应用的系统往往制冷剂充注量较间接蒸发应用的系统大(间接蒸发应用即为载冷应用),而且直接蒸发应用的系统,因为在冷库现场有大量焊接施工,增加了系统泄露隐患,从而也增加了氟利昂泄漏带来的温室气体效应;而采用间接蒸发系统后,现场施工的管路都是载冷剂接触的部分,即便发生泄露,对环境的影响很少;故此项可理解为不推荐使用氟利昂工质的直接蒸发系统,但不明文规定不推荐使用氟利昂工质的间接蒸发系统(载冷系统),推测是因为间接蒸发系统(载冷系统)较直接蒸发系统多了一级换热温差,采用同样的制冷压缩机时能效要低5%-8%,且系统造价略高,故未做明文规定推荐与否,完全由项目本身的侧重点决定是否选用;

3、二氧化碳(CO2)未在文中体现,说明不明文规定也不推荐使用,推测是因为CO2在此类应用中环保性虽好,但因系统能效在某些应用中并不理想,且系统造价没有竞争力,故未做明文规定是推荐与否,完全由项目本身的侧重点决定是否选用;

6.3.4 载冷剂的选择应符合下列规定:

1、商用冷库不应采用氨水溶液载冷剂

2、氨水溶液载冷剂的质量浓度不应超过10%

3、对于大、中型制冷系统,载冷剂使用温度低于一5℃时,宜采用二氧化碳

4、盐水载冷剂的凝固温度应低于设计蒸发温度,并且温差不应小于5℃

如上6.3.4对载冷剂的要求,总结为:

1、对于人员有可能接触到载冷剂的场合,不应使用氨(NH3)作为载冷剂,以防氨泄漏带来的安全事故;

2、对于中、低温载冷应用,推荐使用二氧化碳(CO2)作为载冷剂。

6.3.5 大、中型的生产性冷库和物流冷库宜采用集中式制冷系统

6.3.6 对于制冷剂采用卤代烃及其混合物的直接蒸发制冷系统,不宜采用多倍循环供液

如上6.3.5&6.3.6对于系统的要求,总结为:

1、大中型冷库推荐采用集中式制冷系统,而不推荐分布式制冷系统;此项应该是由于一般集中式制冷系统的能效与运维较分布式制冷系统有优势,故推荐采用集中式制冷系统。

2、即便采用氟利昂的直接蒸发系统,也不推荐使用多倍循环供液的桶泵系统;此项与上述6.3.3第3点考量点相同,因直接蒸发系统氟利昂充注量较大,采用多倍循环供液的桶泵系统氟利昂充注量更大,且现场焊接点更多,出于环保考量,不推荐使用。

综上,新版冷库设计标准对制冷剂的选用推荐是基于双碳政策的直接碳排放影响与安全性考量,但未具体提及间接碳排放的影响,即系统能效的影响,不过仔细解读后可发现,其深层含义有考量到此因素。

四、双碳时代冷库用制冷系统如何选择

,环保、节能、初投资能否兼顾

据相关单位统计,目前市场上冷冻库的占比超过70%,是主流应用场景,不同应用场景的系统选择建议也不同,因篇幅有限,本文仅聚焦在冷冻库的对比分析,即-18至-25℃冻结物冷藏间的对比分析。

根据图2,我们分别从环保、节能、初投资三个方面进行分析说明:

A、环保方面

1、从上文《GB50072-2021 冷库设计规范》的解读可知,纯氟系统因为使用氟利昂作为制冷剂,而氟利昂有较高的GWP值,在标准中皆不推荐使用,所以对于以环保性作为项目******考量因素的项目,不宜使用此系统,不论是直膨或桶泵。

2、从上文《GB50072-2021 冷库设计规范》的解读可知,纯氨系统在环保性方面没有问题,但因氨的安全等级属于B2类,在人员有可能接触到氨的项目,不应使用此系统,若没有相关限制,则可使用该系统;因无论是标准抑或地方政策,目前对氨的使用限制仍然较多,故在下文对比中,将不再展开对使用氨作为制冷剂的系统分析。

3、从上文《GB50072-2021 冷库设计规范》的解读可知,CO2在环保性方面没有问题,因能效与造价考量,标准未明文规定是否推荐使用该系统,但若以环保性作为项目******考量因素的项目,且因氨的安全性限制无法使用,CO2复合系统是一个能较好满足项目需求的方案。至于是采用CO2复叠系统还是载冷系统,仍需结合节能、初投资整体考量。

B、节能方面

从表3可知,皆采用单级压缩技术时,R507/CO2复叠系统能效>纯R507系统能效>R507/CO2载冷系统能效,但若综合宽温区单机双级压缩技术考虑时:

1、对于非环保优先的项目,采用纯氟系统时,R507宽温区单机双级压缩系统较常规R507单级螺杆系统能效有明显优势。

2、对于环保优先的项目,采用CO2复合系统时,R507宽温区单机双级压缩/CO2载冷系统较R507单级压缩/CO2复叠系统能效有明显优势(复叠系统中再采用单机双级压缩技术对能效基本没有提升效果)。

综上,从节能方面来看,不论是环保优先的项目抑或非环保优先的项目,采用宽温区单机双级压缩技术皆在能效方面有一定优势。

C、 初投资方面

据调研得知(以下对比皆为设备成本对比,不含保温):

1、纯氟直膨系统较纯氟桶泵系统成本低10%-30%。

2、CO2复叠系统较纯氟桶泵系统相比,冷冻库单体5000平方成本差异70%-99.99%,单体1万平方成本差异30%-50%,单体2万平方成本差异10%左右(因为系统越大,桶泵系统的充氟利昂越多,成本越高,故差异逐渐减小)。

3、CO2载冷系统较CO2复叠系统成本低5%-10%。大体成本排序为:纯氟直膨系统<纯氟桶泵系统

综上,从三个维度综合考虑,且不考虑氨作为制冷剂的条件下:对于环保优先的项目,相较于R507/CO2复叠系统,R507宽温双级/CO2载冷系统无论是在节能性抑或初投资方面皆有一定优势;对于非环保优先的项目,相较于R507常规单级压缩系统,R507宽温区单机双级压缩系统在节能性有明显优势,且对于中大项目而言,造价相当。

此外,对于系统选择还应考虑全负载综合能效、融霜方式、维保费用、蒸发器形式、供液形式等,因本文篇幅有限,就不再展开分析。

五、项目分享

《项目案例——山东某 R507宽温区双级变频技术+CO2载冷冷藏库项目》

客户需求:该冷库原采用氨制冷系统,出于对安全性以及人工成本的考虑,对制冷系统进行改造。通过与客户的沟通,若采用直接制冷系统会导致氟充注量较大,造成运行成本高且不环保,综合考虑能效优势以及环保要求,朂后采用 R507宽温区双级变频压缩节能技术+CO2 载冷的间接制冷系统。

库温需求:-20℃设备应用:冷藏库(R507/CO2载冷系统)

货物信息:蔬菜、水果包装材料:纸箱、编织袋

冷库规模:共有 1#～4#库四间冷藏库,冷库尺寸见下表

该冷库属于中大型冷库,采用LT-S-V系列160匹宽温区双级变频压缩机,冷库末端蒸发器采用的顶排管布局,采用 R507/CO2间接制冷系统。通过载冷剂与制冷机组的蒸发器换热,从而带走冷库内物品的热量。CO2系统完全洁净,无冷冻油残留,运行换热效果远优于传统氨或氟系统,降温快,同时无须考虑制冷末端残留冷冻油的处理问题;载冷系统换热面积不会减少,同时采用宽温区双级变频压缩机根据库内负荷实时调节压缩机负载,在实现节能的同时保证库温需求。

用户反馈:全自动控制,相较于厂内旧的氨开启设备使用方便很多。在安全性、气味等提升很多,运行电费低,除霜周期长,稳定性好,使用无不良反馈,且二期项目已依旧采用该类系统。

环保效益:现场使用 CO2低压循环桶 5.8m3,相比于 R507(GWP="3990"),CO2减排3990 倍。

能效收益:采用了宽温区双级变频压缩技术,节能效果明显。载冷端使用 CO2作为载冷剂时,由于 CO2优良的性能,在作为载冷剂时,具有冰点低,黏度小、可减少载冷剂输送过程中的压力损失,泵功率可节约 90%,载冷剂分布更均匀,并且蒸发器无油膜覆盖,换热效率高。因此即使载冷存在一定的换热温差,但使用 R507宽温区双级压缩节能技术+CO2载冷的组合,在相较于各种 CO2 复叠技术能效皆有一定优势。蒸发器形式采用顶排铝排管,管径为 25mm,采用双管制热气融霜设计。使用二氧化碳作为载冷剂,由于二氧化碳热容量非常大、换热效率高,因此蒸发器的换热温差小,此设备运行两年多仍无需除霜。由于除霜周期长,货物干耗少,储存水果、蔬菜等产品时,减少了果蔬水分丢失,保障了货物的价值,且项目电费极低,详见下表:

《项目案例——天津某知名快递平台干改冷物流冷库项目》

改造前期的土建消防和规划报审以及库区结构加固,是本项目实施的重要保证。由于该工程原设计为干仓,按照冷库设计规范及现有消防设计规范的要求,需要重新划分防火区,并进行消防认证。该项目被划分为3个防火区,每个防火区采取了防火性能更强的设计措施,以保证本项目的顺利实施:同时,由于原有月台未封闭,为保证改造后冷库运营的质量,对改造部分的月台进行了封闭处理,并报规划部门重新审批,保证了冷库改造的合规性。

改造后的冷藏库共分为8间冷藏间和2个穿堂,其中3间变温库,4间低温库,1间中高温库(温区详见下表)。

综合分析,此项目为快递用物流周转库,皆为R507纯氟直膨系统,蒸发器采用冷风机,其中冷冻库采用了宽温区双级压缩技术,能效较常规单级压缩技术高约25%左右。据用户统计反馈,21年10、11月每平方每天耗电量约0.27元至0.3元,预测年平均每平方每天耗电量约0.4元左右。

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