應用于冷鏈的前置倉現狀與展望

趙 舉 顧 瀚 陳 曦

（1.上海市質量監督檢驗技術研究院 上海 200072；2.上海理工大學能源與動力工程學院 上海 200093）

0 引言

近年來，我國生鮮市場在電商的帶動之下發展迅速，2019年中國生鮮電商的市場規模達到1620億元[1]，并持續保持增長勢頭，如圖1所示。隨著疫情的發生而導致消費習慣的改變，越來越多的消費者采用線上下單線下配送的方式購買生活用品，生鮮農產品占據其中的較大比重，然而食物本身的特性導致在常溫下極易發生腐爛變質現象，從而對消費者的健康與安全造成隱患，因此運輸該類產品對于冷鏈的完整性及時效性都有著嚴格的要求[2]。

圖1 2018-2021年我國生鮮電商市場規模及預測Fig.1 Scale and forecast of fresh e-commerce market in China from 2018 to 2021

前置倉是電商發展、市場需求增加及冷鏈產業推進的背景之下所提出的一種倉儲新概念，根據《前置倉管理規范》（T/CCFAGS 016-2020）定義是一種通過企業總部線上經營，將顧客訂單通過前置在社區的服務站，實現商品快速到達的零售業態，店面承擔日常商品儲存和履約配送服務，是解決“最后一公里”問題的有效方式之一[3]。

但受限于發展初期的運營成本，區域數據的積累分析，以及早期基礎性設施的老舊問題，前置倉概念受到關注的同時在推廣及運營過程中存在不少挑戰[4]。

目前，國內已涌現出一批采用前置倉模式的電商企業，以每日優鮮為例，其截止至2019年已于20 個主要城市開設了1500 多個前置倉，如圖2所示，然而前置倉在發展的過程中缺少具體的詳細標準及適用的規范[5]，因此前置倉建設需要參考傳統冷庫的相關研究并結合其實際運營過程中的特點。

圖2 2019 部分電商前置倉數量Fig.2 The number of some e-commerce front warehouses in 2019

1 前置倉制冷設備

前置倉根據運營模式可主要分為兩大類[6]：店倉一體類前置倉及純倉儲類前置倉。不同類型的前置倉所采用的制冷系統上也會有著各方面的差異，如表1所示。

表1 不同類別前置倉的特點及代表企業Table 1 Characteristics and representative enterprises of different types of front warehouses

根據GB/T 24616-2019 標準中對于冷藏產品的規定其存儲溫度范圍應控制在0～8℃，對于冷凍產品溫度需低于-18℃，其中尤其需要注意蔬果生鮮產品有別于普通冷藏貨物對存儲環境具有特殊的保鮮要求，因此前置倉進一步細分存儲模式就具有必要性。

1.1 純倉儲類前置倉

目前，純倉儲類小型前置倉主要使用裝配式冷庫進行貨物的統一存儲。

為應對貨物的多溫區存儲需求，目前前置倉及商超所采用的主要方案為一機單庫或一機多庫模式。其中一機雙庫方案適通過使用多個冷風機分別為不同的冷庫進行供冷，如圖3所示，當庫溫達到設定點后關閉電磁閥停止該區域的制冷，該方案對于庫內溫度控制得較好，但由于多個風機的分別運行會出現交替工作的狀況，因此需要合理設置蒸發溫度或安裝延時裝置防止壓縮機頻繁的啟停[7]。

圖3 一機雙庫制冷系統流程圖Fig.3 Schematic of a refrigeration system about one machine with two rooms

1.2 店倉一體類前置倉

隨著移動設備及互聯網的普及，傳統商超企業為應對市場變化、改變運營模式，對門店進行了店倉一體化的轉型，使其同時履行到店購物及社區配送的作用，如圖4所示。該類前置倉相較小型純倉儲前置倉具有更多的冷柜設備，隨著我國對于冷柜設備自主研發能力的不斷增強，商超領域對蔬菜、肉類儲存保鮮方面意識的提高，商用冷柜的市場份額增幅因此不斷上升。

圖4 店倉一體類前置倉示意圖Fig.4 Schematic diagram of store warehouse integrated front warehouse

市場上針對生肉、熟肉、海鮮、乳品等產品也進行了專用冷柜設備的劃分，為豐富前置倉的貨物種類提供了方案；互聯網智能技術可幫助管理者進行貨物盤點、實時監控等管理工作，為消費者食品安全提供了保障[8]。針對如三文魚等最佳存儲溫度在-45℃以下的特殊商品可選擇低溫冷柜設備進行獨存儲，以此進一步完善前置倉的貨物種類、提升服務質量。

2 前置倉性能研究

2.1 圍護結構

目前前置倉的主流保溫材料主要有膨脹珍珠巖、聚苯乙烯、聚氯乙烯、聚氨酯、真空絕熱板等，材料的優缺點如表2所示[9]。

表2 前置倉主流保溫材料比較Table 2 Comparison of main thermal insulation materials for front warehouse

由于前置倉在實際使用過程中受到人員進出及庫門開關因素的影響，其內部溫度波動較為頻繁，為評估圍護結構在該類環境條件下對建筑內部的影響，Xu 等[10]提出了一種采用頻域回歸的遺傳算法對3R2C 建筑圍護結構熱網絡模型參數的優化方法。該模型對于輕質墻體可提供非常高精度的動態傳熱計算，研究可用于計算前置倉圍護結構的動態傳熱量。Tian 等[11]采用半經驗公式計算庫門處的滲風量，提出了一種簡化的3R2C 模型。得出冷庫內部負荷增減與存儲貨物之間的函數關系，模型在輸入內外環境數值和貨物參數的條件下可準確預估大型冷庫的實際能耗。

前置倉實際建設過程中在滿足保溫性能的同時，還需考慮建設及后續維護成本。Mohammad等[12]以約旦的四個主要代表城市為對象，給出了考慮節能與投資回收期的參考指標，對比了巖棉、膨脹聚苯乙烯和聚氨酯三種絕熱材料的使用對冷庫的影響。

正確的運用絕熱材料可以有效降低冷庫外部熱量的滲入，降低制冷系統的負荷。應對突發的事件，可適當選擇熱容較大的保溫材料以降低冷庫溫度波動的幅值。針對不同地區的氣候條件，前置倉的建設應在滿足圍護結構性能要求的前提下，考慮初投資、回收周期、日常消耗等多個因素。

2.2 庫內氣流影響

冷庫內部氣流組織根據如送風方式、設備布置、貨物堆放的不同，最終會對冷庫整體的溫度場速度場的分布造成相關影響。在進行前置倉設計的過程中滿足貨物儲存溫度的同時還需將溫度均勻性，貨物表面流速等會對貨物品質造成影響的指標也應納入研究對象。

Liu 等[13]對比了多風機、夾套式送風模式下冷庫內部的溫度場分布，以果蔬質量損失為評估指標，表明了夾套式送風模式具有最好的溫度場分布。趙磊等[14]驗證了冷庫采用孔板送風方式的優點，具有降低庫內溫度波動及空氣流速，減少果蔬干耗從而延長保鮮周期的優點。Serap 等[15]使用CFD 模擬對比了兩種制冷系統的溫度分布情況，結果表明相較于常規冷庫系統，在天花板上擁有空氣分配孔的冷庫可使庫內的溫度和相對濕度分布更加均勻。

張銘等[16]研究了風機間距、貨物間距對冷庫內部溫度場的影響，結果表明按照冷庫長度等間距布置風機不一定具有最好的溫度均勻性，貨物的間距則需要同時考慮相互間隙以及與墻體的距離。Chourasia 等[17]通過CFD 模擬的方式，研究了冷庫內的氣流組織、濕度與溫度場分布，為優化盤管及風機的布置、降低蔬果水分損失、提升庫內溫度均勻性提供了理論依據。

Ulrike[18]等將未經包裝的蘋果以箱為單位進行存儲，通過改變冷庫內部風機轉速研究了貨堆間距以及箱內蘋果間隙的流速，結果表明相較于貨堆間距，箱內蘋果間隙空氣流速隨著其靠近上部冷風機及風機轉速的提高呈現更大的上升趨勢，該實驗為后續研究貨物表面空氣流速對其質量和傳熱方面的影響提供了參考，可用于完善貨物存儲的質量維護。

上述研究從送風方式、風機布置以及風速影響方面進行了冷庫送風的研究，在建設前置倉時應考慮貨物（如蔬菜水果）對于溫濕度的敏感性等方面，選取合適的送風方式、設備布置及貨物擺放方式。2.3 顧客交互下前置倉性能研究

前置倉與顧客交互集中體現在冷柜中貨物的取存，為了保證貨物質量多采用封閉式冷柜，為了解封閉式冷藏柜內部的熱現象，Nattawu 等[19]建立了用于冷藏柜的分區傳熱模型，考慮內部貨物、空氣幕的使用、外部空氣的滲入、內部外部的燈光輻射等實際使用環境下的影響因素，結合實測數據驗證了該模型，其后續研究可為冷柜設備的優化及設計提供理論參考。

封閉式冷柜在開啟及關閉過程中所造成的熱質交換現象會破壞柜內的穩定溫度場從而影響貨物的品質。Tommie[20]等針對德國某超市內顧客與冷柜設備的交互環節，對冷柜的開門頻率和特征進行了量化分析，收集所得的數據包含冷柜開門的角度、時間和速度，該類研究可用于制定冷柜設備的規范標準以及用于設計更為節能的冷柜設備。

目前小容積冷柜主要采用R600a 制冷劑，而容積較大的冷柜考慮到充注量的問題主要采用R134a 和R290 制冷劑，對制冷溫度要求較低的冷凍產品一般使用R404a 和其他低溫制冷劑[21]。

天然制冷劑是替代市場上非環保制冷劑的方案之一，其中CO2制冷系統由于其系統體積小，工質易獲取而受到大量關注，相關學者[22]采用雙級壓縮的方式降低了CO2系統壓力過高的問題，表現出了其替代傳統氟利昂制冷劑單級壓縮制冷系統的可行性。

3 前置倉設備經濟性研究

前置倉由于靠近居民區，其選址不可避免會所造成較高的地租成本和人工水電成本，影響前置倉設備的經濟性主要體現為初投資和運行費用，初投資主要集中在圍護結構以及制冷設備的投資，張秋玉[23]等對小型裝配式冷庫建立了物理模型，通過Matlab 對制冷量及圍護結構進行了分析，研究得出，制冷系統制冷量配置需限制在一定范圍內，對于圍護結構，從經濟性角度考慮，應根據冷庫使用時間選擇相應方案，對使用時間較短的臨時性冷庫，保溫層厚度按推薦值；冷庫使用時間較長時，建議在推薦值的基礎上增加保溫層厚度。

針對于前置倉設備，降低能耗可從制冷系統及新型節能技術著手：采用高效換熱器、變頻壓縮機并對系統參數進行優化；使用新型制冷劑在無改動或較小程度的變動下達到環保節能的目的；蓄冷技術的運用可以降低系統運行成本[24]，為系統提供持續穩定的冷量[25]；此外如地埋管[26]、熱回收[27]等技術可根據實際冷庫選址進行區域化的調整。

對于運營費用，運營者可從規范前置倉人員操作、降低設備運營費用、減少貨物銷售過程中產生的浪費等方面著手。

3.1 貨物進出操作

相較店倉一體類的大型前置倉，純倉儲類的社區小型前置倉店面規模普遍較小，更容易受到外部熱量滲入及內部人員操作的影響，其中由于產品進出倉庫所造成的內外空氣交換是造成前置倉庫溫波動的主要原因之一。

現有前置倉裝配式冷庫主要采用鉸鏈門作為庫門，在實際的使用過程中快速的開關操作會造成外部熱空氣的滲入。Rui 等[28]對比了鉸鏈門和滑動門在開閉過程中由于外部空氣滲入對冷庫所造成的影響，結果表明采用滑動門可以有效減少由于開關門操作所引起的室內外質量交換，有利于降低庫內溫度。張川等[29]以餐廳室內裝配式冷庫為對象，分別采用電加熱化霜的定頻冷凝機組和熱氣融霜的變頻冷凝機組兩套系統，研究了不同開門頻率對冷庫內部溫度分布、貨物溫度分布和系統耗電量的影響。結果表明變頻機組和熱氣融霜有利于穩定庫內溫度波動及貨物溫度。上述兩項研究為改進及建設前置倉提供了相關依據，同時使用空氣幕及幕簾設備也可有效減少外部熱空氣的滲入。

貨物的進倉操作不僅會對庫內溫度有一定干擾，同時也會對庫內貨物造成影響，馮坤旋等[30]針對這一問題研究了在非滿倉情況下進倉貨物的溫度及進貨量對庫內貨物的影響，在此基礎上給出了采用多批次少量進行進貨的建議。同時相關研究還表明利用夜晚平均溫度較低的特點進行貨物的裝卸工作可有效減少能源消耗，降低前置倉運行成本[31]。

3.2 除霜作業

對于整個制冷系統而言，蒸發器的霜層會增加熱阻，導致系統功耗升高、增加壓縮機的負荷，導致前置倉運營成本上升，因此從節能及保證設備正確運行的方面考慮，必須及時地對蒸發器進行除霜工作，同時盡可能地減少對冷庫環境的影響。

冷庫常用的除霜方式[32]有人工掃霜、乙二醇化霜、水融霜、電加熱除霜、熱氣融霜。電加熱除霜系統簡單、操作方便是目前的主要除霜手段，但這一方法耗電量較大、且除霜過程中會對小型冷庫內的溫度造成較大影響；其中熱氣融霜利用壓縮機排出的高溫制冷劑進行除霜，除霜速度快且加熱蒸發器均勻，可以有效降低除霜過程的能耗、節省部分電能，除了會增加系統初投資外，是較為經濟的一種除霜手段。

通過采用優化除霜功能的設備[33]或結合蓄冷技術[34]可進一步減少除霜過程中的庫溫波動，完善除霜作業，以此保證冷藏冷凍產品的品質。

3.3 貨物包裝

貨物包裝在物流環節中起到了保護及儲存的重要作用，據相關研究[35]，食品會因包裝材料以及包裝形式的不同對貯藏期間的品質產生較大的影響，從而使貨物的可存儲時間延長或減短。

目前前置倉配送主要采用塑料為主要包裝材料，隨著相關政策的頒布及環保意識的提高，尋找替代的包裝材料也成為問題之一。為解決環保問題，新型的食品包裝材料包括復合包裝材料、可食性包裝材料、可降解包裝材料、納米復合材料[36]也相繼出現。因此前置倉在進行存儲及配送中所使用的包裝在滿足食品安全要求的同時綜合考慮包裝消耗、回收處理、環保等多方面因素，以降低運營成本。

4 結論

疫情的爆發以及我國對于冷鏈物流需求的確認，使得前置倉再次成為了物流行業發展的關注點，隨著冷鏈產業鏈不斷完善，前置倉模式幾乎是終端存儲的必然選擇。

從冷庫和冷柜設備相關新型技術來看，各類環保節能、高效安全的技術不斷涌現，如無人化等技術的應用將隨著前置倉的不斷升級而投入使用，但相關的具體研究仍舊缺少，設備的提升改進仍有較大的空間，在企業快速鋪設前置倉站點的同時，也可嘗試采用新型技術進行試點。從運營管理方面來看，服務與成本之間的矛盾問題仍待解決。相信隨著行業的不斷發展及相關規范的制定及改進，前置倉將會擁有良好的發展和應用前景。