冷链供应链系统下的冷库节能路径研究与实践

杨忻沈，王大山

（上海郑明现代物流有限公司，上海 200042）

0 引言

在双控政策下冷链供应链系统运营矛盾突出，一方面要不断强调“冷链不断链”，确保食品、药品的储藏温度安全；另一方面不断增加的冷链运行能耗为社会及企业带来巨大压力。冷库是冷链供应链系统的核心节点，目前我国所使用的冷库，采用的大多是压缩式制冷系统，这会产生极大的电能耗费，在全国耗电量中的占比高达15%。而随着可持续发展的提出，绿色节能环保的理念被更多的人重视，因此如何降低冷库的耗电量成为如今迫在眉睫的问题。

冷链供应链系统节能减排的问题已经受到广大学者和行业专家的关注。黄芳等以银川市某冷链物流公司旗下运营的两座冷库为例，运用时序指数平滑的方法构建冷库能耗预测模型，结果证明，通过构建合理的冷库能耗预测模型，可以对冷库短期内的能耗进行预测，从而为冷链物流企业未来的财务分析和决策提供依据[1]；顾瀚等以上海市某前置仓装配式冷库为研究对象，测试其在冷藏温区下运行的实际负荷，并通过MATLAB 建立冷库负荷相关因素的数学模型，研究结果表明，通过优化风幕机的相关参数，提高其最佳工况区间可达到节能的效果[2]；彭明等通过对我国冷链物流行业的现状分析，利用层次分析法对各能耗指标计算权重，构建了第三方冷链物流企业的冷链能耗评价体系，可应用于对第三方冷链物流企业冷链系统能耗水平进行评价[3]；江艳萍等从不同制冷系统、不同库容量和不同冷库类型三个角度对比分析了南北方冷库制冷系统的能耗，结果表明，南北方同容量、同类型的冷库制冷系统能耗存在一定的差异，但是差异较小[4]；刘广海等针对冷链运输装备运行过程中高能耗的问题，将所研制辐射制冷涂料应用于冷链保温箱外表面并展开隔热性能测试，试验表明，辐射制冷涂料在运用于保温层较薄的保温箱时效果较佳，在改善保温箱隔热性能同时可增大保温箱的有效容积[5]；吕五有等针对冷库围护结构的保温性能对冷库的运行能耗的影响程度进行研究，梳理了土建冷库建筑围护中砌体、保温形式、保温材料、墙体表面材料对保温的影响，并进行计算，结果表明采用外保温结构的冷库墙体保温性能最好，砌体结构的蓄冷量最大[6]；张川等通过设计配备性能测试实验装置以及自动开关门装置，研究了不同开关门频率对餐厅用室内装配式冷库温度及能耗的影响，结果表明，降低冷库开关门频率、选用制冷量稍大的变频机组，有利于较好地维持负载包的温度，降低系统整体能耗[7]。

本文以一个提供冷链供应链系统解决方案的企业的角度，结合行业中的实践经验和技术优势，对冷库能耗管理的关键点及关键设备参数进行了重点分析，以对冷链供应链系统下的冷库节能路径进行研究。

1 测量与分析

1.1 测 量

ZM 物流是国内规模头部的冷链物流企业之一，依托本集团广泛的冷库仓网布局，以不同地区运营的15 座冷库为调研对象，对集团各冷库2021 年能耗指标进行排名如表1 所示：

表1 ZM 集团冷库系统能耗对标kWh

从表1 排名中可看出，冷库系统能耗差异较大，这种情况下造成的冷链供应链系统的能耗效率不稳定，这不仅会造成冷库运营成本的增加，同时也会制约整个冷链供应链系统的高质量发展。

针对冷链供应链系统能耗管理存在的问题进行VOC &VOB（内外部客户需求&业务需求）分析：其中，对于整个冷链供应链系统来说，系统能耗过大主要问题存在于冷库耗电量过高，从外部解决这个问题的关键驱动在于降低冷库系统高峰能耗比例；对于冷库运营及质量维保人员来说，主要问题存在于系统运行各时段不稳定、系统运行各时段偏差不稳定，以及冷库系统能耗指标分解不清晰等，主要解决驱动在于降低系统运行各时间波动值、降低因能耗异常的汇报次数以及提升冷库系统能耗指标达标率，通过VOC &VOB 可以看出内外部客户的关键质量特性集中在冷库系统能耗，项目针对这个关键质量特性展开现状调查。

冷链供应链系统的生产过程主要在重量控制，因此，课题项目组将范围锁定在包装工序，将冷链供应链系统供应商分为工艺部、设备部、质量部、生产部及材料供应商5 个部分组成，从输入、过程、输出及客户4 个维度，设计流程范围用概要SIPOC 表，如表2 所示。

表2 ZM 集团冷库系统能耗测量与改进项目范围

1.2 分 析

课题组成员对4 月份冷库系统能耗进行了梳理，收集了30 份冷库系统能耗数据，并进行了过程能力分析。通过输入/输出分析，以冷链供应链系统流程中各能耗影响因素为输入指标，能耗波动及能耗超标量为输出指标，对各因素进行打分、排序，建立测量阶段因果矩阵如表3 所示及Pareto 图如图1 所示。

图1 冷库系统能耗影响因素Pareto 图

表3 冷库系统能耗影响因素因果矩阵表

通过表3 及图1，对18 个输入因子逐一进行打分，从中筛选出了6 个分值最高的输入因子，找到了影响冷链供应链能耗水平的关键因子，分别为“电流、吸气温度”、“内外环境压差”、“日常维修维护”、“光电灵敏度”、“开门频率”及“库内温度”，影响权重分别为24%、15%、15%、8%、8%及9%，累积影响力权重达到80%。

2 改进与实证

基于对影响冷链供应链系统下冷库能耗的关键因子的测量与分析结果，对各关键影响因子进行治理，对冷链供应链系统整体能耗进行改进。其中，将“光电灵敏度保养X1”、“日常维修维护时间无规律X3”及“开门频率高X4”3 个影响因子设置为快赢因子，通过加强冷库管理、完善冷库管理制度进行改善；将“电流、吸气温度与标准偏差大X2”、“库内温度高X5”及“内外环境压差大X6”3 个影响因子设置为潜在关键因子，通过系统性项目、技术实施方案进行改善。

2.1 快赢因子改善

针对影响因子“光电灵敏度保养X1”，具体改善管理途径为加强点检和过程保养清洁。在进行改善前，针对光电灵敏度、开关信号灵敏度无点检项目，未列入过程保养明细，无保养标准及时间，将产生一系列问题，比如由于未列入过程保养明细，无保养标准及时间，造成耗电量不稳定。对于这个问题，提出下列改进措施：

（1）新增点检要点：电气点检记录新增光电点检项目，确保设备运行正常。

（2）新增过程保养点位：在《冷库系统操作流程》、《设备保养作业细则》相关内容，新增光电保养点位。

（3）进行点检、过程保养培训：通过早会统一宣讲、重点部位点对点专项培训、现场指导、屏幕展示培训等方式，对执行保养的人员进行多次设备过程保养培训。

进行改善后，运行过程保养执行11:00、17:00 的定时停机保养制度，每次保养10 分钟，过程由值班长，设备管理员/技术员，维修工现场指导，并新增标准文件《冷库系统操作流程》、《冷库系统保养作业细则》。

针对影响因子“日常维修维护时间无规律X3”，具体改善管理途径为建立定期维护模型。在进行改善前，每月出现严重预警频次达到64 次，问题点主要存在于冷库系统冷凝蒸发、螺杆等设备产生负荷较大，启停较为频繁，增加故障率发生。对于这个问题，提出下列改进内容：

（1）课题组成员根据维修、维护统计表，分层安排维护时间：将冷凝蒸发撬块、螺杆并联机组等检修发生频率进行了统计，按此方法对冷库系统组成部分的维护时间进行了分层，同时统计了维护备件需求计划。

（2）组织相关人员设计并建立定修模型：在生产车间召开了关于日修维护停机问题的会议，针对球磨机组成部分的维护时间进行探讨，分析球磨机组成部分的维护频率，并分析其规律，维护人员、操作人员根据目前的维护过程发表了模型意见。

进行改善后，通过建立定期维护模型，单月份出现严重预警频次从改善前的64 次降低到3 次，并新增标准文件《定期维护模型》。

针对影响因子“开门频率高X4”，具体改善管理途径为建立冷库门关门管理制度。在进行改善前，单月份出现1 分钟内未关门数量达到14 次，由于冷库未及时关门，导致冷库内达不到设定的温度，压缩机不停地运行，造成系统能耗损耗大。对于这个问题，提出下列改进内容：

（1）冷库门关门管理制度：原则上30s 内冷库门需关上，冷库快卷门和门帘必须保证完好，不允许出现拉坏和把门帘挂起来；

（2）定期检查密封条：定期检查密封条性能，随时处理冰、霜、水，保持冷藏门的严密性，防止运输工具碰撞库门，库房照明应按前、中、后分组控制；

（3）减少开灯数量：作业人员进库后应尽量减少开灯数量和时间，并做到人走灯灭。

进行改善后，单月份30s 未关门数量降低至1 次，并新增标准文件《冷库门关门管理规定》。

2.2 潜在关键因子改善

以上是针对快赢因子的改善计划和效果，下文针对潜在关键因子的改善，通过系统性的项目改进计划完成，如表4 所示。

表4 冷库系统能耗潜在关键因子改善计划

针对库内温度的改善计划，课题组对国内多家有相关专业资质、多个成功案例的供应商进行了建设经验调研，课题组成员联系了一家供应商进行现场交流，讨论出具体的解决方案，同时对建设意见进行了对比、通过功能选择及优势分析，确定了回笼间的建设技术方案，并提出加装快速卷门。

经过课题组研究，回笼间采用现浇混凝土进行建设，尺寸为2 500*1 800*2 000（宽*深*高）大小，配备快速卷门，建设后效果如图2 所示。

图2 冷库系统能耗影库内温度改善措施

通过建设回笼间及装配快速卷帘门，库内温度波动值从之前的8.0°C 降低至3.6°C，达成了课题目标5°C。

针对库内、外环境压差的改善计划，课题组对冷库系统仓库内容量、冷气进气口条件等进行了建设经验调研，研讨技术方案，小组成员同时对加装冷气吹风口进行了对比，对需要功能选择、成本、制冷效果、优势进行分析，最终确定冷库系统冷气吹风口技术方案，并确定冷气吹风口设备参数，将绘制的技术图纸发送至供应商，冷气吹风口设备备件运送至冷库系统仓库内时，将技术下发至机修组，机修组按照技术图纸进行安装，效果图如图3 所示。

图3 通过加装风机解决冷库系统内外环境压力差

针对电流、吸气温度的改善计划，课题组展开全因子设计分析，建立面板数据如表5 所示：

表5 冷库系统能耗-电流、吸气温度面板数据

基于表5 的面板数据，建立ANOVA 模型，对电流、吸气温度与冷库系统能耗进行多元回归分析，总结关键回归分析统计量表如表6 所示：

表6 项目改善后冷库系统能耗与电流、吸气温度回归分析统计量整理

通过表6 得知，主效应项中，P 值为0.000，显示所选定的模型中主效应总体是显著的，在失拟一栏中，P 值为0.953＞0.05，显示拟合的模型没有明显失拟，变量电流（A）与变量吸气温度相比蒸发温度（°C）的方差膨胀因子均小于5，说明变量之间没有多重共线性问题，模型拟合效果稳定，无需通过删减变量进行模型优化。

对电流、吸气温度与冷库系统能耗的ANOVA 模型拟合结果进行残差诊断，得到冷库系统能耗残差图如图4 所示：

图4 电流、吸气温度拟合冷库系统能耗残差图

对电流、吸气温度拟合冷库系统能耗残差图进行残差的“四合一”图分析，得到如下结论：

（1）观察残差对于以观测值顺序为横轴的散点图，随机在水平轴上无规则地波动，说明此图正常；

（2）观察残差对于响应变量拟合值的散点图未呈现显著偏移性异动，说明此图正常；

（3）观察残差的正态性检验图，服从正态分布，说明此图正常；

（4）观察残差对于电流（A）、吸气温度相比蒸发温度（°C）的散点图未呈现规律性偏移，说明此图正常。

因此，项目改善后的电流、吸气温度与冷库系统能耗的回归效果显著且过程平稳，说明通过控制制冷压缩机电流，控制吸气温度与蒸发温度差值，可以有效降低冷库系统能耗。

通过MINITAB 系统工具，对选定模型进行分析解释，生成冷库系统能耗与电流（A）、吸气温度相比蒸发温度（°C）的等值线图及曲面图，如图5 所示：

图5 冷库系统能耗与电流（A）、吸气温度相比蒸发温度（°C）模型分析

通过图5 从等值线图、曲面图分析可知，当电流（A）设定为45A，吸气温度相比蒸发温度设定为5°C 时进行改善，冷库系统能耗达到最小值。

2.3 实证分析

基于冷库系统能耗6 个关键因子进行改善后，以广州雅川冷库为实证对象，对系统运行日报、周报、月报进行测量，以冷库系统能耗为观测变量，开展时长1 个月的观测。课题组成员对观测月份冷库系统能耗进行了梳理，收集了30 份冷库系统能耗，如表7 所示。

表7 项目改善后的冷库系统能耗测量数据收集

对于改善前后的各30 组冷库系统能耗测量值进行对比，建立改善前、改善后的2 组能耗分布直方图，进行对比分析如图6 所示。

通过图6 可知，控制过程中无异常点出现，说明改善过程处于受控状态，能耗偏移得到显著提升，说明基于本文选中的关键因子对系统能耗进行改善的效果显著。对改善后的30 组冷库系统能耗进行样本统计如表8 所示。

表8 项目改善后的冷库系统能耗统计量

通过表8 可知，经过项目改善后，冷库系统能耗的期望值降至4 764.41kWh，有95%的概率落在4 755.78kWh 至4 767.52 kWh 之间，低于改善前设定的目标4 800.00kWh，达成了课题目标。

对项目改善后的经济效益进行估算，统计本次改善样本：雅川冷库的3 个月制冷压缩机运行时间分别为183.5 小时、192.4小时及186.7 小时，总计562.6 小时，3 个月观测期的冷库系统能耗分别为4 922.28kWh、4 876.35kWh 及4 895.54kWh，若将冷库能耗降低至4 764.41kWh，以广东地区每度电1 元钱成本测算，仓储规模为20 000 平方米的雅川冷库，项目改善后的经济效益为全年30.08 万元。

3 结论

针对冷链供应链系统下冷库节点的节能问题，本文综合运用了VOC &VOB、CTQ、SPOIC、过程能力分析、控制图、快赢改善、假设检验、回归分析及全因子试验等各类精益工具，对影响冷库系统能耗的各项因素进行测量、分析、改进及控制，得到影响冷链供应链系统下冷库能耗的关键因子分别为光电灵敏度、电流、吸气温度、日常维修维护、开门频率、库内温度及内外环境压差，并提出通过加强点检和过程保养清洁、DOE 试验设计得到电流、吸气最佳水平、建立定期维护模型、建立冷库门关门管理制度、增加冷库系统回笼间及增加冷库系统冷气吹风口解决上述问题，且在企业内部新增《冷库系统操作流程》、《设备保养作业细则》、《压缩机运行作业指导书》、《定期维护模型》、《冷库门关门管理规定》、《冷库系统回笼间技术方案》及《冷库系统冷气吹风口技术方案》等新标准。基于研究结论，以企业内部以冷库为真实场景进行实际应用，做了改善后验证，实证结果显示，经关键因子改善后可显著降低冷链供应链系统能耗，以广东地区某规模为20 000 平方米的冷库为例，通过节能全年预计产生超过30 万元的经济效益。