库架合一式超节能自动化立体冷库的优化设计

近年来国内冷库建设项目越来越多，规模越来越大，市场竞争日益激烈。冷库企业在为客户提供增值服务的同时，如何降低冷库运营费用成为关注的焦点。本文详细介绍了山绿冷链自动化立体冷库的建筑情况、自动化物流系统与制冷系统设计与构成，并分析了工业4.0时代现代化冷库的建设趋势和运营效果，值得借鉴。

随着冷冻冷藏食品的消费量快速上升，冷链物流越来越受到关注，全国兴起冷库建设的热潮。同时，生鲜电商的迅猛增长推动着冷库建设从“低温仓储型”向“冷链仓储配送型”转变，而且冷库规模也在向超大型化发展。

武汉山绿冷链物流有限公司（简称“山绿冷链”）是山绿农产品股份有限公司旗下从事第三方综合物流的子公司，成立于2007年，是集储存、配送、加工、气调、速冻、预冷、制冰等为一体的专业冷链物流服务供应商，拥有华中地区最具规模的现代化农产品物流配送中心，是肯德基、麦当劳华中五省配送总站。公司一期冷库为净空高9米的10000m2高架冷藏库和10000m2高架冷冻库。

随着业务量的不断增加以及拣选、改包、贴标等延伸服务的扩展，原有冷库容量和功能配置已远远不能满足需求。山绿冷链经过考察、论证、比选，最终确定按国际最先进理念建设新一代低温物流冷库——全自动化立体冷库。该项目由实力雄厚的自动化立体冷库专业总承建商青岛德盛利智能装备股份有限公司（简称“德盛利”）整体承建，于2014年底开工建设，2016年6月正式上线运营。

一、项目概况

1.建筑规模

山绿冷库为装配式全自动立体低温物流配送冷库，由冷库和附属楼组成。

冷库长约83.6米，宽约59米，檐高约30米，建筑面积约5000m2，下沉式设计，净容积为151200m3，为轻钢结构。冷库沿长度方向隔成两间，保温墙采用双面304材质，内部填充聚氨酯，厚度为200mm；防护墙采用双面彩钢岩棉夹芯板，75mm，防火等级为A级；库内隔墙为结构岩棉防火板，厚度为200mm；地坪选用四层挤塑板，每层厚度50mm，错层铺设；顶板内侧钢板为304材质，200-300mm聚氨酯喷涂，铺设三元乙丙防水层，再加30mm混凝土面层。见图1。

图1：冷库概貌

附属楼长约17.5米，宽约59米，高约24.6米，为框架结构，内部保温采用双面彩钢聚氨酯夹芯板。附属楼共三层，通过两部货梯联通。一层建有封闭式发货站台，温度为0-10℃，共设置15个停车位。冷库门为提升门，带充气门封和液压升降平台。一层还设置夹层，做为参观走廊、配电间、设备间和监控室（见图2）。

图2：一层封闭式发货站台

二层为低温分选车间，设计温度-18℃（见图3）。

图3：二层低温分选车间

三层为果蔬冷藏库，设计温度0-4℃（见图4）。

图4：三层果蔬库

冷库和附属楼通过双层互锁门（分别设置在一楼和二楼）连接。

2.制冷系统主要设备配置

（1）单一CO2活塞并联制冷机组

（2）特殊研发定制排管蒸发器

（3）冷凝器：特殊研发制造的土壤源地源冷凝器。

（4）一楼冷风机：LLK.P335，5台。每台在-10/25℃工况下，制冷量60kw，功率3kw。

（5）二楼冷风机：VRZ-624510，5台。每台在-25/25℃工况下，制冷量12kw，功率2kw。

（6）三楼冷风机：LLK.P152，5台。每台在-10/25℃工况下，制冷量25kw，功率2kw。

（7）地坪防冻：CO2排气废热回收。

二、全新的建筑结构

1.库架合一式钢结构

按照GB 50072-2010《冷库设计规范》和SBJ 17-2009《室外装配冷库设计规范》的要求，建筑高度超过24m时，冷库建筑占地面积不能超过5000m2，每个防火分区为2500m2。采用常规式钢结构设计，要达到24m或者更高，结构立柱至少为1000×600mm的H型钢，势必造成库内部分空间无法使用，降低了单位面积使用率，增加了单位投资。

该项目建筑形式采用库架合一式，货架除承受货物的荷载外，还作为库房的骨架支撑着屋面和墙面围护，即货架兼作建筑物承重的结构，库内无单独结构立柱，最大程度地利用库内空间，立柱、横梁、连接件形成刚体，整体性好，不易变形。设计单位通过对钢货架结构在低温环境下的整体力学分析与模拟，并建立模型，充分论证了设计的可行性。参见图5、图6。

图5：库架合一式钢结构（左）与常规式钢结构（右）对比

图6：常规钢结构+分离式货架

2.无冷桥筏板基础

常规室外装配式冷库，前期进行钢结构施工时，通过在钢柱和混凝土之间预埋设高强度隔热挤塑板来杜绝冷桥，但是钢柱和混凝土之间仍需要通过高强度螺栓贯穿保温，无法完全避免冷桥。本项目采用筏板式基础，货架钢结构埋设在混凝土中，混凝土全部置于隔热挤塑板以上，保证了基础部分完全无冷桥。

3.屋面体系

为了减少立柱，常规室外装配式冷库往往需要大的横梁支撑，再考虑屋顶排水，导致货架顶部与库房顶部间有大量的空间无法利用。本项目采用虹吸式排水设计，屋面平缓，货架顶部空间放置制冷设备，无任何浪费。相同的建筑高度，库架合一式比常规式多安装一层货架（按2米层高考虑）。

4.围护结构

围护结构采用双面304不锈钢板现场焊接，形成全封闭外壳，内部注塑式整体发泡，200mm厚聚氨酯，解决了使用常规夹芯板现场拼接、拼缝漏冷的问题，整个立体库就像一个超大冰箱，提高使用寿命的同时，大大降低了能耗。

保温结构外加装了75mm厚岩棉夹芯板，整个冷库外围护完全达到A级不燃的标准。参见图7。

图7：围护结构

三、先进的物流系统

该项目的软件分为五个子系统，由WMS仓储管理系统、WCS仓储控制系统、SCADA监控系统、RF系统、ASS自动化分拣系统组成。在以下方面亮点突出：

1.仓储管理系统WMS

按照冷链仓储行业的要求，进港车辆均需要首先通过温度的监测，车牌号、车厢温度监测均通过手持PAD拍照，单据由仓管人员和司机共同签字后，上传至WMS系统的“质检单管理”，是收取“降温费”和质量保证的依据。见图8、图9。

图8：仓储管理系统WMS

图9：手持式PDA

2.RF系统

本项目所有托盘均嵌入了RFID芯片，通过手持PAD系统，对RFID芯片自动读取，对托盘货物进行入库组盘、单据确认、出库等操作，支持混盘入出库。

图10：PAD系统显示画面

3.ASS分拣系统

结合客户实际需求，本项目二楼设计为分拣车间，主要由ASS分拣系统来完成工作，具体包括吸盘机器人、托盘输送线、辊筒输送线、拆托盘机、托盘提升机等设备，共设置8个拣选工位，8名员工能同时进行16个终端客户的货物拣选，小到310mm×310mm×75mm，大到670mm×670mm×340mm尺寸的规则箱子均可以进行分拣。控制画面见图11。

图11：分拣系统控制

客户通过EDI格式把数据传给山绿冷链的订单室，订单室把数据导入系统，形成出库单，工作人员进行审核，通过后转为分拣单，分拣工作人员选择分拣站台，开始进行分拣。系统收到指令后，堆垛机叉取托盘货物，先将其送至二楼托盘输送线，货物抵达卸货点后，吸盘机器人将托盘上的货物取下，放在辊筒式输送线上。货物自动输送至指定工位，工人将货物取下，放在面前的空托盘上。工人可随时通过提升机调节高度以方便摆放货物。该单任务完成后，工人通过面前的电脑确认，货物通过输送线，堆垛机返回冷库，等待执行下一命令。

分拣关键流程

4.物流设备升级

冷库环境特殊，低温高湿，采用常规的输送系统，如变频电机，需要大量的传感器来定位，传感器不仅数量多，而且在此工况下故障率很高。系统承包商大胆采用了全伺服电机及控制系统，堆垛机、输送线、高速互锁门全部使用施耐德整体解决方案，布线舍弃常规电缆布置，全部采用动力母线排。如此大规模的应用，在国内仓储自动化物流行业是首屈一指。见图12。

图12：升级后的物流设备

链条输送机全铝合金框架，每台输送机的电源可以单独切断，单独检修，且不影响其他输送机的正常运行；无托盘时保持禁止状态，托盘到达时启动，托盘离开后停止，节能的同时延长了电机轴承的寿命。输送机运行速度由常规的12米/分钟提升至30米/分钟，并且托盘和货物在转运时始终保持相对静止状态，无打滑，防止货物歪斜现象发生。

巷道堆垛机特殊制造，净高28.2米，双立柱式设计，链条式提升机构，带配重，采用伺服式电机及控制系统。多台堆垛机采用总线供电，任意一台堆垛机及滑触线都可以单独检修，电源可单独切断，且不影响其他堆垛机的正常运行。运行速度最快可达160米/分钟，提升速度可达40米/分钟。

一楼封闭站台与立体冷库连接用冷库门为专利设计的环形双道互锁门，减少冷热空气对流，开关门响应时间仅2秒，能做到货物通过门时，输送线无需停止。门采用伺服电机，PLC、总线控制。门附近配置操作按钮，且有状态指示。安全方面配置了防夹开关和扭矩保护双重安全装置，以保证货物及人员安全。

四、新型的制冷技术

随着氟利昂淘汰期限的日益临近，伴随国内频发的氨系统安全事故，本项目采用了CO2环保制冷系统。但不同于常规的CO2/NH3（氟）复叠或载冷系统，本项目采用了首创的单一C02制冷系统。

由于CO2的特性，在温度高于临界温度时，无论多高的压力，均不能使CO2液化，常规的做法一般采用复叠系统或增压系统。复叠系统，高温级采用氨或氟利昂作为制冷剂，低温级采用CO2作为制冷剂，通过冷凝蒸发器将二者连接起来，高温级的蒸发器作为低温级CO2的冷凝器。增压系统是根据压力将系统分为3个区：高压区、中压区、低压区。系统中设置低压压缩机和高压压缩机，来自低温蒸发器的制冷剂气体被低压压缩机吸入并压缩，与来自旁通阀的制冷剂气体混合，被高压压缩机吸入并压缩，从而完成整个制冷循环。

本项目采用德盛利首创的单一CO2制冷剂，制冷机组由多台压缩机组成并联式制冷机组，蒸发器采用顶排管或冷风机，系统可满足中温系统和低温系统使用。运营一年多以来，库温长期维持在-18.5℃，温度波动不超过0.5℃，库内湿度超过85%。库内18个温度探测点温差不超过0.5℃。见图13。

图13：单一C02制冷系统

五、成效显著

项目自2016年6月正式投入运营以来，每天工作8小时，进出货量在800-1000托左右，除装卸人员外（外包），运营人员仅7人（订单室2人，库管员2人，设备监控与维护3人）。每天制冷系统用电量为2600-2800度，自动化设备用电量为400-500度，完全达到甚至超过了设计要求。

根据统计并经过专业权威机构鉴定，在24小时×365天运行条件下，立体冷库耗电量为6.5度/立方米×年，远远低于国内先进冷库60度/立方米×年，以及英国先进冷库30度/立方米×年。

一年多以来，该项目运行平稳，经营成本低，商户入驻率高，运营效益高于同行业高端水平，取得了良好的口碑和知名度，实际收益和带动效益显著。

另外，从运营成本、安全环保、节能高效、信息化、自动化等多方面来看，该新型自动化立体冷库项目在同行业中具备明显优势。可以预见，采用该技术建造冷库必将成为潮流。

六、项目成功的关键

自动化立体冷库是一整套复杂的技术集合体，主要技术包括：建筑结构技术、制冷技术、墙体保温技术，自动化物流技术等，应用到的设备主要有堆垛机、输送机、货架、冷冻库门、制冷机组、保温材料、仓储管理系统、自动化调度监控系统等，其设计和施工需要非常专业的整体性和统筹性。业主方在该项目中采取了EPC（工程总承包）模式，由经验丰富的京科伦作为总承包商负责整个项目的实施过程，有效解决设计与施工的衔接问题，减少设计、采购、制造、施工各个环节的时间，顺利解决施工方案中的实用性、技术性、安全性之间的矛盾，工作范围和责任界限清晰，项目按期、保质完工，并超过了预期的效果。