文｜北京市京科倫工程技術有限公司

張偉 趙輝

近年來國內冷庫建設項目越來越多，規模越來越大，市場競爭日益激烈。冷庫企業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、自動化物流系統與制冷系統設計與構成，并分析了工業4.0時代現代化冷庫的建設趨勢和運營效果，值得借鑒。

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，而且冷庫規模也在向超大型化發展。

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冷鏈物流服務供應商，擁有華中地區最具規模的現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。

一、項目概況

1.建筑規模

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。

圖1：冷庫概貌

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，通過兩部貨梯聯通。一層建有封閉式發貨站臺，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、設備間和監控室（見圖2）。

圖2：一層封閉式發貨站臺

二層為低溫分選車間，設計溫度-18℃（見圖3）。

圖3：二層低溫分選車間

三層為果蔬冷藏庫，設計溫度0-4℃（見圖4）。

圖4：三層果蔬庫

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。

2.制冷系統主要設備配置

（1）單一CO2活塞并聯制冷機組

（2）特殊研發定制排管蒸發器

（3）冷凝器：特殊研發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。

二、全新的建筑結構

1.庫架合一式鋼結構

按照GB 50072-2010《冷庫設計規范》和SBJ 17-2009《室外裝配冷庫設計規范》的要求，建筑高度超過24m時，冷庫建筑占地面積不能超過5000m2，每個防火分區為2500m2。采用常規式鋼結構設計，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。

圖5：庫架合一式鋼結構（左）與常規式鋼結構（右）對比

圖6：常規鋼結構+分離式貨架

2.無冷橋筏板基礎

常規室外裝配式冷庫，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。

3.屋面體系

為了減少立柱，常規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不銹鋼板現場焊接，形成全封閉外殼，內部注塑式整體發泡，200mm厚聚氨酯，解決了使用常規夾芯板現場拼接、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。

圖7：圍護結構

三、先進的物流系統

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

1.倉儲管理系統WMS

按照冷鏈倉儲行業的要求，進港車輛均需要首先通過溫度的監測，車牌號、車廂溫度監測均通過手持PAD拍照，單據由倉管人員和司機共同簽字后，上傳至WMS系統的“質檢單管理”，是收取“降溫費”和質量保證的依據。見圖8、圖9。

圖8：倉儲管理系統WMS

圖9：手持式PDA

2.RF系統

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

圖10：PAD系統顯示畫面

3.ASS分揀系統

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尺寸的規則箱子均可以進行分揀。控制畫面見圖11。

圖11：分揀系統控制

客戶通過EDI格式把數據傳給山綠冷鏈的訂單室，訂單室把數據導入系統，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，等待執行下一命令。

分揀關鍵流程

4.物流設備升級

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

圖12：升級后的物流設備

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，托盤到達時啟動，托盤離開后停止，節能的同時延長了電機軸承的壽命。輸送機運行速度由常規的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，無打滑，防止貨物歪斜現象發生。

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。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，伴隨國內頻發的氨系統安全事故，本項目采用了CO2環保制冷系統。但不同于常規的CO2/NH3（氟）復疊或載冷系統，本項目采用了首創的單一C02制冷系統。

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，常規的做法一般采用復疊系統或增壓系統。復疊系統，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，通過冷凝蒸發器將二者連接起來，高溫級的蒸發器作為低溫級CO2的冷凝器。增壓系統是根據壓力將系統分為3個區：高壓區、中壓區、低壓區。系統中設置低壓壓縮機和高壓壓縮機，來自低溫蒸發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。

本項目采用京科倫公司首創的單一CO2制冷劑，制冷機組由多臺壓縮機組成并聯式制冷機組，蒸發器采用頂排管或冷風機，系統可滿足中溫系統和低溫系統使用。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13：單一C02制冷系統

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，設備監控與維護3人）。每天制冷系統用電量為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。

根據統計并經過專業權威機構鑒定，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，經營成本低，商戶入駐率高，運營效益高于同行業高端水平，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、安全環保、節能高效、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中具備明顯優勢。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、自動化調度監控系統等，其設計和施工需要非常專業的整體性和統籌性。業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、施工各個環節的時間，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。