2.3.2 技术现状概述

冷冻冷藏设施与冷链物流中心的建设与运营技术涉及食品、物流、规划、建筑、制冷工艺与设备、自动化与信息等众多学科，其中食品冷冻冷藏技术、设施建造技术、设施装备技术对冷冻冷藏设施与冷链物流中心的建设和运营起决定性作用。经过多年的研究与实践，尤其是欧美国家冷链建设需求的推动，上述技术体系已经比较完备，其理论体系相当成熟，但是随着材料、机械、电子和信息等基础技术的发展，上述技术仍在不断进步，甚至取得连续突破。

国内从20世纪50年代开始持续建造冷冻冷藏设施，当时引进的是苏联的技术，冷却间几乎全部采用土建结构和氨集中式制冷系统，并且以此为核心建立了整套的设施建造、装备制造、运营管理和人员培训体系。我国从20世纪80年代开始全面引进欧美技术，例如钢结构、聚氨酯保温材料、螺杆制冷压缩机、卤代烃制冷系统、PLC控制等，直到20世纪末，原商业部一直在系统性地主持这套技术体系的引进、吸收和发展，主持编写了《冷藏库制冷工艺设计手册》（商业部设计院1968年编印），后改名为《冷藏库制冷设计手册》（农业出版社1976年出版）、《冷库制冷设计手册》（农业出版社1991年出版）和《冷库制冷技术》（中国财政经济出版社1980年出版）等技术书籍，奠定了国内冷冻冷藏设施建设与运营技术体系的基础，这些技术虽然来源于苏联和欧美国家，但是已经深度融合到国内的工商业生产体系中，并且发展成为一套具备“中国特色”的技术体系，因此从“十一五”“十二五”至今冷链行业能够依托国内的物质基础取得快速发展，甚至是人类历史上最大规模的快速发展。

2.3.2.1 食品冷冻冷藏技术

食品冷冻冷藏技术的专业基础是食品冷冻冷藏工艺学，食品冷冻冷藏工艺学的理论基础主要由生物化学、物理化学、物性学、传热学和传质学构成，对于果蔬预冷、肉禽冷却、食品冻结和速冻等食品冷却和冻结技术，前面的章节已经介绍，本节不再重复。食品冷藏技术主要分冷却冷藏（通常称为保鲜）和冻结冷藏，以及微冻冷藏（也称为冰温保鲜），经过多年的研究与实践，尤其是欧美国家冷链建设需求的推动，上述理论体系已经比较成熟，目前的研究工作主要集中在应用领域。

与食品冷却基本相同，食品冷却冷藏的技术研究还是集中在果蔬采收后的生命代谢活动、肉禽和水产品宰后的生理及生化反应、微生物的生长和繁殖及其对食品的影响，研究机构和生产企业一直以各种果蔬和肉禽、水产品在不同温度、包装状态、气体环境等条件下的货架期为主要研发内容，生产企业则更关心技术成果在生产应用时的成本与收益。由于果蔬和肉禽、水产品的种类繁多，生产地域和气候条件各异，各个国家及地区的消费习惯千差万别，生产要素成本也在不断变化，因此上述研究工作几乎没有止境，无论国际还是国内都取得了大量的研究成果，本节不再一一介绍了。

与食品冻结和速冻不同，食品冻结冷藏阶段主要面临冰晶成长、色泽变化、干耗与冻结烧等问题，需要研究相应的技术解决或避免上述问题，否则食品品质和其商业价值将难以保持。现在相关理论研究已经揭示了上述问题的成因，并且建立了完整的理论体系，例如研究发现冻结食品内部存在冰晶组成的固相、未冻结水溶液组成的液相和水蒸气组成的气相，它们之间存在天然的水蒸气压差，使冻结过程中形成的冰晶在冷藏过程中不断长大，冷藏温度波动会加快这种变化，导致汁液流失等问题。应用研究主要集中于如何在保证食品品质的前提下延长冷藏时间（或在一定的冷藏时间内减弱食品品质的降低），同时还要尽量降低成本，研究从冷藏环境、包装等多个角度开展。冷藏时间是实际生产中的一个重要问题，由于食品的品质除理化指标外，还包括风味、香味、质感、色泽等因素，是一个内涵比较复杂的概念，导致在实际生产中冷藏时间很难由理论研究成果直接推导出来，因此冷冻食品实用冷藏时间主要根据TTT（Time-Temperature Tolerance）方法预测，TTT方法同时用感官鉴定和理化指标检测的方法标定特定状态冷冻食品的冷藏时间与冷藏温度之间的关系，根据TTT曲线可以计算冷冻食品在冷链流通过程中品质累积下降的程度，从而确定其冷藏时间。

微冻冷藏的原理是利用食品冰点一般低于0℃的特性，使食品在其冰点温度附近冷藏，这时食品不会冻结，但是其生命代谢活动或生理及生化反应、微生物的生长和繁殖速度会降至最低，从而延长其保鲜时间。微冻冷藏对冷链体系的设施和设备、操作管理的要求很高，因此在国内目前粗放经营的行业大环境下应用很少，应用技术体系也不成熟。由于微冻冷藏能够在保持食品物理和化学属性的前提下最大限度延长食品货架期，与冷却冷藏相比能耗增加不多，与冷冻冷藏相比能耗大幅降低，因此是冷链技术体系的一个重点发展方向。

2.3.2.2 设施建造技术

欧美等发达国家和地区的冷链体系在实践过程中形成了以冷冻冷藏设施为节点（生产、贮存、集配和销售），以冷藏车、冷藏集装箱为节点连接工具，以全程温度监控为保障措施的生产模式。其中冷冻冷藏设施以房屋建筑为主体，因此冷冻冷藏设施建造技术实质上是房屋建筑工程技术的一个类别，主要包括规划、建筑、结构、制冷工艺、采暖通风、给水排水和电气等专业技术，到目前为止，国内冷链体系的建设一直在按照这个生产模式进行。

除制冷工艺专业，其他专业技术都是房屋建筑工程通用技术在冷冻冷藏建筑工程领域的应用，因此冷冻冷藏设施建造技术的发展水平基本上由房屋建筑工程通用技术的发展水平决定。保温是冷冻冷藏设施的基本要求，在目前种类繁多的房屋建筑保温技术中，聚氨酯泡沫塑料保温技术最适合冷冻冷藏设施。聚氨酯泡沫塑料是由多异氰酸酯和聚醚多元醇等原料制成的聚合物，可通过改变原料的规格、品种和配方得到不同性能的成品，从而满足不同的使用要求。用于冷冻冷藏设施保温时，聚氨酯泡沫塑料具有导热系数小、吸水率低、密度小、比强度大、稳定性好、加工性能优良等特点，并且能够通过加入阻燃剂具备自熄性能。聚氨酯泡沫塑料在工程应用中有两种方式，一是预制保温板，通常采用金属夹心形式，在工厂的生产线上制成标准尺寸的板材，在工程需要保温的部位拼装板材即可（图2-55）；另外就是工程现场喷涂（灌注），把多异氰酸酯和聚醚多元醇等液体原料运至现场，通过喷涂（灌注）设备混合后直接在需要保温的部位反应成形，现场喷涂（灌注）是聚氨酯泡沫塑料独特的加工工艺，在冷冻冷藏设施保温工程中具有不可替代的优势，是保温工程领域的一大技术进步（图2-56）。相对于聚氨酯泡沫塑料，挤塑聚苯乙烯泡沫塑料虽然不能现场喷涂（灌注）、防火性能不佳，但是其抗压性能比较好，因此目前多用于设施的地坪保温。无论哪一类房屋建筑，结构都是最重要的组成部分，不仅决定建筑安全，而且对造价有重要影响，目前冷冻冷藏设施主要采用钢筋混凝土结构和钢结构，钢筋混凝土结构主要用于多层和高层设施，为增加容积利用率，提升设施的性价比，往往采用无梁楼板和预应力混凝土结构技术。近些年钢结构在单层冷冻冷藏设施上应用的优势越来越明显，例如跨度大、工期短、工厂预制率高等，其应用越来越普及，并且向大层高方向发展，实际工程中层高已经可以做到30m左右。

房屋建筑工程由于存在安全、环保等外部影响，并且其生产周期长、责任主体多，因此行政监管是绝大多数国家通行的做法，并且在行政监管框架下还有一系列的技术规范和标准对其设计、施工和检测等技术进行了规定。冷冻冷藏设施建造也不例外，其规范和标准从应用角度可分为两类，一类是比较通用的，各类或几类建筑都适用，例如《工业企业总平面设计规范》《建筑设计防火规范》《建筑抗震设计规范》《建筑给水排水设计规范》《工业建筑供暖通风与空气调节设计规范》《通用用电设备配电设计规范》等；一类是比较专用的，仅用于冷冻冷藏设施建造，例如《冷库设计规范》《冷库安全规程》等。经过多年的持续工作，我国已经建立了一套完整的行政监管和技术规范及标准体系，是冷冻冷藏设施建造技术健康发展的保障，并且随着技术进步和时代发展，这套体系也一直在持续修订，例如对于冷冻冷藏设施建造影响最大的《冷库设计规范》，于1984年第一次颁布，随后于2001和2010年进行修订，最新的修订工作已经于2015年开始。

2.3.2.3 冷冻冷藏设施装备技术

对于冷冻冷藏设施，制冷系统是设施装备的核心，冷冻冷藏设施装备技术主要体现在制冷系统工程设计和施工环节。在社会生产中广泛使用的各种制冷技术中，蒸气压缩制冷技术在冷冻冷藏行业应用最为广泛，接近百分之百，主要原因是其成本较低、能效较高，因此冷冻冷藏设施装备技术实际上就是蒸气压缩制冷系统的工程技术。

1.制冷系统工程设计技术

制冷系统工程设计主要包括负荷计算、系统形式比选、设备计算与比选、管道系统计算与比选、设备和管道的保冷与保温设计、设备和管道布置等内容，目前在工程中主要执行《冷库设计规范》GB 50072、《室外装配冷库设计规范》SBJ 17、《工业金属管道设计规范》GB 50316和《压力管道规范》GB/T 20801等技术规范。

负荷计算是设计的前提，《冷库设计规范》GB 50072—2010专门用一节进行了详细规定，这是一套根据工程经验并利用系数修正的计算方法，主要内容是设备负荷和机械负荷计算，其核心内容已经使用多年，实践中未发现明显偏差，计算方法也简单易行。得益于近年计算机技术的飞速发展，负荷逐时精确计算的客观条件已经成熟，因此2010版《冷库设计规范》修订时进一步简化了规范中有关负荷计算的条款，从而为技术进步留出足够空间。

目前常用的制冷系统形式按使用制冷剂划分，有氨制冷系统、卤代烃制冷系统和二氧化碳制冷系统；按供液方式划分，有直接膨胀制冷系统、重力制冷系统和泵供液制冷系统；按设备组合方式划分，有分散制冷系统和集中式制冷系统，按制冷介质划分有直接蒸发制冷系统和载冷系统。系统形式主要根据负荷计算和实际工程的安评、环评、生产需求、投资、运营、土建条件等因素进行综合分析后选择，系统形式比选是冷藏冷冻系统设计中最重要的环节，选择合理与否直接决定整个工程的优劣，因此是设计技术的核心。我国在“十一五”“十二五”期间的工业化和城市化带动了冷冻冷藏行业的飞速发展，同时在全球环境保护和阻止气候变化的国际背景下，冷冻冷藏行业对安全和环保的要求已提升到历史最高水平。为满足这些需求，欧美等发达国家和地区研发并推广天然制冷剂——二氧化碳的制冷系统、制冷剂低充注量制冷系统、以丙烯烃衍生的不饱和氟化物为主的零ODP（臭氧消耗潜能）和低GWP值（全球变暖潜能值）制冷剂等技术，不仅使原有制冷系统形式的内涵发生了深刻变化，而且可能带来整个行业的变局，犹如20世纪氟氯烃制冷剂研发成功后使小型制冷系统得到迅速普及。可喜的是国内制冷空调行业不仅紧跟这些技术进步，甚至走出了自己独特的技术路线，例如烟台冰轮股份有限公司研发出二氧化碳制冷压缩机，目前已经与国内贸易工程设计研究院等单位在我国一共设计并投产两百多套大中型二氧化碳复合制冷系统，位于世界前列；国内贸易工程设计研究院成功研发定量供液制冷系统，与原有氨制冷系统相比在不降低能效、不增加造价的前提下减少约40%的氨灌注量，示范工程已经正常运行四五年。

设备计算与比选技术已经很成熟，规范和技术手册中都有详细指导。得益于近年计算机技术的普及，主流设备制造商也开发了完备的设备计算和选型软件，有的甚至向全行业公开，这些软件能够精确计算设备在各工况和使用条件下的性能参数，使设备比选变得简单易行。制冷压缩机是制冷系统的核心设备，目前在工程中常用的有开启式活塞压缩机组、开启式螺杆压缩机组，半封闭式活塞压缩机组、半封闭式螺杆压缩机组，全封闭式涡旋压缩机组和少量活塞压缩机组。

开启式螺杆压缩机组是目前大中型氨制冷系统的主流装备，各公司压缩机的构造基本相同，甚至排气量系列都比较接近，普遍采用双螺杆结构、配置油分离器、以虹吸式为主的油冷却器，蒸发温度-10～-35℃时主要采用经济器进行中间补气冷却来提高能效，低于-35℃时多采用配组或单机双级压缩提高能效，区别主要在于螺杆型线、部件材质和加工精度、控制系统精度和可靠性等方面。半封闭式螺杆和活塞压缩机、全封闭式涡旋压缩机是目前卤代烃制冷系统的主流装备，工程应用以多机头并联机组、压缩冷凝机组为主，冷量从几千瓦到数百千瓦，小冷量多用涡旋和活塞式，大一些冷量则采用螺杆式。

近年来二氧化碳制冷压缩机技术取得了重大发展，商业应用完全成熟，已经进入推广期。受制于不同的资源禀赋，国际和国内对于二氧化碳制冷压缩机的技术发展路线各有侧重，目前看国际偏重于活塞技术，国内主攻螺杆技术，从理论上讲两种技术各有利弊，只能在实际应用中让时间检验，或许最后会殊途同归。蒸发器和冷凝器是制冷系统内的主要换热设备，在工程中蒸发器主要用于给冷却间内空气直接降温，其中，空气侧通过风机强制换热的称为冷风机，否则称为冷排管。由于减小换热温差不仅能提升压缩机能效，而且能提高冷却间内的相对湿度，利于食品冷藏，因此目前在工程应用中换热温差一般不超过10K，同时为保障必要的热流密度换热温差一般不少于6～7K，但是二氧化碳制冷剂以其独特属性能使换热温差降到5K，使二氧化碳制冷系统在低蒸发温度时的能效轻易超过传统系统。冷凝器从技术本质上区分有两类，一类是把制冷剂冷凝热通过金属壁面传给水，水通过与环境的湿球温差作用蒸发，把热量排到大气中，蒸发式冷凝器和立式、卧式冷凝器都属于这类；另一类是直接在温差作用下把制冷剂冷凝热通过金属壁面排到大气中，这类冷凝器主要是风冷冷凝器。由于水的换热系数远远超过空气，单位质量水的蒸发潜热远远超过空气显热，因此国内大中型制冷系统几乎全部采用第一类冷凝器，其中的蒸发式冷凝器由于换热温差小、耗水耗电经济而成为目前的主流装备，风冷冷凝器虽然导致系统冷凝压力升高，设备本身能效也低，但是其构造简单，不需要面对水垢、水藻等问题，因此广泛用于小型系统。

管道是制冷系统的重要组成部分，我国的制冷系统设计技术是20世纪50年代由原商业部组织从苏联引入，其中包括全套的管道设计技术，如各类管道的材质、管径、壁厚、流速、阻力、支架间距等参数的计算与比选，为方便使用，还在设计手册中利用图表、公式等方式进行了详细说明，基本能满足常规设计需求，因此不仅在当时，其后多年行业内对其也没有异议，更未探究其所以然。1996年原劳动部以行政令的方式要求在生产、生活中贯彻《压力管道安全管理与监察规定》，提出了压力管道的概念，随后在2003年国务院又以行政令的方式要求贯彻《特种设备安全监察条例》，压力管道是其中主要内容之一，至此在政府职能部门的主导下，压力管道概念、技术体系和行政监管开始在所有相关行业强制推广，包括冷冻冷藏行业。

2.制冷系统工程施工技术

制冷系统工程施工技术发展水平与工程规范密切相关，现行“最专用”的规范有《氨制冷系统安装工程施工及验收规范》SBJ 12和《氢氯氟烃、氢氟烃类制冷系统安装工程施工及验收规范》SBJ 14，主要的通用规范有《工业金属管道工程施工规范》GB 50235、《现场设备、工业管道焊接工程施工规范》GB 50236、《压力管道规范》GB/T 20801第4和5部分、《机械设备安装工程施工及验收通用规范》GB 50231、《制冷设备、空气分离设备安装工程施工及验收规范》GB 50274以及《风机、压缩机、泵安装工程施工及验收规范》GB 50275等。这些规范规定了在安装和调试工作中应遵循的技术步骤、采用的技术方法及应达到的技术参数，比较全面地反映了本行业的技术发展水平。上述专用规范还处在行业标准的地位，仅包括氨和卤代烃制冷系统，没有包括近年新兴的二氧化碳制冷系统，难以满足冷冻冷藏行业在国内快速发展所产生的客观需要，为解决这些矛盾，2014年住建部批准立项《冷库施工及验收规范》国家标准编制工作，其内容涵盖氨、卤代烃和二氧化碳制冷系统的安装和调试，是本行业的“专用国标”。

冷冻冷藏行业的工程与化工、电力等重化行业的工程在规模和技术复杂程度等方面基本没有可比性，因此施工工作普遍停留在人工加小型工器具的水平，工厂预制比例较低。管道焊接是冷冻冷藏设施建造的主要工作内容之一，目前多采用焊条电弧焊，小直径管道和非碳钢管道则采用气焊，随着压力管道监管的加强，氩弧焊的应用比例在不断提高，预制管件的比例也在不断上升，这些工作从根本上提高了工程质量。安装和调试技术也是随着设计技术从苏联引进的，之前几十年一直没有系统强度试验的概念，随着压力管道技术体系的引入，2011版《氨制冷系统安装工程施工及验收规范》提出了强度试验要求，正在编制的《冷库施工及验收规范》将会在行业内全面引入强度试验，进一步提升系统的安全可靠性。

验收是与施工和调试密切相关的工程环节，现有规范体系对验收的要求主要体现在安全、质量、证书文件等方面，缺少对整个系统性能的评判，尤其是严格的实测数据评判，导致工程竣工后很难说清楚整个系统的性能是否达到了预期目标，尤其是能效等经济目标，正在编制的《冷库施工及验收规范》能够一定程度上解决这类问题。