冷凍庫（Cold Storage）是冷凍空調工程中對系統可靠性與能源效率要求最為嚴苛的應用場域之一。從食品加工廠的急速冷凍隧道，到醫藥物流的超低溫冷庫，不同的使用需求對應著截然不同的設計參數與設備配置。本文將從工程師的實務角度，系統性解析冷凍庫設計的核心考量。

一、冷凍庫溫度分級與應用場景

冷凍庫依據儲存溫度可分為多個等級，不同的溫度區間對應不同的冷媒系統架構與設備選型[1]：

  • 冷藏庫（0°C 至 10°C）：蔬果、乳製品、飲料等短期保鮮，單段壓縮即可達成
  • 低溫庫（-18°C 至 -25°C）：冷凍食品長期儲存，符合 HACCP 與食品安全法規之基本要求
  • 超低溫庫（-35°C 至 -60°C）：遠洋漁獲急速冷凍、醫藥生技樣本保存，通常需採二段壓縮或複疊式系統

以台灣食品業最常見的 -25°C 冷凍庫為例，庫內外溫差可達 60°C 以上。如此巨大的溫差使得庫體隔熱、地坪防凍與冷橋控制成為設計成敗的關鍵因素[2]。

二、冷凍負荷計算

冷凍負荷的精確計算是設備選型的基礎。依據 ASHRAE Handbook — Refrigeration[3]，冷凍庫的總冷凍負荷由以下主要項目構成：

  • 傳導負荷（Transmission Load）：透過庫體牆面、天花板與地坪傳入的熱量，與庫內外溫差及隔熱材料的熱阻值（R-value）直接相關
  • 產品負荷（Product Load）：貨物從入庫溫度降至儲存溫度所需移除的顯熱與潛熱，需考慮呼吸熱（蔬果類）與凍結潛熱
  • 內部負荷（Internal Load）：照明、人員、堆高機等產生的散熱
  • 滲入負荷（Infiltration Load）：開門作業時外部暖濕空氣進入庫內所帶入的熱量與水分
  • 除霜負荷（Defrost Load）：蒸發器除霜過程中注入庫內的熱量

在實務上，滲入負荷常是被低估的項目。一座頻繁進出貨的大型物流冷凍庫，其滲入負荷可佔總負荷的 15% 至 30%[4]。快速捲門、風簾機（Air Curtain）與前室（Anteroom）的設置，是減少滲入負荷的有效手段。

三、冷凍系統架構與設備選型

壓縮機選型

冷凍庫的壓縮機選型取決於蒸發溫度與冷凍能力需求。對於 -25°C 冷凍庫，蒸發溫度通常設定在 -30°C 至 -35°C，此溫度區間以螺旋式壓縮機（Screw Compressor）為主流選擇，其容積效率在低壓比條件下優於往復式壓縮機[5]。

對於 -40°C 以下的超低溫應用，壓縮比過高會導致排氣溫度過高與容積效率急劇下降，此時需採用二段壓縮（Two-stage Compression）或複疊式系統（Cascade System）。複疊式系統以 R-404A 或 R-507A 作為高溫段冷媒、CO₂ 作為低溫段冷媒的組合，近年來因環保法規趨嚴而日益普及[6]。

蒸發器設計

冷凍庫蒸發器以冷風機（Unit Cooler）為主，設計重點包括：翅片間距（低溫庫通常 8–12 mm 以減緩結霜速度）、風量與送風距離的匹配、以及除霜方式的選擇。電熱除霜是最常見的方式，但其除霜期間注入庫內的熱量不容忽視——大型冷凍庫的除霜負荷可佔總負荷的 5% 至 10%[7]。

熱氣除霜（Hot Gas Defrost）透過將壓縮機排氣直接導入蒸發器盤管，除霜速度快且對庫溫影響較小，是大型冷凍庫的進階選擇。但系統管路設計與控制邏輯的複雜度顯著增加。

四、庫體隔熱與結構設計

冷凍庫的庫體隔熱是控制傳導負荷的根本。現代冷凍庫普遍採用聚氨酯（PUR/PIR）夾心板作為庫體材料，其導熱係數約 0.022–0.028 W/(m·K)[8]。

隔熱板厚度的選定需考量經濟性——增加板厚可降低傳導負荷與運轉電費，但增加初始建造成本。以 -25°C 冷凍庫為例，台灣地區常見設計為壁板 150–200 mm、天花板 200 mm、地坪隔熱 150–200 mm。

地坪防凍是冷凍庫設計中最容易被忽略卻後果嚴重的環節。當庫底溫度低於 0°C 時，地基土壤中的水分會結凍膨脹（Frost Heave），導致地坪隆起變形甚至結構損壞[9]。防凍措施包括：

  • 地坪加熱系統（Floor Heating）：在隔熱層下方埋設電熱線或熱水管路
  • 通風地坪（Ventilated Floor）：利用架高地坪下方的自然通風或強制通風

五、節能策略與智慧控制

冷凍庫的電力消耗中，壓縮機佔 60% 至 70%，蒸發器風機佔 15% 至 20%，冷凝器與其他設備佔其餘[10]。主要節能策略包括：

  • 變頻壓縮機：依據實際負荷調變壓縮機轉速，避免頻繁啟停，部分負荷時節能效果顯著
  • 蒸發式冷凝器：相較氣冷式冷凝器，蒸發式冷凝器可將冷凝溫度降低 8–12°C，壓縮機功耗可降低 10–15%
  • EC 風機：蒸發器與冷凝器風機採用 EC 馬達（Electronically Commutated Motor），配合變速控制，較傳統 AC 馬達節能 30% 以上
  • 智慧除霜排程：以蒸發器進出風溫差或壓差作為除霜啟動依據（Demand Defrost），取代固定時間排程，減少不必要的除霜次數

現代冷凍庫的監控系統（SCADA/BMS）可整合溫度、濕度、壓力、電力等多維度數據，搭配趨勢分析與異常警報，實現精準的能源管理與設備預防性維護[11]。

結語

冷凍庫工程是一門涵蓋熱力學、流體力學、材料科學與自動控制的跨領域工程。從精確的負荷計算、合理的系統架構選擇，到庫體的隔熱防凍設計與智慧化節能控制，每一個環節都環環相扣。隨著冷鏈物流的蓬勃發展與碳排放法規的日益嚴格，冷凍庫工程師面臨的挑戰只會越來越大——唯有以系統化的思維、扎實的工程基礎與持續學習的態度，方能因應。