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CA冷藏庫的原理及設計探討

日期：2007-04-18　

張君誠　劉新軍　劉瑞光

關鍵詞：CA冷藏庫　設計　氣調　氣密　冷鏈　

1、CA冷藏庫的基本原理

CA冷藏是人工調節氣體（Controlled Atmosphere）的貯藏方式，即對溫度和氣體成分進行連續控制的冷藏庫，其原理是通過調節控制食品冷藏環境中的所有生物學氣體包括O₂、CO₂、乙烯以及果蔬釋放出的香氣，限制有害氣體的積累，抑制果蔬的呼吸及微生物的活動，抑制食品成分的氧化和褐變，從而達到延長食品保鮮期或保藏期的目的，與CA冷藏庫類似的還有一類氣調貯藏為MA（Modified Atmosphere）冷藏庫，也叫限氣貯藏，是靠貯藏產品自身的呼吸代謝來降低環境中的氧濃度，提高CO₂濃度，在整個貯藏過程中O₂和CO₂濃度變化較大，且沒有一個恒定的氣體指標。MA貯藏方法簡單，效果較差，多用于貯藏或短期貯藏和運輸。CA冷藏庫貯藏量大，貯藏期長，貯藏品種多，且貯藏質量好。大量的研究和試驗表明，目前， CA冷藏庫是世界上最先進、最有前途、最有效的貯藏方法，采用這種方法能大大延長果蔬的貯藏期限和大幅降低由于微生物和生理病害造成的損失，并能最大限度地保證果蔬的風味和營養價值。

2、CA冷藏庫的特點

傳統的高溫冷藏庫可以減弱果蔬的呼吸作用，庫溫每降低10℃就可以使呼吸作用減弱一半，這就延遲了呼吸高峰的到來，抑制了果蔬的腐敗。但是不能僅從減弱呼吸作用和代謝作用的觀點來選擇庫溫，因為貯存溫度過低會引起果蔬的凍傷和低溫病害，這就導致了果蔬貯藏期不能延長，從而使果蔬的營養成份受到損害。因此，CA冷藏庫便在傳統的高溫冷藏庫的基礎上發展起來了，它在保留冷藏庫所具有的“冷藏”功能的同時，增加了冷藏庫所沒有的“調氣”功能，但是CA冷藏庫并不是普通高溫庫與氣調設備的簡單疊加，與一般高溫庫相比，它在方案設計、冷負荷計算、建筑物氣密性設計等方面都有自己明顯的特點。

2.1 設有制冷裝置，使果蔬在貯藏時能達到所要求的溫度。通常情況下，CA冷藏庫的庫溫在-2~10℃，溫度波動應控制在±0.5℃以內，且庫溫應隨貯存的品種不同作相應調整。

2.2 CA冷藏庫氣密性的好壞決定著庫內氣體成分的穩定性，關系到產品的冷藏效果和冷藏壽命。如果庫內氣密性輕度不良而引起庫內氣體成分的波動，可以通過經常運轉調節氣體的設備來改善，但這會使運行費用大幅提高。如果氣密性嚴重不良，那就不能作為CA冷藏庫使用。因此，在施工完畢后必須進行氣密性試驗。但這并不意味著CA冷藏庫應該達到絕對的氣密，因為果蔬的呼吸作用會消耗庫內的O₂，使O₂濃度持續降低，若不及時通入新鮮空氣來維持貯藏所需要的O₂濃度，則會導致果蔬進行無氧呼吸（比有氧呼吸消耗更多的營養成分），從而引起有害于品質的厭氧性發酵，會產生酒精和乙醛的積累進而造成果蔬的生理病害，嚴重時會招致微生物侵害，使其腐爛。

目前我國CA冷藏庫的氣密標準大多采用聯合國糧農組織（FAO）推薦的標準，即在封庫加壓至294kPa時，30min壓力降至不低于39.2kPa為合格；壓力在107.8~147kPa之間為良好；壓力在147kPa以上為優秀；壓力在39.2kPa以下為不合格，即無法形成氣調環境，應重新修復。

2.3 有調節氣體成分的裝置及檢測氣體成分的儀器。CA冷藏庫之所以比常規冷藏庫優越，其原因是果蔬在低氧和高二氧化碳的人工控制的環境中進行密閉冷藏，使果蔬處于休眠狀態，以降低果蔬的呼吸強度，延緩成熟過程，延長貯藏期，并取得良好的保鮮效果。一般CA冷藏庫中的O₂含量由新鮮空氣的標準21%平均降低3/4，即為5%左右；而CO₂含量由新鮮空氣的標準0.03%提高到100倍，即為3%或更多一些；其余是N₂的含量。

CA冷藏庫應根據貯存的品種確定各種氣體的含量，并應在短時間內達到對氣體組分的要求，這個工作是由氣調系統來完成的。

2.4 有調濕措施。因為庫房內冷卻盤管不斷結霜，庫內水分經過化霜而排至室外，造成庫內相對濕度過低而致使產品干耗過大，因此庫內需有加濕措施。通常庫內相對濕度應控制在80%~95%。

2.5 圍護結構應使用良好的隔熱和防潮材料。為了減少庫內溫度波動，節省能源，庫體應采用良好的保溫隔熱材料。目前CA冷藏庫大都采用彩色夾心鋼板拼裝，這種鋼板具有隔熱防潮和氣密三重作用，地面常采用XPS或聚氨脂保溫。

2.6 庫內空氣必須循環。通過庫內的空氣循環使庫內各部位的溫濕度及氣體成分均勻一致，保證較好的貯藏保鮮效果。

2.7 具有壓力平衡裝置。CA冷藏庫內常常會發生氣壓變化，如吸收O₂和CO₂時或者庫內溫度變化時，使庫內外出現壓差，為保證庫房的氣密性和庫體免遭破壞，需在庫外設置壓力平衡裝置。

3、CA冷藏庫的設計

CA冷藏庫主要由庫房、制冷系統、氣體凈化系統、濕度調節系統、氣體循環系統、壓力平衡裝置等組成。

目前國內CA冷藏庫的設計主要參照《冷庫設計規范》（GB50072-2001），但該規范總則1.0.2明確指出，氣調庫不適合該規范，并在條文說明中作了解釋：“因為這些形式的冷庫其構造做法、冷負荷計算等與普通形式的冷庫不同，而且這方面的生產實踐經驗和科研數據還不多，有待積累”。因此，本文呼吁有關方面應及早出臺CA冷藏庫的設計規范，以適應形勢的要求，同時，本文也將在CA冷藏庫的設計方面進行深入的探討，并做一些有益的嘗試。

3.1 庫址選擇

CA冷藏庫通常應建在果蔬產區或離產區較近的地方，不應建在遠離產區的大中城市。并應綜合考慮當地的技術力量和條件，以及當地的交通運輸、水電供應、地質結構等狀況，再經過環境、經濟、技術等多方面的綜合分析比較，來選出最優的建設地點。

3.2 建設規模的確定

CA冷藏庫實際上是一個小型建筑群體，主要包括庫間、挑選間、包裝間、產品預冷間、存筐間、化驗室、機房、泵房、備用發電機房、配電室、月臺、穿堂、辦公、更衣和停車場等。

要進行CA冷藏庫的設計，需確定其建設規模，即確定庫容量是至關重要的。總貯藏量的確定首先必須調查貨源、市場需求和流向、果蔬的產銷價格及投資效益、發展規劃、已有的貯藏能力和方式；其次應考慮果蔬生產的特點和貯藏的要求。果蔬生產季節性強，收獲期集中，CA冷藏對果蔬質量要求高，入庫速度要求快，因此CA冷藏庫的規模要合理。如果設計過小，會影響經營的規模和效益；如果設計過大，又會造成資源浪費，庫房利用率低，總投資加大等問題。目前，國內CA冷藏庫的貯藏量一般控制在500~5000t的范圍內為宜，當然也有萬噸庫出現，但數量極少。

總貯藏量確定后，應根據果蔬品種的不同、日進貨量、入庫前的處理方式和能力、庫內碼垛的方式、運輸方式、包裝方法及外包裝的尺寸等確定庫間大小。庫間大小要適中，過小雖然能提高進貨速度，但庫房利用率太低；庫間太大，進貨時間拉長而影響貯藏效果。目前國內一般將庫間定為100~300t。對特殊品種，如櫻桃、冬棗等也可定為30~100t。

3.3 平面布局

3.3.1 功能構成

一個完整的CA冷藏庫應具備以下基本功能：a、進出貨月臺；b、選果間；c、庫間；d、存筐間；e、穿堂；f、包裝間；g、機房；h、更衣等。有的設計方案將穿堂加寬以代替選果間，可以降低工程造價和占地面積，但庫內運輸會受一定影響。

3.3.2 冷鏈（cold chain）的建立

果蔬冷鏈是指果蔬在貯藏、加工、運輸、銷售直至消費前的各個環節中始終處于規定的低溫環境下，以保證果蔬的品質，減少損耗的一項系統工程。

本文指的冷鏈僅指在果蔬貯藏加工處的冷鏈，即：接貨及整理→原料分選（按重量及果色進行選別、包裝）→進入CA冷藏庫貯存→建立氣調環境→冷藏→出庫→選別→分級包裝→冷藏車出貨。這個冷鏈就是果蔬收集后經分級貯存，再到包裝出貨的全過程，在設計中，應將此冷鏈保持完整，因為一旦“斷鏈”，果蔬會產生結露現象，從而帶來產品品質的下降，重則腐爛，輕則產生褐變。

這個冷鏈的關鍵控制點（CCP）分別為分級挑選間、穿堂、庫房、包裝間、裝卸貨口。除了冷間需要控制溫濕度和氣體組分以外，由于產品停留時間較短，其余位置只需控制溫濕度即可。在這里需要強調的是裝卸貨口，許多設計人員會忽略這個部位，從而導致“斷鏈”，要處理好這個環節，必須設計保溫滑升門，月臺高度調節板、車輛限制器和密閉接頭等。

3.3.3 平面布置的原則

CA冷藏庫的布置是根據貯存品種，允許占用土地面積、貯存規模、工藝流程、庫內外裝卸運輸方式、設備和管道的布置要求等來確定的，確定各庫間、選果間、存筐間、包裝間、穿堂、樓梯月臺等部分的建筑面積和CA庫的外形（通常長寬比為1.5∶1左右），對CA庫內各庫間的布置，選果包裝間及穿堂、過道、月臺等部分的具體位置進行合理的布局。一般情況下，CA冷藏庫的布置應當滿足以下要求。

a、工藝流程順暢，不交叉；進出庫運輸線路通暢，路線較短。

b、符合庫區總平面布局的要求，與進出庫物資流向銜接協調。

c、貯藏產品分區明確，盡可能各自分開。

d、盡量縮小絕熱層的面積。

e、適當考慮擴建和維修的場地。

在平面布置時，應充分運用穿堂作為連接各部分的紐帶，銜接前后工序的橋梁和物資流通的渠道。巧妙運用穿堂，可以使建筑平面布置靈活多變，適應不同客觀條件的要求，取得有利生產、方便管理、延長CA冷藏庫使用壽命等多方面效果。

3.3.4 垂直布置

CA冷藏庫一般都是單層建筑，庫房的層高應根據堆貨的方法及貨筐的高度確定。目前國內CA冷藏庫凈高一般都在7m以下，為了盡可能地提高庫容量，擴大經濟效益，建議將層高設計成7~8.5m，實踐證明，這個高度不會形成明顯的溫度梯度，貯存效果較好。為節省建筑面積，制冷和氣調設備一般布置在穿堂上部技術夾層內。

月臺高度（CA冷藏庫的地坪與室外高差）目前大都設計成1.2m，這是從普通冷庫移植過來的。普通冷庫的月臺高度是為了適應大型集裝箱車的貨箱底高度（約1.2m高）。然而，CA冷藏庫的進貨期比較集中，卸貨強度很大，而進貨時主要運輸工具是農用三輪、拖拉機等，這些運輸工具的貨箱底高度一般為0.9m左右，若月臺高度超過0.9m，則卸貨時貨箱底部的貨物不能平推，只能搬運，這大大增加了卸貨的難度；而出貨時，主要用叉車門對門上貨，工作強度較小，因此，建議設計時將月臺高度設計成0.9m，一方面降低了工人的工作強度，另一方面減少了土方量，因而可以降低工程造價。

3.3.5 庫房的構造

CA冷藏庫應具有良好的隔熱性和氣密性，這樣才能使庫內空氣中的CO₂和O₂濃度，在較長時間內維持不變或變化緩慢，保證貯藏保鮮的效果。CA冷藏庫一般由若干庫間組成，每個庫間是獨立的，可以單獨進行調節管理。目前，國際上庫體的主要材料普遍采用導熱系數低的聚苯乙烯夾芯板（容重大于等于16kg/m³）或預制聚氨脂隔熱夾芯板（容重大于等于40kg/m³），夾芯板的內外面選用彩色涂層鋼板，庫房頂部、地面及四周墻體上均有氣密結構，氣密層要連為一體，板縫之間由耐低溫、高強度中性硅酮密封膠及聚氨脂密封膠填充，不能有任何縫隙，庫門也是特制的密封門，觀察窗和各種通過墻壁的管道也要有氣密構造，整個庫房還應能承受一定的壓力（正壓和負壓）。

庫體外墻及穿堂兩側的隔墻一般應采用磚墻，可以保持庫溫的穩定，并對庫板形成很好的保護，延長CA冷藏庫的使用壽命，地面采用XPS或聚氨酯分層鋪設；屋頂主要起遮陽、防水及吊庫頂板的作用，為降低工程造價，一般采用輕鋼屋頂；為了改善吊頂上部的環境，屋面上應加設無動力排風機，庫體吊頂上部兩側設防雨百葉窗，由于庫內外會出現壓差，為保證庫體安全和氣密性，必須安裝壓力平衡裝置，常用方法有氣體平衡袋、安全閥和水封裝置等。

3.3.6 制冷系統

CA冷藏庫一般采用分散式制冷系統，制冷主機通常使用自動化程度較高，系統簡單的氟利昂壓縮冷凝機組。設計時應注意以下問題：

a、制冷設備的配置

為了減少因外界氣溫影響而造成圍護結構兩側的壓差，CA冷藏庫圍護結構的熱阻一般取得較大，隔熱層要厚一些，因此，圍護結構的傳熱量較小，運行時負荷較低。但是由于進貨快，每日的進貨量較大，入庫階段的負荷較高。應針對CA冷藏庫的實際狀況進行負荷計算，并據此選擇制冷設備，為節省能源，適應負荷變化大的特點，制冷主機應采用變頻控制。

b、冷風機

CA冷藏庫入庫階段的負荷與貯存階段的負荷相差很大，應采用配有雙速風機的冷風機。另外，為了減少庫內溫度波動，冷風機的沖霜只能采用水沖霜，不能采用電化霜或熱工質化霜。

c、加濕

為了提高CA冷藏庫內的相對濕度，一方面要適當加大冷風機的冷卻面積，縮小冷風機的傳熱溫度，另一方面還要設置加濕裝置。為防止庫溫不必要的波動，嚴禁使用使庫內負荷增加的加濕裝置，如蒸汽加濕。

d、冷藏溫度

冷藏溫度的靜態偏差控制宜小不宜大（一般要求±0.5℃），這對降低庫溫度波動幅度及相應減少庫內外壓差和庫內氣體濃度的波動幅度至關重要。

e、設備布置

由于CA冷藏庫構造獨特，人員不能隨便進入，為便于管理，制冷、氣調、加濕設備應安裝在易于觀察和維修的地方。目前的設計一般將其布置在穿堂上部的技術夾層內，并通過觀察窗觀察庫內的冷風機運轉情況。

3.3.7 氣調系統

氣調系統是CA冷藏庫的核心，因為庫內氣體成分的調節是通過氣調系統調節O₂、CO₂、N₂的比例并降低乙烯的濃度來完成的。

近年來，氣調技術發展迅猛，氣調設備也日益完善。目前，國外先進的氣調系統主要是由二氧化碳脫除機、脫氧機、乙烯脫除機及O₂/CO₂自動分析控制裝置等構成。其中二氧化碳脫除機利用程控轉向閥控制再生—吸附循環，順次將庫房內富含CO₂的空氣抽出，使其通過一個有特殊的活性碳床的封閉系統，由于活性碳孔很少，而CO₂分子很大，從而將其分離出來，有效地減少庫房內的CO₂含量。

目前最為先進的脫氧機利用碳分子篩的吸附原理，將O₂吸附，再利用真空脫除吸附的O₂，并與庫房形成一個全自動的閉路循環系統。

乙烯脫除機利用強力空氣循環通過一個溫度為250℃的催化床，去除庫房中的乙烯。

O₂/CO₂自動分析控制裝置是氣調系統的核心部分，該裝置具有一個CO₂分析裝置和一個順磁O₂分析裝置，帶有多個溫度和濕度探頭，可顯示分析數據和分析曲線，利用計算機可對48個庫房中的O₂/CO₂含量實現可持續性自動分析控制。

4、問題探討

4.1防火分區

由于CA冷藏庫內氣體含氧量小于5%，此時，可燃物體也無法燃燒，故將其火災危險性定為戊類是可行的，根據《建筑設計防火規范》（GB50016-2006）3.3.2規定的一、二級耐火等級的單層倉庫最大允許占地面積和防火分區均不受限制。

而《冷庫設計規范》（GB50072-2001）4.3.2規定單層冷間建筑的最大占地面積為7000m²，防火分區為3500m²。

考慮到CA冷藏庫內的特殊環境，又沒有相應的設計規范，建議設計人員應與當地消防部門進行深入的溝通，并由消防部門牽頭組織專家進行論證，在保證安全的前提下，將防火分區設置得更大一些，減少防火墻及防火卷簾等設施，從而降低工程造價，同時也給平面布置及內部的運輸帶來方便。

實際上，國內這幾年新建了許多大噸位CA冷藏庫，很多都采取了上述措施，加大了防火分區的面積，降低了工程投資，創造了客觀的經濟效益，也積累了豐富的經驗。

4.2 預冷

由于發達國家果蔬生產規模大，機械化程度高，采后集中處理、營銷，從田間到CA冷藏庫的入庫時間很快，導致果蔬田間熱帶至CA冷藏庫，為了保證貯藏質量，大都設有預冷間以便盡快地除去果蔬的田間熱。受此影響，國內目前的設計也大都設置預冷間。

然而，國內的果蔬生產與國外發達國家差距很大，大都是散戶種植，零星采摘，生產規模小而分散，并且待價而沽，不具備國外的大規模、集約化的生產模式，果蔬的田間熱會自然散失，不會集中帶到CA冷藏庫，因此，國內目前的設計尤其是針對分散采購的CA冷藏庫沒有必要設置預冷間，這樣既可以大幅度降低工程造價，又減少了搬運、裝卸的工作量。

5、結束語

目前，國內氣調保鮮事業發展緩慢，每年因貯藏不當造成損失十分驚人。主要原因是我國缺少成熟的氣調技術和相關的設計技術人員，又沒有完善的設計規范，導致建造CA冷藏庫的成本太高，能源消耗大，經濟效益不顯著。這就要求這個行業的從業人員，尤其是設計人員應該認真研究探討CA冷藏庫技術，使其精確化、規范化、簡易化，設計出經濟、實用、安全、操作簡便的CA冷藏庫。

參考文獻

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[2]劉建學食品保藏學中國輕工業出版社2006

[3]李勇食品冷凍加工技術化學工業出版社 2005

[4]劉北林食品保鮮與冷藏鏈化學工業出版社 2004

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[6]GB50072-2001冷庫設計規范中國計劃出版社 2001

[7]GB50016-2006建筑設計防火規范中國計劃出版社 2006