2.3.2 技術現狀概述

冷凍冷藏設施與冷鏈物流中心的建設與運營技術涉及食品、物流、規劃、建筑、制冷工藝與設備、自動化與信息等眾多學科，其中食品冷凍冷藏技術、設施建造技術、設施裝備技術對冷凍冷藏設施與冷鏈物流中心的建設和運營起決定性作用。經過多年的研究與實踐，尤其是歐美國家冷鏈建設需求的推動，上述技術體系已經比較完備，其理論體系相當成熟，但是隨著材料、機械、電子和信息等基礎技術的發展，上述技術仍在不斷進步，甚至取得連續突破。

國內從20世紀50年代開始持續建造冷凍冷藏設施，當時引進的是蘇聯的技術，冷卻間幾乎全部采用土建結構和氨集中式制冷系統，并且以此為核心建立了整套的設施建造、裝備制造、運營管理和人員培訓體系。我國從20世紀80年代開始全面引進歐美技術，例如鋼結構、聚氨酯保溫材料、螺桿制冷壓縮機、鹵代烴制冷系統、PLC控制等，直到20世紀末，原商業部一直在系統性地主持這套技術體系的引進、吸收和發展，主持編寫了《冷藏庫制冷工藝設計手冊》（商業部設計院1968年編印），后改名為《冷藏庫制冷設計手冊》（農業出版社1976年出版）、《冷庫制冷設計手冊》（農業出版社1991年出版）和《冷庫制冷技術》（中國財政經濟出版社1980年出版）等技術書籍，奠定了國內冷凍冷藏設施建設與運營技術體系的基礎，這些技術雖然來源于蘇聯和歐美國家，但是已經深度融合到國內的工商業生產體系中，并且發展成為一套具備“中國特色”的技術體系，因此從“十一五”“十二五”至今冷鏈行業能夠依托國內的物質基礎取得快速發展，甚至是人類歷史上最大規模的快速發展。

2.3.2.1 食品冷凍冷藏技術

食品冷凍冷藏技術的專業基礎是食品冷凍冷藏工藝學，食品冷凍冷藏工藝學的理論基礎主要由生物化學、物理化學、物性學、傳熱學和傳質學構成，對于果蔬預冷、肉禽冷卻、食品凍結和速凍等食品冷卻和凍結技術，前面的章節已經介紹，本節不再重復。食品冷藏技術主要分冷卻冷藏（通常稱為保鮮）和凍結冷藏，以及微凍冷藏（也稱為冰溫保鮮），經過多年的研究與實踐，尤其是歐美國家冷鏈建設需求的推動，上述理論體系已經比較成熟，目前的研究工作主要集中在應用領域。

與食品冷卻基本相同，食品冷卻冷藏的技術研究還是集中在果蔬采收后的生命代謝活動、肉禽和水產品宰后的生理及生化反應、微生物的生長和繁殖及其對食品的影響，研究機構和生產企業一直以各種果蔬和肉禽、水產品在不同溫度、包裝狀態、氣體環境等條件下的貨架期為主要研發內容，生產企業則更關心技術成果在生產應用時的成本與收益。由于果蔬和肉禽、水產品的種類繁多，生產地域和氣候條件各異，各個國家及地區的消費習慣千差萬別，生產要素成本也在不斷變化，因此上述研究工作幾乎沒有止境，無論國際還是國內都取得了大量的研究成果，本節不再一一介紹了。

與食品凍結和速凍不同，食品凍結冷藏階段主要面臨冰晶成長、色澤變化、干耗與凍結燒等問題，需要研究相應的技術解決或避免上述問題，否則食品品質和其商業價值將難以保持。現在相關理論研究已經揭示了上述問題的成因，并且建立了完整的理論體系，例如研究發現凍結食品內部存在冰晶組成的固相、未凍結水溶液組成的液相和水蒸氣組成的氣相，它們之間存在天然的水蒸氣壓差，使凍結過程中形成的冰晶在冷藏過程中不斷長大，冷藏溫度波動會加快這種變化，導致汁液流失等問題。應用研究主要集中于如何在保證食品品質的前提下延長冷藏時間（或在一定的冷藏時間內減弱食品品質的降低），同時還要盡量降低成本，研究從冷藏環境、包裝等多個角度開展。冷藏時間是實際生產中的一個重要問題，由于食品的品質除理化指標外，還包括風味、香味、質感、色澤等因素，是一個內涵比較復雜的概念，導致在實際生產中冷藏時間很難由理論研究成果直接推導出來，因此冷凍食品實用冷藏時間主要根據TTT（Time-Temperature Tolerance）方法預測，TTT方法同時用感官鑒定和理化指標檢測的方法標定特定狀態冷凍食品的冷藏時間與冷藏溫度之間的關系，根據TTT曲線可以計算冷凍食品在冷鏈流通過程中品質累積下降的程度，從而確定其冷藏時間。

微凍冷藏的原理是利用食品冰點一般低于0℃的特性，使食品在其冰點溫度附近冷藏，這時食品不會凍結，但是其生命代謝活動或生理及生化反應、微生物的生長和繁殖速度會降至最低，從而延長其保鮮時間。微凍冷藏對冷鏈體系的設施和設備、操作管理的要求很高，因此在國內目前粗放經營的行業大環境下應用很少，應用技術體系也不成熟。由于微凍冷藏能夠在保持食品物理和化學屬性的前提下最大限度延長食品貨架期，與冷卻冷藏相比能耗增加不多，與冷凍冷藏相比能耗大幅降低，因此是冷鏈技術體系的一個重點發展方向。

2.3.2.2 設施建造技術

歐美等發達國家和地區的冷鏈體系在實踐過程中形成了以冷凍冷藏設施為節點（生產、貯存、集配和銷售），以冷藏車、冷藏集裝箱為節點連接工具，以全程溫度監控為保障措施的生產模式。其中冷凍冷藏設施以房屋建筑為主體，因此冷凍冷藏設施建造技術實質上是房屋建筑工程技術的一個類別，主要包括規劃、建筑、結構、制冷工藝、采暖通風、給水排水和電氣等專業技術，到目前為止，國內冷鏈體系的建設一直在按照這個生產模式進行。

除制冷工藝專業，其他專業技術都是房屋建筑工程通用技術在冷凍冷藏建筑工程領域的應用，因此冷凍冷藏設施建造技術的發展水平基本上由房屋建筑工程通用技術的發展水平決定。保溫是冷凍冷藏設施的基本要求，在目前種類繁多的房屋建筑保溫技術中，聚氨酯泡沫塑料保溫技術最適合冷凍冷藏設施。聚氨酯泡沫塑料是由多異氰酸酯和聚醚多元醇等原料制成的聚合物，可通過改變原料的規格、品種和配方得到不同性能的成品，從而滿足不同的使用要求。用于冷凍冷藏設施保溫時，聚氨酯泡沫塑料具有導熱系數小、吸水率低、密度小、比強度大、穩定性好、加工性能優良等特點，并且能夠通過加入阻燃劑具備自熄性能。聚氨酯泡沫塑料在工程應用中有兩種方式，一是預制保溫板，通常采用金屬夾心形式，在工廠的生產線上制成標準尺寸的板材，在工程需要保溫的部位拼裝板材即可（圖2-55）；另外就是工程現場噴涂（灌注），把多異氰酸酯和聚醚多元醇等液體原料運至現場，通過噴涂（灌注）設備混合后直接在需要保溫的部位反應成形，現場噴涂（灌注）是聚氨酯泡沫塑料獨特的加工工藝，在冷凍冷藏設施保溫工程中具有不可替代的優勢，是保溫工程領域的一大技術進步（圖2-56）。相對于聚氨酯泡沫塑料，擠塑聚苯乙烯泡沫塑料雖然不能現場噴涂（灌注）、防火性能不佳，但是其抗壓性能比較好，因此目前多用于設施的地坪保溫。無論哪一類房屋建筑，結構都是最重要的組成部分，不僅決定建筑安全，而且對造價有重要影響，目前冷凍冷藏設施主要采用鋼筋混凝土結構和鋼結構，鋼筋混凝土結構主要用于多層和高層設施，為增加容積利用率，提升設施的性價比，往往采用無梁樓板和預應力混凝土結構技術。近些年鋼結構在單層冷凍冷藏設施上應用的優勢越來越明顯，例如跨度大、工期短、工廠預制率高等，其應用越來越普及，并且向大層高方向發展，實際工程中層高已經可以做到30m左右。

房屋建筑工程由于存在安全、環保等外部影響，并且其生產周期長、責任主體多，因此行政監管是絕大多數國家通行的做法，并且在行政監管框架下還有一系列的技術規范和標準對其設計、施工和檢測等技術進行了規定。冷凍冷藏設施建造也不例外，其規范和標準從應用角度可分為兩類，一類是比較通用的，各類或幾類建筑都適用，例如《工業企業總平面設計規范》《建筑設計防火規范》《建筑抗震設計規范》《建筑給水排水設計規范》《工業建筑供暖通風與空氣調節設計規范》《通用用電設備配電設計規范》等；一類是比較專用的，僅用于冷凍冷藏設施建造，例如《冷庫設計規范》《冷庫安全規程》等。經過多年的持續工作，我國已經建立了一套完整的行政監管和技術規范及標準體系，是冷凍冷藏設施建造技術健康發展的保障，并且隨著技術進步和時代發展，這套體系也一直在持續修訂，例如對于冷凍冷藏設施建造影響最大的《冷庫設計規范》，于1984年第一次頒布，隨后于2001和2010年進行修訂，最新的修訂工作已經于2015年開始。

2.3.2.3 冷凍冷藏設施裝備技術

對于冷凍冷藏設施，制冷系統是設施裝備的核心，冷凍冷藏設施裝備技術主要體現在制冷系統工程設計和施工環節。在社會生產中廣泛使用的各種制冷技術中，蒸氣壓縮制冷技術在冷凍冷藏行業應用最為廣泛，接近百分之百，主要原因是其成本較低、能效較高，因此冷凍冷藏設施裝備技術實際上就是蒸氣壓縮制冷系統的工程技術。

1.制冷系統工程設計技術

制冷系統工程設計主要包括負荷計算、系統形式比選、設備計算與比選、管道系統計算與比選、設備和管道的保冷與保溫設計、設備和管道布置等內容，目前在工程中主要執行《冷庫設計規范》GB 50072、《室外裝配冷庫設計規范》SBJ 17、《工業金屬管道設計規范》GB 50316和《壓力管道規范》GB/T 20801等技術規范。

負荷計算是設計的前提，《冷庫設計規范》GB 50072—2010專門用一節進行了詳細規定，這是一套根據工程經驗并利用系數修正的計算方法，主要內容是設備負荷和機械負荷計算，其核心內容已經使用多年，實踐中未發現明顯偏差，計算方法也簡單易行。得益于近年計算機技術的飛速發展，負荷逐時精確計算的客觀條件已經成熟，因此2010版《冷庫設計規范》修訂時進一步簡化了規范中有關負荷計算的條款，從而為技術進步留出足夠空間。

目前常用的制冷系統形式按使用制冷劑劃分，有氨制冷系統、鹵代烴制冷系統和二氧化碳制冷系統；按供液方式劃分，有直接膨脹制冷系統、重力制冷系統和泵供液制冷系統；按設備組合方式劃分，有分散制冷系統和集中式制冷系統，按制冷介質劃分有直接蒸發制冷系統和載冷系統。系統形式主要根據負荷計算和實際工程的安評、環評、生產需求、投資、運營、土建條件等因素進行綜合分析后選擇，系統形式比選是冷藏冷凍系統設計中最重要的環節，選擇合理與否直接決定整個工程的優劣，因此是設計技術的核心。我國在“十一五”“十二五”期間的工業化和城市化帶動了冷凍冷藏行業的飛速發展，同時在全球環境保護和阻止氣候變化的國際背景下，冷凍冷藏行業對安全和環保的要求已提升到歷史最高水平。為滿足這些需求，歐美等發達國家和地區研發并推廣天然制冷劑——二氧化碳的制冷系統、制冷劑低充注量制冷系統、以丙烯烴衍生的不飽和氟化物為主的零ODP（臭氧消耗潛能）和低GWP值（全球變暖潛能值）制冷劑等技術，不僅使原有制冷系統形式的內涵發生了深刻變化，而且可能帶來整個行業的變局，猶如20世紀氟氯烴制冷劑研發成功后使小型制冷系統得到迅速普及。可喜的是國內制冷空調行業不僅緊跟這些技術進步，甚至走出了自己獨特的技術路線，例如煙臺冰輪股份有限公司研發出二氧化碳制冷壓縮機，目前已經與國內貿易工程設計研究院等單位在我國一共設計并投產兩百多套大中型二氧化碳復合制冷系統，位于世界前列；國內貿易工程設計研究院成功研發定量供液制冷系統，與原有氨制冷系統相比在不降低能效、不增加造價的前提下減少約40%的氨灌注量，示范工程已經正常運行四五年。

設備計算與比選技術已經很成熟，規范和技術手冊中都有詳細指導。得益于近年計算機技術的普及，主流設備制造商也開發了完備的設備計算和選型軟件，有的甚至向全行業公開，這些軟件能夠精確計算設備在各工況和使用條件下的性能參數，使設備比選變得簡單易行。制冷壓縮機是制冷系統的核心設備，目前在工程中常用的有開啟式活塞壓縮機組、開啟式螺桿壓縮機組，半封閉式活塞壓縮機組、半封閉式螺桿壓縮機組，全封閉式渦旋壓縮機組和少量活塞壓縮機組。

開啟式螺桿壓縮機組是目前大中型氨制冷系統的主流裝備，各公司壓縮機的構造基本相同，甚至排氣量系列都比較接近，普遍采用雙螺桿結構、配置油分離器、以虹吸式為主的油冷卻器，蒸發溫度-10～-35℃時主要采用經濟器進行中間補氣冷卻來提高能效，低于-35℃時多采用配組或單機雙級壓縮提高能效，區別主要在于螺桿型線、部件材質和加工精度、控制系統精度和可靠性等方面。半封閉式螺桿和活塞壓縮機、全封閉式渦旋壓縮機是目前鹵代烴制冷系統的主流裝備，工程應用以多機頭并聯機組、壓縮冷凝機組為主，冷量從幾千瓦到數百千瓦，小冷量多用渦旋和活塞式，大一些冷量則采用螺桿式。

近年來二氧化碳制冷壓縮機技術取得了重大發展，商業應用完全成熟，已經進入推廣期。受制于不同的資源稟賦，國際和國內對于二氧化碳制冷壓縮機的技術發展路線各有側重，目前看國際偏重于活塞技術，國內主攻螺桿技術，從理論上講兩種技術各有利弊，只能在實際應用中讓時間檢驗，或許最后會殊途同歸。蒸發器和冷凝器是制冷系統內的主要換熱設備，在工程中蒸發器主要用于給冷卻間內空氣直接降溫，其中，空氣側通過風機強制換熱的稱為冷風機，否則稱為冷排管。由于減小換熱溫差不僅能提升壓縮機能效，而且能提高冷卻間內的相對濕度，利于食品冷藏，因此目前在工程應用中換熱溫差一般不超過10K，同時為保障必要的熱流密度換熱溫差一般不少于6～7K，但是二氧化碳制冷劑以其獨特屬性能使換熱溫差降到5K，使二氧化碳制冷系統在低蒸發溫度時的能效輕易超過傳統系統。冷凝器從技術本質上區分有兩類，一類是把制冷劑冷凝熱通過金屬壁面傳給水，水通過與環境的濕球溫差作用蒸發，把熱量排到大氣中，蒸發式冷凝器和立式、臥式冷凝器都屬于這類；另一類是直接在溫差作用下把制冷劑冷凝熱通過金屬壁面排到大氣中，這類冷凝器主要是風冷冷凝器。由于水的換熱系數遠遠超過空氣，單位質量水的蒸發潛熱遠遠超過空氣顯熱，因此國內大中型制冷系統幾乎全部采用第一類冷凝器，其中的蒸發式冷凝器由于換熱溫差小、耗水耗電經濟而成為目前的主流裝備，風冷冷凝器雖然導致系統冷凝壓力升高，設備本身能效也低，但是其構造簡單，不需要面對水垢、水藻等問題，因此廣泛用于小型系統。

管道是制冷系統的重要組成部分，我國的制冷系統設計技術是20世紀50年代由原商業部組織從蘇聯引入，其中包括全套的管道設計技術，如各類管道的材質、管徑、壁厚、流速、阻力、支架間距等參數的計算與比選，為方便使用，還在設計手冊中利用圖表、公式等方式進行了詳細說明，基本能滿足常規設計需求，因此不僅在當時，其后多年行業內對其也沒有異議，更未探究其所以然。1996年原勞動部以行政令的方式要求在生產、生活中貫徹《壓力管道安全管理與監察規定》，提出了壓力管道的概念，隨后在2003年國務院又以行政令的方式要求貫徹《特種設備安全監察條例》，壓力管道是其中主要內容之一，至此在政府職能部門的主導下，壓力管道概念、技術體系和行政監管開始在所有相關行業強制推廣，包括冷凍冷藏行業。

2.制冷系統工程施工技術

制冷系統工程施工技術發展水平與工程規范密切相關，現行“最專用”的規范有《氨制冷系統安裝工程施工及驗收規范》SBJ 12和《氫氯氟烴、氫氟烴類制冷系統安裝工程施工及驗收規范》SBJ 14，主要的通用規范有《工業金屬管道工程施工規范》GB 50235、《現場設備、工業管道焊接工程施工規范》GB 50236、《壓力管道規范》GB/T 20801第4和5部分、《機械設備安裝工程施工及驗收通用規范》GB 50231、《制冷設備、空氣分離設備安裝工程施工及驗收規范》GB 50274以及《風機、壓縮機、泵安裝工程施工及驗收規范》GB 50275等。這些規范規定了在安裝和調試工作中應遵循的技術步驟、采用的技術方法及應達到的技術參數，比較全面地反映了本行業的技術發展水平。上述專用規范還處在行業標準的地位，僅包括氨和鹵代烴制冷系統，沒有包括近年新興的二氧化碳制冷系統，難以滿足冷凍冷藏行業在國內快速發展所產生的客觀需要，為解決這些矛盾，2014年住建部批準立項《冷庫施工及驗收規范》國家標準編制工作，其內容涵蓋氨、鹵代烴和二氧化碳制冷系統的安裝和調試，是本行業的“專用國標”。

冷凍冷藏行業的工程與化工、電力等重化行業的工程在規模和技術復雜程度等方面基本沒有可比性，因此施工工作普遍停留在人工加小型工器具的水平，工廠預制比例較低。管道焊接是冷凍冷藏設施建造的主要工作內容之一，目前多采用焊條電弧焊，小直徑管道和非碳鋼管道則采用氣焊，隨著壓力管道監管的加強，氬弧焊的應用比例在不斷提高，預制管件的比例也在不斷上升，這些工作從根本上提高了工程質量。安裝和調試技術也是隨著設計技術從蘇聯引進的，之前幾十年一直沒有系統強度試驗的概念，隨著壓力管道技術體系的引入，2011版《氨制冷系統安裝工程施工及驗收規范》提出了強度試驗要求，正在編制的《冷庫施工及驗收規范》將會在行業內全面引入強度試驗，進一步提升系統的安全可靠性。

驗收是與施工和調試密切相關的工程環節，現有規范體系對驗收的要求主要體現在安全、質量、證書文件等方面，缺少對整個系統性能的評判，尤其是嚴格的實測數據評判，導致工程竣工后很難說清楚整個系統的性能是否達到了預期目標，尤其是能效等經濟目標，正在編制的《冷庫施工及驗收規范》能夠一定程度上解決這類問題。