張偉 趙輝/文

庫架合一式超節(jié)能自動化立體冷庫的優(yōu)化設計

張偉 趙輝/文

近年來國內冷庫建設項目越來越多，規(guī)模越來越大，市場競爭日益激烈。冷庫企業(yè)在為客戶提供增值服務的同時，如何降低冷庫運營費用成為關注的焦點。本文詳細介紹了山綠冷鏈自動化立體冷庫的建筑情況、自動化物流系統(tǒng)與制冷系統(tǒng)設計與構成，并分析了工業(yè)4.0時代現(xiàn)代化冷庫的建設趨勢和運營效果，值得借鑒。

庫架合一、自動化立體冷庫、節(jié)能、CO2制冷

隨著冷凍冷藏食品的消費量快速上升，冷鏈物流越來越受到關注，全國興起冷庫建設的熱潮。同時，生鮮電商的迅猛增長推動著冷庫建設從“低溫倉儲型”向“冷鏈倉儲配送型”轉變，而且冷庫規(guī)模也在向超大型化發(fā)展。

武漢山綠冷鏈物流有限公司（簡稱“山綠冷鏈”）是山綠農產品股份有限公司旗下從事第三方綜合物流的子公司，成立于2007年，是集儲存、配送、加工、氣調、速凍、預冷、制冰等為一體的專業(yè)冷鏈物流服務供應商，擁有華中地區(qū)最具規(guī)模的現(xiàn)代化農產品物流配送中心，是肯德基、麥當勞華中五省配送總站。公司一期冷庫為凈空高9米的10000m2高架冷藏庫和10000m2高架冷凍庫。

隨著業(yè)務量的不斷增加以及揀選、改包、貼標等延伸服務的擴展，原有冷庫容量和功能配置已遠遠不能滿足需求。山綠冷鏈經過考察、論證、比選，最終確定按國際最先進理念建設新一代低溫物流冷庫——全自動化立體冷庫。該項目由實力雄厚的自動化立體冷庫專業(yè)總承建商北京市京科倫工程技術有限公司（簡稱“京科倫”）整體承建，于2014年底開工建設，2016年6月正式上線運營。

調節(jié)提升機

一、項目概況

1.建筑規(guī)模

山綠冷庫為裝配式全自動立體低溫物流配送冷庫，由冷庫和附屬樓組成。

冷庫長約83.6米，寬約59米，檐高約30米，建筑面積約5000m2，下沉式設計，凈容積為151200m3，為輕鋼結構。冷庫沿長度方向隔成兩間，保溫墻采用雙面304材質，內部填充聚氨酯，厚度為200mm；防護墻采用雙面彩鋼巖棉夾芯板，75mm，防火等級為A級；庫內隔墻為結構巖棉防火板，厚度為200mm；地坪選用四層擠塑板，每層厚度50mm，錯層鋪設；頂板內側鋼板為304材質，200-300mm聚氨酯噴涂，鋪設三元乙丙防水層，再加30mm混凝土面層。見圖1。

附屬樓長約17.5米，寬約59米，高約24.6米，為框架結構，內部保溫采用雙面彩鋼聚氨酯夾芯板。附屬樓共三層，通過兩部貨梯聯(lián)通。一層建有封閉式發(fā)貨站臺，溫度為0-10℃，共設置15個停車位。冷庫門為提升門，帶充氣門封和液壓升降平臺。一層還設置夾層，做為參觀走廊、配電間、設備間和監(jiān)控室（見圖2）。二層為低溫分選車間，設計溫度-18℃（見圖3）。三層為果蔬冷藏庫，設計溫度0-4℃（見圖4）。

冷庫和附屬樓通過雙層互鎖門（分別設置在一樓和二樓）連接。

表1：自動化立體冷庫基本參數(shù)

圖1：冷庫概貌

圖2：一層封閉式發(fā)貨站臺

圖3：二層低溫分選車間

圖4：三層果蔬庫

2.制冷系統(tǒng)主要設備配置

（1）單一CO2活塞并聯(lián)制冷機組

（2）特殊研發(fā)定制排管蒸發(fā)器

（3）冷凝器：特殊研發(fā)制造的土壤源地源冷凝器。

（4）一樓冷風機：LLK.P335，5臺。每臺在-10/25℃工況下，制冷量60kw，功率3kw。

（5）二樓冷風機：VRZ-624510，5臺。每臺在-25/25℃工況下，制冷量12kw，功率2kw。

（6）三樓冷風機：LLK.P152，5臺。每臺在-10/25℃工況下，制冷量25kw，功率2kw。

（7）地坪防凍：CO2排氣廢熱回收。

全新的建筑結構

1.庫架合一式鋼結構

按照GB 50072-2010《冷庫設計規(guī)范》和SBJ 17-2009《室外裝配冷庫設計規(guī)范》的要求，建筑高度超過24m時，冷庫建筑占地面積不能超過5000m2，每個防火分區(qū)為2500m2。采用常規(guī)式鋼結構設計，要達到24m或者更高，結構立柱至少為1000×600mm的H型鋼，勢必造成庫內部分空間無法使用，降低了單位面積使用率，增加了單位投資。

該項目建筑形式采用庫架合一式，貨架除承受貨物的荷載外，還作為庫房的骨架支撐著屋面和墻面圍護，即貨架兼作建筑物承重的結構，庫內無單獨結構立柱，最大程度地利用庫內空間，立柱、橫梁、連接件形成剛體，整體性好，不易變形。設計單位通過對鋼貨架結構在低溫環(huán)境下的整體力學分析與模擬，并建立模型，充分論證了設計的可行性。參見圖5、圖6。

2.無冷橋筏板基礎

常規(guī)室外裝配式冷庫，前期進行鋼結構施工時，通過在鋼柱和混凝土之間預埋設高強度隔熱擠塑板來杜絕冷橋，但是鋼柱和混凝土之間仍需要通過高強度螺栓貫穿保溫，無法完全避免冷橋。本項目采用筏板式基礎，貨架鋼結構埋設在混凝土中，混凝土全部置于隔熱擠塑板以上，保證了基礎部分完全無冷橋。

圖5： 庫架合一式鋼結構（左）與常規(guī)式鋼結構（右）對比

圖6： 常規(guī)鋼結構+分離式貨架

3.屋面體系

為了減少立柱，常規(guī)室外裝配式冷庫往往需要大的橫梁支撐，再考慮屋頂排水，導致貨架頂部與庫房頂部間有大量的空間無法利用。本項目采用虹吸式排水設計，屋面平緩，貨架頂部空間放置制冷設備，無任何浪費。相同的建筑高度，庫架合一式比常規(guī)式多安裝一層貨架（按2米層高考慮）。

4.圍護結構

圍護結構采用雙面304不銹鋼板現(xiàn)場焊接，形成全封閉外殼，內部注塑式整體發(fā)泡，200mm厚聚氨酯，解決了使用常規(guī)夾芯板現(xiàn)場拼接、拼縫漏冷的問題，整個立體庫就像一個超大冰箱，提高使用壽命的同時，大大降低了能耗。

保溫結構外加裝了75mm厚巖棉夾芯板，整個冷庫外圍護完全達到A級不燃的標準。參見圖7。

三、先進的物流系統(tǒng)

該項目的軟件分為五個子系統(tǒng)，由WMS倉儲管理系統(tǒng)、WCS倉儲控制系統(tǒng)、SCADA監(jiān)控系統(tǒng)、RF系統(tǒng)、ASS自動化分揀系統(tǒng)組成。在以下方面亮點突出：

1. 倉儲管理系統(tǒng)WMS

按照冷鏈倉儲行業(yè)的要求，進港車輛均需要首先通過溫度的監(jiān)測，車牌號、車廂溫度監(jiān)測均通過手持PAD拍照，單據(jù)由倉管人員和司機共同簽字后，上傳至WMS系統(tǒng)的“質檢單管理”，是收取“降溫費”和質量保證的依據(jù)。見圖8。

2.RF系統(tǒng)

本項目所有托盤均嵌入了RFID芯片，通過手持PAD系統(tǒng)，對RFID芯片自動讀取，對托盤貨物進行入庫組盤、單據(jù)確認、出庫等操作，支持混盤入出庫。

3.ASS分揀系統(tǒng)

結合客戶實際需求，本項目二樓設計為分揀車間，主要由ASS分揀系統(tǒng)來完成工作，具體包括吸盤機器人、托盤輸送線、輥筒輸送線、拆托盤機、托盤提升機等設備，共設置8個揀選工位，8名員工能同時進行16個終端客戶的貨物揀選，小到310mm×310mm×75mm，大到670mm×670mm×340mm尺寸的規(guī)則箱子均可以進行分揀?？刂飘嬅嬉妶D11。

圖7： 圍護結構

圖8：倉儲管理系統(tǒng)WMS

圖9：手持式PDA

圖10：PAD系統(tǒng)顯示畫面

圖11：分揀系統(tǒng)控制

圖11：分揀關鍵流程

客戶通過EDI格式把數(shù)據(jù)傳給山綠冷鏈的訂單室，訂單室把數(shù)據(jù)導入系統(tǒng)，形成出庫單，工作人員進行審核，通過后轉為分揀單，分揀工作人員選擇分揀站臺，開始進行分揀。系統(tǒng)收到指令后，堆垛機叉取托盤貨物，先將其送至二樓托盤輸送線，貨物抵達卸貨點后，吸盤機器人將托盤上的貨物取下，放在輥筒式輸送線上。貨物自動輸送至指定工位，工人將貨物取下，放在面前的空托盤上。工人可隨時通過提升機調節(jié)高度以方便擺放貨物。該單任務完成后，工人通過面前的電腦確認，貨物通過輸送線，堆垛機返回冷庫，等待執(zhí)行下一命令。

4.物流設備升級

冷庫環(huán)境特殊，低溫高濕，采用常規(guī)的輸送系統(tǒng)，如變頻電機，需要大量的傳感器來定位，傳感器不僅數(shù)量多，而且在此工況下故障率很高。系統(tǒng)承包商大膽采用了全伺服電機及控制系統(tǒng)，堆垛機、輸送線、高速互鎖門全部使用施耐德整體解決方案，布線舍棄常規(guī)電纜布置，全部采用動力母線排。如此大規(guī)模的應用，在國內倉儲自動化物流行業(yè)是首屈一指。見圖12。

鏈條輸送機全鋁合金框架，每臺輸送機的電源可以單獨切斷，單獨檢修，且不影響其他輸送機的正常運行；無托盤時保持禁止狀態(tài)，托盤到達時啟動，托盤離開后停止，節(jié)能的同時延長了電機軸承的壽命。輸送機運行速度由常規(guī)的12米/分鐘提升至30米/分鐘，并且托盤和貨物在轉運時始終保持相對靜止狀態(tài)，無打滑，防止貨物歪斜現(xiàn)象發(fā)生。

巷道堆垛機特殊制造，凈高28.2米，雙立柱式設計，鏈條式提升機構，帶配重，采用伺服式電機及控制系統(tǒng)。多臺堆垛機采用總線供電，任意一臺堆垛機及滑觸線都可以單獨檢修，電源可單獨切斷，且不影響其他堆垛機的正常運行。運行速度最快可達160米/分鐘，提升速度可達40米/分鐘。

一樓封閉站臺與立體冷庫連接用冷庫門為專利設計的環(huán)形雙道互鎖門，減少冷熱空氣對流，開關門響應時間僅2秒，能做到貨物通過門時，輸送線無需停止。門采用伺服電機，PLC、總線控制。門附近配置操作按鈕，且有狀態(tài)指示。安全方面配置了防夾開關和扭矩保護雙重安全裝置，以保證貨物及人員安全。

四、新型的制冷技術

隨著氟利昂淘汰期限的日益臨近，伴隨國內頻發(fā)的氨系統(tǒng)安全事故，本項目采用了CO2環(huán)保制冷系統(tǒng)。但不同于常規(guī)的CO2/NH3（氟）復疊或載冷系統(tǒng)，本項目采用了首創(chuàng)的單一C02制冷系統(tǒng)。

由于CO2的特性，在溫度高于臨界溫度時，無論多高的壓力，均不能使CO2液化，常規(guī)的做法一般采用復疊系統(tǒng)或增壓系統(tǒng)。復疊系統(tǒng)，高溫級采用氨或氟利昂作為制冷劑，低溫級采用CO2作為制冷劑，通過冷凝蒸發(fā)器將二者連接起來，高溫級的蒸發(fā)器作為低溫級CO2的冷凝器。增壓系統(tǒng)是根據(jù)壓力將系統(tǒng)分為3個區(qū)：高壓區(qū)、中壓區(qū)、低壓區(qū)。系統(tǒng)中設置低壓壓縮機和高壓壓縮機，來自低溫蒸發(fā)器的制冷劑氣體被低壓壓縮機吸入并壓縮，與來自旁通閥的制冷劑氣體混合，被高壓壓縮機吸入并壓縮，從而完成整個制冷循環(huán)。

本項目采用京科倫公司首創(chuàng)的單一CO2制冷劑，制冷機組由多臺壓縮機組成并聯(lián)式制冷機組，蒸發(fā)器采用頂排管或冷風機，系統(tǒng)可滿足中溫系統(tǒng)和低溫系統(tǒng)使用。運營一年多以來，庫溫長期維持在-18.5℃，溫度波動不超過0.5℃，庫內濕度超過85%。庫內18個溫度探測點溫差不超過0.5℃。見圖13。

圖12：升級后的物流設備

圖13：單一C02制冷系統(tǒng)

五、成效顯著

項目自2016年6月正式投入運營以來，每天工作8小時，進出貨量在800-1000托左右，除裝卸人員外（外包），運營人員僅7人（訂單室2人，庫管員2人，設備監(jiān)控與維護3人）。每天制冷系統(tǒng)用電量為2600-2800度，自動化設備用電量為400-500度，完全達到甚至超過了設計要求。

根據(jù)統(tǒng)計并經過專業(yè)權威機構鑒定，在24小時×365天運行條件下，立體冷庫耗電量為6.5度/立方米×年，遠遠低于國內先進冷庫60度/立方米×年，以及英國先進冷庫30度/立方米×年。

一年多以來，該項目運行平穩(wěn)，經營成本低，商戶入駐率高，運營效益高于同行業(yè)高端水平，取得了良好的口碑和知名度，實際收益和帶動效益顯著。

另外，從運營成本、安全環(huán)保、節(jié)能高效、信息化、自動化等多方面來看，該新型自動化立體冷庫項目在同行業(yè)中具備明顯優(yōu)勢。可以預見，采用該技術建造冷庫必將成為潮流。

六、項目成功的關鍵

自動化立體冷庫是一整套復雜的技術集合體，主要技術包括：建筑結構技術、制冷技術、墻體保溫技術，自動化物流技術等，應用到的設備主要有堆垛機、輸送機、貨架、冷凍庫門、制冷機組、保溫材料、倉儲管理系統(tǒng)、自動化調度監(jiān)控系統(tǒng)等，其設計和施工需要非常專業(yè)的整體性和統(tǒng)籌性。業(yè)主方在該項目中采取了EPC（工程總承包）模式，由經驗豐富的京科倫作為總承包商負責整個項目的實施過程，有效解決設計與施工的銜接問題，減少設計、采購、制造、施工各個環(huán)節(jié)的時間，順利解決施工方案中的實用性、技術性、安全性之間的矛盾，工作范圍和責任界限清晰，項目按期、保質完工，并超過了預期的效果。

作者單位為北京市京科倫工程技術有限公司