中國低溫冷藏車節(jié)能減排的研究

朱進林謝 晶

ZHU Jin－lin1，2XIE Jing1，2

（1.上海水產品加工與貯藏工程技術研究中心，上海 201306；2.上海海洋大學食品學院，上海 201306）

易腐食品的低溫運輸作為食品冷藏鏈的最薄弱環(huán)節(jié)之一，不僅影響到食品的腐敗變質，而且關系到人群的身體健康問題［1］。據(jù)統(tǒng)計［2］，中國每年由于冷藏運輸造成的易腐產品損耗量占整個冷鏈易腐產品損耗量25%～30%?？v觀整個冷藏運輸行業(yè)，目前在運輸結構中，鐵路冷藏運輸占55%，仍占據(jù)著主體部分［3］。但是，公路條件的改善有效解決了部分低溫運輸產業(yè)效率低、耗能高的問題。有報告［4］指出，2001年以來，中國公路冷藏車運量年均增長、公路冷藏運輸?shù)目偭看蟠笤黾樱@導致中國冷藏汽車的需求量大幅增長。公路冷藏運輸汽車與水上、空中等其他低溫冷藏運輸設備相比，具有機動靈活，適應性強的特點，能夠較好發(fā)揮汽車的經濟效益，并把這種經濟效益體現(xiàn)在汽車使用與流通全過程中，實現(xiàn)所謂的“遠距效益”、“時間效益”和“運輸品質量效益”［5］。面對能源日益枯竭的時代背景，節(jié)能和可持續(xù)發(fā)展已經成為時代的主題。公路冷藏運輸作為運輸行業(yè)的重要組成部分，冷藏運輸車的耗能已經成為研究者關注的熱點，對其進行節(jié)能減排的改進是一項亟待解決的任務，對社會的發(fā)展有著十分重要的現(xiàn)實意義。

1 中國冷藏車發(fā)展歷程和現(xiàn)狀

中國的公路汽車冷藏運輸是從20世紀50年代后期開始興起的。最初，中國使用加冰改裝的載貨保溫車向一些東歐國家出售冷凍肉類、禽蛋等易腐食品。60年代初，在中國一些商業(yè)機械廠開始出現(xiàn)了改裝的國產解放牌保溫貨車。后期由于冷藏保溫車的種類、數(shù)量、質量不能滿足水產、外貿、衛(wèi)生等部門的要求，中國先后從一些冷藏技術發(fā)達國家引進了數(shù)百輛中大型保溫汽車。70年代中期左右，中國開始涉足冷藏保溫汽車生產。1981年全國有10家企業(yè)改裝冷藏保溫汽車，年產量約700輛，其中冷藏汽車不足10%［6］。近年來，伴隨著科技、經濟的高速發(fā)展和人民生活水平的不斷提高，一些偏遠經濟相對落后地區(qū)也逐漸使用低溫冷藏車，公路冷藏運輸在中國有了一個較為快速發(fā)展時期。據(jù)預測［7］，中國冷藏車的需求量將以20%～25%的速度遞增，應用領域從最初的肉類、奶制品、冷飲、果蔬等易腐食品行業(yè)擴展到醫(yī)藥、國防、電子、生物等任何有特殊溫度需求的行業(yè)。

據(jù)《2008年中國保溫冷藏車市場調研報告》［8］統(tǒng)計：中國冷藏保溫車輛約為3萬輛，美國和日本分別為20萬輛和10多萬輛，中國的人口分別為美國的4.6倍和日本的9.6倍，國土面積與美國差不多，是日本的20多倍，按照人均冷藏保溫車保有量計算，中國只是美國和日本的1／3左右，在市場方面還有很大發(fā)展空間；2006年市場份額調查顯示，保溫車重型達到1.4%，中型達到15.8%，輕型達到82.8%；冷藏車重型份額達8.7%，中型達到27.8%，輕型達到63.5%。在冷藏車產品結構方面，未來格局將進一步整合。

縱觀中國低溫運輸行業(yè)，與發(fā)達國家相比還有很大差距。從冷藏運輸車研發(fā)技術、保有量到冷藏車的品種等，目前還是處在一個較低的水平上。從最初的進口保溫車到改裝以及到最后的自主研發(fā)冷藏車，起步晚、研發(fā)工藝低、耗能高、保有量少等一定程度上制約了中國低溫運輸行業(yè)的發(fā)展。

2 冷藏車的節(jié)能減排研究

目前國外冷藏車技術的研究已經相當成熟，大量性能優(yōu)良、運行穩(wěn)定、能耗低的冷藏車已經投入應用。由于公路冷藏車的能耗來源于很多方面，目前中國關于冷藏車節(jié)能減排方面的研究還處于起步階段。對冷藏運輸裝備節(jié)能研究主要集中在改善車廂圍護結構、優(yōu)化制冷裝置以及車外熱環(huán)境、空氣滲透、貨物堆放及包裝方式、空氣幕的布置與能耗關系等［2］。文章對已開展的冷藏車的節(jié)能減排從以下幾個方面進行回顧。

2.1 改進冷藏車的自身結構

對低溫冷藏車的結構改進主要集中于冷藏車廂體結構和隔熱材料的選擇以及動力系統(tǒng)方面的研究。

低溫冷藏車廂體的隔熱材料和結構直接影響著冷藏車的絕熱性能、機械強度、環(huán)保性能和經濟性［9］。作為廂體結構必須具有氣密和保溫性能，其骨架必須具有斷熱和承載的雙重能力。根據(jù)隔熱車廂結構型式可以分為整體結構和拼裝結構，目前以“三明治”板粘接式結構應用最廣。Pannozzo等［10，11］研究指出，冷藏車廂體結構的絕熱系數(shù)伴隨著時間的變化而逐漸減小。新型氣密保溫復合材料如鋁合金、不銹鋼板和聚氨酯發(fā)泡材料的使用加強了廂體的絕熱性能。廂體的外蒙皮及內壁采用玻璃鋼或鋁型材、地板采用不銹鋼、后門五金件采用不銹鋼或鋁合金件、門鉸鏈采用暗裝結構等都是近幾年國內外流行的做法［12］。一些新的整體骨架注入發(fā)泡技術如空心玻璃鋼整體發(fā)泡澆鑄成型技術，也在不斷被研發(fā)出來，在未來幾年內可以實現(xiàn)區(qū)域性廂體的加工制造。

聚氨酯硬質泡沫塑料、聚苯乙烯泡沫塑料和擠塑聚苯乙烯泡沫是目前較為理想的隔熱材料，它們具有質量輕、熱導率低、絕熱效果好的特點。ATP條約［10］（agreement for the transport of perishables）指出，一般要求隔熱材料熱導率為K≤0.7W／（m· K），優(yōu)質隔熱材料熱導率為K≤0.4W／（m·K）。聚氨酯硬質泡沫塑料熱導率為K＝0.03W／（m·K），被廣泛的用于低溫冷藏車上。

Mashud等［13］對使用了隔熱相變材料（phase change materials，PCMs）的冷藏車和傳統(tǒng)冷藏車進行了漏熱量計算，試驗發(fā)現(xiàn)，與傳統(tǒng)冷藏車相比，使用了相變材料的冷藏車在峰值期間，壁面平均能降低29.1%漏冷量；對單個壁面而言，冷量減少損失幅度在11.3%～43.8%；日平均能減少冷量損失約16.3%。

孫永才等［14］利用真空絕熱板為嵌板、玻璃鋼為內外側壁面材料以及聚氨酯為填充材料，在冷藏車上應用了分片式高壓灌注真空隔熱圍護結構。通過對使用不同材料冷藏車廂進行冷量損失和耗能情況計算，得出真空隔熱材料廂體比常規(guī)隔熱材料廂體節(jié)能約30%。

此外，合適的動力系統(tǒng)優(yōu)化，如改變冷藏車傳動系的傳動比，使車身常用工況處于發(fā)動機特性曲線最佳經濟區(qū)，有效降低冷藏車的燃油消耗，對于提高冷藏車節(jié)能減排也有一定的積極意義。經過幾十年的發(fā)展與變遷，冷藏車朝著“節(jié)能、環(huán)保、低能耗”的方向發(fā)展。對冷藏車“減排”技術主要體現(xiàn)在兩方面［1］：① 采用電子控制技術將汽油發(fā)動機電子點火改為電子直接噴射、增加進排氣門、對進氣進行預熱、改善空氣燃氣比等過程，減少廢氣排放，提高熱效率；② 積極研發(fā)新能源，使用新能源汽車如電動力、液化氣體燃料、液態(tài)清潔燃料以及混合動力等新型動力汽車。目前中國自主品牌汽車在混合動力方面技術比較成熟，如廣州某公司歐V混合動力客車運行一年半，出勤率98%，其節(jié)油率達25%［15］。

2.2 冷藏車制冷系統(tǒng)的選擇

冷藏車根據(jù)制冷方式主要分為機械制冷、蓄冷板制冷和液化氣體制冷3種。就目前而言，機械制冷的冷藏車占據(jù)著主要的冷藏車市場，它們應用在眾多場合，具有溫度均勻、操作簡單等優(yōu)點，但其也存在結構復雜、容易出現(xiàn)故障、維修費用高以及冷卻速度慢等問題。

2.2.1 液氮冷藏車 具有結構簡單、運行可靠、降溫速度快、車廂內溫度分布均勻、環(huán)保等優(yōu)點，深受大眾的喜愛，但也具有成本高、運輸途中液氮補給困難等缺點。目前中國學者主要對其液氮噴淋技術和液氮冷凍性能展開研究，為其廣泛應用奠定基礎。張玉文等［16］闡述了液氮噴淋技術的必要性，介紹了冷藏車噴淋箱體的試驗測試，得出該技術具有推廣應用價值的結論。李艷等［17］模擬分析了液氮冷藏車冷藏箱內流場、溫度場、食品凍結特性以及凍藏冷藏運輸中食品溫度變化特性等，并提出有效充分利用冷源的技術措施。

2.2.2 蓄冷板冷藏汽車 依靠其自帶的冷板蓄冷維持車廂內的冷藏溫度，運營成本低、易于維修和冷板能重復利用，主要用來中短途運輸冷藏貨物，其不足是制冷時間有限，冷卻速度慢。冷板相變蓄冷劑的選擇和沖放冷時間影響因素和冷板換熱性能方面研究成為人們關注的焦點。李曉燕等［18］針對相變制冷劑的要求，提出一種新型相變制冷劑，并對其可用性進行了驗證，結果表明該介質相變溫度－6.9℃，適用于蓄冷板冷藏車。楊培志等［19］對冷藏車內冷板的相變傳熱進行了研究分析，結合數(shù)值模擬，為冷板車內冷板結構設計提供參考。

2.2.3 液態(tài)CO2氣化制冷冷藏車 該技術是近年來剛提出的，嚴嘉等［20］將液態(tài)CO2冷藏車與機械式和冷板冷藏車進行了比對分析，從初投資、設備折舊、維修費以及能耗費幾個方面進行了經濟性分析，數(shù)據(jù)結果顯現(xiàn)，液態(tài)CO2冷藏車制冷費用比機械式冷藏車低42%，比冷板式冷藏車低28%，為冷藏車技術指明了一個新的研究方向。

選擇不同的制冷系統(tǒng)，對于冷藏車運輸具有十分重要的現(xiàn)實意義。既確保了低溫運輸?shù)恼Ｐ枰?，又避免了“大馬拉小車”，能量逸散的現(xiàn)象，符合“節(jié)能減排、可持續(xù)發(fā)展”的時代要求。針對低溫運輸距離長短，貨物數(shù)量種類、數(shù)量以及冷藏冷凍溫度的實際情況，有目的有規(guī)劃的選擇合適制冷能力的冷藏車，能夠緩解目前能耗高、效益低的低溫運輸壓力。

（1）對于機械制冷式冷藏車而言，圍繞制冷機組進行節(jié)能環(huán)保新技術突破，是其主要研究方向。包濤等［21］在采用平行流冷凝器的冷藏車內，對R134a和R404A進行了換熱和流動情況的模擬，結果表明，在冷藏車運行工況范圍內，R404A的傳熱和流動性能優(yōu)于R134a。張哲等［22］對機械制冷冷藏車內蒸發(fā)器結霜特性進行了深入研究，得出入口空氣參數(shù)對蒸發(fā)器結霜厚度和換熱量的影響規(guī)律，指出對蒸發(fā)器進行優(yōu)化設計，良好的融霜控制方式是維護機組正常運行，提高工作效率的有效手段之一。

（2）機械冷板冷藏車是一代冷板冷藏車的改進版，擁有更強的適應性。其自身攜帶制冷機組和壓縮機，只需地面供給電源，就可完成冷板的充冷過程。冷板設計和制冷機組以及壓縮機的優(yōu)化是提高冷藏車運行性能，達到節(jié)能目的的關鍵因素。闞杰等［23］給出了機械冷板冷藏車的一些改進建議。一方面，在冷凍板和貨物中間增加一層保溫隔板，開通風窗口，控制通風窗口的數(shù)量，調節(jié)冷量，達到降溫的目的；另一方面，將冷板內的蒸發(fā)管改為兩組，提高冷板內傳熱效能。此外，對壓縮機采用動態(tài)平衡活塞排氣閥和制冷系統(tǒng)采用恒壓膨脹閥代替熱力膨脹閥措施，都可改善冷藏車的運行效率。

2.3 冷藏車其他優(yōu)化技術

冷藏車在運輸過程中，能量耗散是來自很多方面的。因此，應盡可能降低冷量損耗，提高經濟性。設置風幕、對產品進行預冷、車廂內通風狀況、產品的包裝和堆碼形式以及冷藏車運行的室外環(huán)境等因素都與冷藏車節(jié)能減排具有緊密的聯(lián)系。

在冷庫和一些大型商場，為了減少外部環(huán)境與內部環(huán)境的對流換熱，維持室內溫度，在其入口處往往設置空氣幕。自Van Kennel［24］關于空氣幕研究發(fā)表后，風幕技術得到迅速發(fā)展［25］。在國外，風幕在冷藏車上應用早已普遍起來，Tso等［26］對帶內吸風方式風幕的冷藏車進行了試驗研究，結果表明，風幕對冷藏車節(jié)能具有明顯的節(jié)能效果。近年來，國內學者針對風幕研究開始普遍起來。劉敬輝等［27］對一種帶外吸風方式風幕的冷藏車進行了性能測試，并用CFD仿真分析了冷藏車開門時風幕對其保溫效果的影響，得出結論：風幕可以降低開門卸貨時能量損失，減緩車廂內溫度平均上升速率。

對生鮮易腐產品進行預冷，去除田間熱是冷藏車運輸前必須完成的農產品采后冷鏈的第一個環(huán)節(jié)，它不僅為降低冷藏運輸環(huán)節(jié)能耗提供了前提，并極大地影響到農產品后續(xù)的品質［28］。

冷藏車廂內不同的通風方式，影響著流場和溫度場的分布，研究自然對流和強制通風作用對提高易腐食品的質量有著一定的指導意義。陳煥新等［29］對采用自然對流的冷板冷藏車運輸過程中貨物溫度分布情況進行了計算與分析。Moureh等［30］對采用上送下回式送風方式的冷藏車廂內裝載貨物前后氣流組織和溫度分布進行了CFD模擬，并進行了對比分析。

不同的包裝堆碼形式對貨物質量也有一定的影響。張婭妮等［31］探究了機械冷藏車廂內貨物裝載間隙對溫度場的影響情況，運用CFD模擬，得出間隙越大，冷空氣流動速度越快，溫度場越穩(wěn)定的結論。

多溫區(qū)冷藏車的開發(fā)與研制，迎合了現(xiàn)代社會不同低溫運輸需求的現(xiàn)狀。針對不同貨物，分別設立深冷區(qū)、冷凍區(qū)、冷藏區(qū)、常溫區(qū)以及取樣間，實現(xiàn)一車多樣，既減少了運輸?shù)拇螖?shù)，又節(jié)省了能量。謝晶等［32］利用3種不同計算方法對多溫區(qū)冷藏車熱負荷進行計算，尋求合理的計算方法，得出開門熱負荷和隔熱廂體傳入負荷占總負荷80%的結論，為多溫區(qū)冷藏車的設計提供了參考。

此外，冷藏車的運行外界環(huán)境和駕駛員的開車習慣也會影響到冷藏車的油耗。研究［33，34］表明：夏季冷藏車萬噸貨物每公里耗油量為16.3kg，溫季為13.5kg，而寒季為11.9kg；不同駕駛員駕駛油耗相差可達7%～25%。

3 結語與展望

科學技術的高速發(fā)展為低溫冷藏車節(jié)能減排的深入研究與應用奠定了良好的基礎。近幾年來，中國在堅持自主創(chuàng)新，建設低碳、節(jié)能、環(huán)保創(chuàng)新型社會政策的實施下，冷藏車節(jié)能減排技術在中國得到了飛速的發(fā)展，今后也必將日趨成熟。

根據(jù)前人在冷藏車方面的研究，可以得到以下結論：

（1）選擇合適的冷藏車廂體和隔熱材料至關重要，它直接關系到冷藏運輸食品的質量與安全。

（2）明確了解各種制冷方式的優(yōu)劣性，根據(jù)實際情況，選擇合適的制冷方案，能提高系統(tǒng)運作的經濟性，降低運輸能耗。

（3）通過在冷藏車內設置風機和空氣幕等設施，有助于提高冷藏車的節(jié)能運作。

（4）加強基礎研究將影響冷藏車能耗的各因素歸納、分類，探索并得出各個因素與能耗的關系，建立計算方程，以便于以后的理論研究。

1 章鏞初.關于冷藏運輸領域的“節(jié)能減排”技術［J］.制冷技術，2008，28（4）：6～8，14.

2 常遠，劉澤勤.冷藏運輸及冷藏運輸裝備發(fā)展對策初探［C］／／金嘉瑋.安全、健康、環(huán)保、節(jié)能：第七屆全國食品冷藏鏈大會論文集.青島：中國制冷學會，2010：164～167.

3 張哲，田津津.冷藏汽車的現(xiàn)狀及其在我國的發(fā)展趨勢［C］／／金嘉瑋.食品安全與節(jié)能：第六屆全國食品冷藏鏈大會論文集.上海：中國制冷學會，全國商業(yè)冷藏科技情報站，2008：359～361.

4 喬維高.我國冷藏保溫汽車市場現(xiàn)狀及發(fā)展分析［J］.商用汽車，2004（6）：70～73.

5 馮愿軍.我國冷藏汽車技術現(xiàn)狀及發(fā)展方向研究［D］.南京：南京理工大學，2002.

6 徐倩.多溫區(qū)冷藏車的設計及車廂內溫度場的數(shù)值模擬［D］.上海：上海海洋大學，2008.

7 李道彭，梁仲文.冷藏車的發(fā)展趨勢［C］／／金嘉瑋.食品安全與節(jié)能：第六屆全國食品冷藏鏈大會論文集.上海：中國制冷學會，全國商業(yè)冷藏科技情報站，2008：352～354.

8 愛凱數(shù)據(jù)研究中心.2008年保溫冷藏車市場調研報告［EB／OL］.北京艾凱咨詢網，（2008－02－27）［2013－03－03］.http：／／www.icandata.com／baogao／200802／022IQ522008.html

9 譚宏博，梁騫，田寶聰.我國低溫冷藏車的研究綜述［J］.制冷與空調，2007，7（4）：5～8.

10 Hoang M H，Laguerre O，Moureh J，et al.Heat transfer modelling in a ventilated cavity loaded with food product：Application to a refrigerated vehicle［J］.Journal of Food Engineering，2012，113（3）：389～398.

11 Panozzo G，Minotto G，Barizza A.Transport and distribution of foods：today’s situation and future trends［J］.International Journal Refrigeration，1999，22（8）：625～639.

12 朱則剛.冷藏保溫車廂體結構及主要部件選擇［J］.物流技術與應用，2012（4）：62～64.

13 Mashud A，Oliver M，Mario A，et al.Reducing heat transfer across the insulated walls of refrigerated truck trailers by the application of phase change materials［J］.Energy Conversion and Management，2010，51（3）：383～392.

14 孫永才.冷藏車熱工性能分析及其真空隔熱材料研制［D］.廣州：廣州大學，2011.

15 胡適，蔡厚清.我國新能源汽車發(fā)展現(xiàn)狀、問題及對策探討［J］.武漢金融，2010（4）：57～58

16 張玉文，田懷璋，袁秀玲.冷藏運輸汽車采用液氮噴淋技術的實驗研究［J］.深冷技術，2001（3）：6～8.

17 李艷.液氮冷藏車噴淋冷凍冷藏性能模擬分析［D］.長春：吉林大學，2006.

18 李曉燕，高宇航，楊舒婷.冷藏車用新型相變蓄冷材料的研究［J］.哈爾濱商業(yè)大學學報，2010（1）：96～98，102.

19 楊培志，劉向龍.冷板冷藏車內冷板換熱性能的研究［J］.制冷與空調，2006，6（1）：51～53.

20 嚴嘉，童明偉，李夔寧.淺析液體CO2冷藏車的運行經濟性［J］.制冷學報，2004，25（1）：31～35.

21 包濤，黃東，董玉軍，等.在采用平行流冷凝器的冷藏車中應用新型制冷劑的模擬分析比較［J］.低溫工程，2004（6）：52～55.

22 張哲，田津津，毛力.機械式冷藏車蒸發(fā)器結霜特性的研究［J］.低溫與超導，2010，38（9）：73～75.

23 闞杰，郝亮，李濤，等.機械冷板冷藏車的發(fā)展與改進方向［J］.制冷與空調，2005，5（5）：68～70.

24 Hayes F C，Stockers W F.Heat transfer characteristics of air curtain［J］.ASHRAE Transactions，1969（1）：168～180.

25 繆晨，謝晶.空氣幕的研究進展［J］.食品與機械，2012，28（4）：237～240，262.

26 Tso C P，Yu S C M.Experimental study on the heat and mass transfer characteristics in a refrigerated truck［J］.International Journal of Refrigeration，2002（25）：340～350.

27 劉敬輝，陳江平，陳芝久，等.風幕對冷藏車性能影響的仿真分析和試驗研究［J］.流體機械，2006，34（1）：52～55，73.

28 楊洲，趙春娥，馬征.果蔬預冷保鮮技術的研究［C］／／汪懋華.農業(yè)工程科技創(chuàng)新與建設現(xiàn)代農業(yè)：中國農業(yè)工程學會學術年會論文集第四分冊.廣州：中國農業(yè)工程學會，2005：117～121.

29 陳煥新，蔡敏，張春安.冷板冷藏車運輸過程中冷凍貨物的溫度分布［J］.流體機械，2005，33（4）：65～68.

30 Moureh J，F(xiàn)lick D.Airflow pattern and temperature distribution in a typical refrigerated truck configuration loaded with pallets［J］.International Journal of Refrigeration，2004，27（5）：464～474.

31 張婭妮，陳潔，陳蘊光，等.機械式冷藏車中貨物裝載間隙對廂內溫度場的影響［J］.制冷與空調，2007，7（4）：101～104，41.

32 謝晶，徐倩，方恒和.多溫區(qū)冷藏車熱負荷計算的研究［J］.食品與機械，2007，23（4）：98～101.

33 王文銘，劉曉亮.我國冷鏈物流能耗現(xiàn)狀及對策研究［J］.中國流通經濟，2011，25（10）：29～33.

34 王杏，李焱，寧然.我國物流業(yè)耗能現(xiàn)狀及節(jié)能對策研究［J］.中國市場，2009（10）：54～55.