果蔬公路保鮮運輸能耗計算模型探討

鄒熾導+陸華忠+楊松夏

摘要：按照果蔬公路保鮮運輸中制冷方式分類，目前國內運輸方式主要有泡沫箱加冰保鮮、機械冷藏保鮮、蓄冷板冷藏保鮮、液氮冷藏保鮮運輸4種。為探索每種運輸方式的能耗情況，本研究將泡沫箱加冰保鮮運輸加冰量、機械冷藏保鮮運輸燃油消耗量、蓄冷板冷藏保鮮運輸耗電量以及液氮冷藏保鮮運輸的液氮消耗量統一量化為能量單位，分別對4種果蔬公路保鮮運輸方式建立以單位質量果蔬運輸100 km能耗[kJ/（kg·100 km）]為評價指標的能耗計算模型，并且建立泡沫箱加冰保鮮運輸加冰量計算模型和液氮冷藏運輸液氮消耗量計算模型，以期為果蔬公路保鮮運輸節能和果蔬公路保鮮運輸管理提供參考。

關鍵詞：果蔬；運輸；保鮮；能耗；計算

中圖分類號： TS255.3；U492.3+36.4文獻標志碼： A文章編號：1002-1302（2017）07-0199-03

我國果蔬種植具有品種多、分布廣的特點，在果蔬采后物流中適合小批量、多頻次、多品種的運輸。公路運輸靈活快捷，可以實現“門到門”的服務，對果蔬運輸優勢明顯。據統計，我國公路運輸生鮮貨物所占的市場份額已上升至75%，短途運輸幾乎全部為公路運輸[1-2]。然而，國內公路運輸的能耗較高，果蔬保鮮的應用措施也進一步增加了運輸能耗[3]。并且，在實際生產中發現，果蔬保鮮運輸方式的選用不夠合理，同一距離內的運輸存在多種保鮮運輸方式并用的現象，這也導致了運輸能耗的增加。果蔬保鮮運輸能耗高，導致果蔬物流成本居高不下，嚴重制約了果蔬產業的發展[4]。因此，分析每種果蔬公路保鮮運輸方式的能耗構成，建立公路保鮮運輸能耗計算模型，為合理選擇果蔬保鮮運輸方式和降低果蔬保鮮運輸能耗提供理論參考。

按照保鮮運輸中制冷方式分類，目前，國內果蔬公路保鮮運輸方式主要有泡沫箱加冰保鮮運輸、機械冷藏保鮮運輸、蓄冷板冷藏保鮮運輸3種方式[5-6]。此外，液氮冷藏車由于制冷迅速、結構簡單可靠、環保無污染等優點受到人們的青睞，然而由于降溫過程難以控制、液氮補給困難等缺陷，液氮冷藏保鮮運輸尚未得到廣泛應用[7]。

1計算模型

1.1泡沫箱加冰保鮮運輸能耗計算模型

泡沫箱加冰保鮮運輸不需專門的冷藏運輸設備即可達到一定的保鮮效果，但需要在運輸前進行特殊的包裝處理。以荔枝泡沫箱加冰保鮮運輸為例，首先在泡沫箱里襯聚乙烯袋，放入冰瓶；然后將冰水預冷后的荔枝均勻堆放進泡沫箱內，并在荔枝頂層鋪薄海綿墊，將少量冰水澆在海綿墊上，最后封蓋并用封口膠封住。一般經3個晝夜運輸后，荔枝仍保持原來的鮮紅色，風味不變，好果率達93%以上，水分損失不超過3%[8]。泡沫箱加冰保鮮運輸初期投資相對較少、操作簡便，在冷鏈運輸設備尚未普及的情況下是國內果蔬中、短途運輸普遍采用的保鮮運輸方式。

泡沫箱加冰保鮮運輸能耗構成主要為車輛行駛能耗和制冰能耗。由于制冰能耗受制冰工藝、工作效率等因素的影響而難以控制，從運輸企業生產角度出發，本研究將制冰能耗以購冰費用轉換為燃油消耗量的方式加以標準化。轉化公式為：

式中：FP為泡沫箱加冰保鮮運輸100 km總燃油消耗量，L/100 km；FV為泡沫箱加冰保鮮運輸車輛行駛100 km燃油消耗量，L/100 km；YI為對應加冰量的購冰費用，元；X為燃油單價，元/L；S為保鮮運輸總里程，km。

運輸車輛行駛耗油量一般用百公里燃油消耗量衡量，本研究將車輛行駛百公里燃油消耗量轉化為百公里能量。轉換公式：

式中：WP為泡沫箱加冰保鮮運輸單位質量果蔬運輸100 km能耗，kJ/（kg·100 km）；be為運輸車輛燃油消耗率，g/（kW·h）；ρ為燃料密度，g/cm3；mC為運輸果蔬質量，kg。

聯立（1）、（2）式即為泡沫箱加冰保鮮運輸方式單位質量果蔬運輸100 km能耗計算模型。由該模型可以看出，在運輸車輛100 km燃油消耗量和燃油單價一定的情況下，加冰量越小則運輸能耗越小。加冰量減小，雖然可以降低能耗和增加果蔬裝載量，但也會導致果蔬保鮮效果下降，運輸距離減小。因此，根據運輸果蔬品種、運輸距離選擇滿足保鮮要求的最小加冰質量，是泡沫箱加冰保鮮運輸中保證果蔬品質和降低運輸能耗的關鍵。采用熱平衡法對泡沫箱進行熱工性能分析[9]。一般，泡沫箱箱體與箱蓋通過密封膠帶密封，密封良好，假設漏熱量為零。采用熱平衡法對單個泡沫箱進行熱工性能分析，建立加冰量計算模型。建模過程如下：

式中：QI、QT、QB分別為冰融化和升溫釋放的冷量、泡沫箱傳熱耗冷量、果蔬呼吸耗冷量，kJ；CI、CW分別為冰、水的比熱容，kJ/（kg·K）；mI、mC分別為單個泡沫箱加冰質量、單個泡沫箱裝載果蔬質量，kg；αP為泡沫箱傳熱系數，kW/（m2·K）；SP為單個泡沫箱傳熱面積，m2；rC為果蔬呼吸強度，kW/kg；t1、t2、tn、tw分別為冰塊初始溫度、泡沫箱內上限溫度、泡沫箱內平均溫度、外界環境平均溫度，K；T為運輸時間，h。

聯立（3）～（6）式即為泡沫箱加冰保鮮運輸加冰量計算模型。

1.2機械冷藏保鮮運輸能耗計算模型

機械冷藏車調溫范圍廣、精確可靠，廣泛應用于長時間、遠距離的果蔬保鮮運輸。由于隨車裝備了制冷機組，機械冷藏保鮮運輸的能耗也相對較高，據統計，每年用于冷藏運輸制冷油耗就達50萬t[10]。目前，國內外研究者主要通過車輛燃油消耗量統計分析和冷藏車廂熱工性能分析的方法，對冷藏保鮮運輸能耗展開研究。

1.2.1車輛燃油消耗量統計分析方法機械冷藏保鮮運輸能耗主要包括車輛行駛能耗和機械制冷能耗，國內外研究者通過統計和分析實際運輸過程中總燃油消耗量（包括車輛行駛、機械制冷燃油消耗量）的方法對機械冷藏運輸能耗進行了研究[11-13]。本研究運用車輛燃油消耗量統計分析方法研究機械冷藏保鮮運輸能耗，首先統計機械冷藏保鮮運輸車輛的總燃油消耗量，然后轉化為單位質量果蔬運輸100 km能耗。機械冷藏保鮮運輸單位質量果蔬運輸100 km能耗計算模型如下：

式中：WM為機械冷藏保鮮運輸單位質量果蔬運輸100 km能耗，kJ/（kg·100 km）；FZ為機械冷藏保鮮運輸車輛的100 km總燃油消耗量，L/100 km；be為運輸車輛燃油消耗率，g/（kW·h）；mC為運輸果蔬質量，kg。

已知機械冷藏保鮮運輸車輛100 km總燃油消耗量，即可通過該模型獲得機械冷藏保鮮運輸單位質量果蔬運輸 100 km 能耗，但是該模型具有一定的局限性：機械冷藏保鮮運輸車輛100 km總燃油消耗量需要做大量的數據統計和分析才可獲得；制冷燃油消耗量受果蔬原始溫度、果蔬種類、外界環境溫度等變量因素的影響，影響能耗計算模型求解準確性。

1.2.2冷藏廂體熱工性能分析法冷藏廂體熱工性能分析法利用熱力學理論基礎，對冷藏運輸過程中冷藏廂體的熱負荷進行分析。國內外研究者比較詳細、全面地研究了冷藏運輸廂體的熱工性能，分析了冷藏運輸過程中冷量傳遞和冷量消耗的構成[14-16]，為研究冷藏運輸能耗提供了理論基礎。本研究在分析機械冷藏保鮮運輸冷藏廂體熱工性能的基礎上，建立單位質量果蔬運輸100 km能耗計算模型。建模過程如下：

式中：QR、QT、QL、QS、QB、QF分別為冷藏保鮮運輸制冷量、冷藏廂體傳熱耗冷量、縫隙漏熱耗冷量、太陽輻射耗冷量、貨物呼吸耗冷量、冷風機運行耗冷量，kJ；αk為冷藏廂體傳熱系數，kW/（m2·K）；Sk為冷藏廂體傳熱面積，m2；Sf為冷藏廂體外表面輻射面積，常取車廂總傳熱面積[17]；tn、tw分別為冷藏廂體內部平均溫度、冷藏廂體外界環境平均溫度，K；tf為冷藏廂體外表面受輻射平均溫度，常取tf=tw+20 ℃；τf為每晝夜日照時間，一般取12～16 h；mC為運輸果蔬質量，kg；rC為果蔬呼吸強度，kW/kg；P為冷風機功率，kW；T為運輸時間，h。

聯立（8）～（13）即為機械冷藏保鮮運輸過程中的制冷量。制冷量由制冷機組工作耗能轉換而來，制冷機組能耗與機械冷藏車制冷機組的能效比有關，制冷量和能耗轉換公式如下：

式中：qR為機械冷藏保鮮運輸制冷能耗，kJ；COP為制冷機組能效比，W/W。

車輛行駛100 km燃油消耗量轉化為100 km能量。轉換公式：

式中：qV為機械冷藏保鮮運輸車輛行駛能耗，kJ；FV為機械冷藏保鮮運輸車輛行駛燃油消耗量，L；be為運輸車輛燃油消耗率，g/（kW·h）；ρ為燃料密度，g/cm3。

完成機械冷藏保鮮運輸制冷能耗和車輛行駛能耗計算模型后，則可建立機械冷藏保鮮運輸單位質量果蔬運輸100 km能耗計算模型。模型如下：

式中：WM為機械冷藏保鮮運輸單位質量果蔬運輸100 km能耗，kJ/（kg·100 km）；mC為運輸果蔬質量，kg；S為保鮮運輸總里程，km。

聯立（14）～（16）式即為機械冷藏保鮮運輸單位質量果蔬運輸100 km能耗計算模型。利用該模型可以不經過實車運輸即可對各種果蔬的冷藏保鮮運輸能耗進行預算和對比，并且該模型充分考慮了果蔬種類、運輸環境溫度、冷藏設備性能等變量因素對制冷能耗的影響，因此，該模型具有一定的通用性和較高的準確性。同時，根據該模型可以分析能耗構成及其能耗比例，為冷藏運輸設備性能優化以及冷藏運輸節能提供理論支持。然而，冷藏廂體熱工性能分析法所需參數較多，計算過程相對復雜，車廂傳熱系數、車輛燃油消耗率等參數隨使用年限的增加而變化較大。

1.3蓄冷板冷藏保鮮運輸能耗計算模型

蓄冷板制冷利用共晶液的“放冷”實現溫度調節，在運輸前利用低價的電能對蓄冷板進行“充冷”，在蓄冷板冷藏保鮮運輸過程中蓄冷板“放冷”以降低運輸環境的溫度[18]。蓄冷板冷藏保鮮運輸所消耗的能量包括充冷能耗和車輛行駛能耗。首先，參照（8）～（13）式對冷藏廂體進行熱工性能分析，獲得蓄冷板冷藏保鮮運輸制冷量QR，然后建立蓄冷板冷藏保鮮運輸單位質量果蔬運輸100 km能耗計算模型。建模過程如下：

式中：qC為蓄冷板充冷能耗，kJ；WP為蓄冷板冷藏保鮮運輸單位質量果蔬運輸100 km能耗，kJ/（kg·100 km）；COP為充冷機組能效比，W/W；mC為運輸果蔬質量，kg；S為保鮮運輸總里程，km。

聯立（17）、（18）式即為蓄冷板冷藏保鮮運輸單位質量果蔬運輸100 km能耗計算模型。根據該模型，可以確定每次果蔬保鮮運輸所需要的能耗，避免不足“充冷”造成果蔬保鮮品質下降，避免過度“充冷”造成能源消耗浪費。此外，還可以根據模型確定每次運輸適宜的蓄冷板個數，增加載貨質量。

1.4液氮冷藏保鮮運輸能耗計算模型

液氮冷藏車利用液氮相變吸熱和氮氣升溫吸熱的原理進行降溫，降溫過程環保無污染，并且降溫速度快且均勻。液氮冷藏保鮮運輸所消耗的能耗為液氮生產能耗和車輛行駛能耗。由于液氮生產能耗受液氮生產工藝、工作效率等因素的影響而難以控制，從運輸企業生產角度出發，本研究將液氮生產能耗以購買液氮費用轉換為燃油消耗量的方式加以標準化。液氮冷藏保鮮運輸能耗建模過程與泡沫箱加冰保鮮運輸能耗模建模過程相似，具體為：

式中：FN為液氮冷藏保鮮運輸100 km總燃油消耗量，L/100 km；FV為液氮冷藏保鮮運輸車輛行駛100 km耗油量，L/100 km；WN為液氮冷藏保鮮運輸單位質量果蔬運輸 100 km 能耗，kJ/（kg·100 km）；YN為購買液氮費用，元；X為燃油單價，元/L；be為運輸車輛燃油消耗率，g/（kW·h）；ρ為燃料密度，g/cm3；mC為運輸果蔬質量，kg。

聯立式（19）、（20）即為液氮冷藏保鮮運輸單位質量果蔬運輸100 km能耗計算模型。由該模型可以看出，在運輸車輛100 km燃油消耗量和燃油單價一定的情況下，液氮消耗量越小則運輸能耗越小。但是，液氮消耗量過小會導致制冷量不足，從而導致果蔬保鮮效果下降。因此，根據運輸果蔬品種、運輸距離選擇滿足運輸保鮮要求的最小液氮消耗量，是液氮冷藏保鮮運輸中保證果蔬品質和降低運輸能耗的關鍵。采用熱平衡法對冷藏車廂進行熱工性能分析，建立液氮消耗量模型。建模過程如下：

式中：QE、QW分別為液氮汽化吸熱量、氮氣升溫吸熱量，kJ；CP1為液氮氣化潛熱，kJ/kg；CP2為氮氣比熱容，kJ/（kg·K）；mN為液氮質量，kg；tn、tN分別為冷藏廂體內部環境溫度、氮氣初始溫度，K。

聯立式（8）～（13）和式（21）～（23）即為液氮冷藏保鮮運輸液氮消耗量計算模型。

2結論

本研究結合果蔬公路保鮮運輸生產的實際情況，將泡沫箱加冰保鮮運輸加冰量、機械冷藏保鮮運輸燃油消耗量、蓄冷板冷藏保鮮運輸耗電量以及液氮冷藏保鮮運輸的液氮消耗量統一量化為能量單位，分別對4種果蔬公路保鮮運輸方式建立了以單位質量果蔬運輸100 km能耗[kJ/（kg·100 km）]為評價指標的能耗計算模型，為不同果蔬公路保鮮運輸方式的能耗計算、運輸節能控制和保鮮運輸方式選擇提供理論支持。同時，建立了泡沫箱加冰保鮮運輸加冰量計算模型和液氮冷藏運輸液氮消耗量計算模型，為優化加冰量和液氮量提供理論支持。總之，通過建立能耗計算模型，以期為果蔬公路保鮮運輸節能和果蔬公路保鮮運輸管理提供參考。

參考文獻：

[1]中國物流與采購聯合會冷鏈物流專業委員會，全國物流標準化委員會冷鏈物流分技術委員會，中國物流技術協會.中國交通運輸統計年鑒：2010[M]. 北京：中國物資出版社，2010：14-15.

[2]中華人民共和國發展與改革委員會.農產品冷鏈物流發展規劃[Z]. 2010-06-18.

[3]曹連元，趙福磊，陳昊. 公路運輸車輛節能減排技術綜述[J]. 綜合運輸，2012（7）：66-69.

[4]楊松夏，陸華忠，呂恩利，等. 探析我國果蔬冷鏈物流發展對策[C]. 重慶：中國農業工程學會年會論文集，2011.

[5]周家華，常虹，趙毅，等. 中國果蔬冷鏈物流的發展現狀及建議[J]. 食品工業科技，2012，33（6）：8-10.

[6]Vigneault C，Thompson J，Wu S，et al.Transportation of fresh horticultural produce[J]. Postharvest Technologies for Horticultural Crops，2009，2（1）：1-24.

[7]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.

[8]陳洪國，彭永宏. 常溫泡沫箱加冰運輸條件下荔枝的溫度、品質、呼吸和乙烯釋放變化[J]. 果樹學報，2001，18（3）：155-159.

[9]應鐵進，席玙芳，陳萃仁，等. 楊梅鮮果的公路遠程保溫運輸技術[J]. 食品科學，1997，18（8）：52-55.

[10]中國冷鏈物流聯盟.中國冷鏈年鑒2009[M]. 北京： 航空工業出版社，2010.

[11]許倫輝，湯云峰. 智能運輸系統對降低物流運輸能耗的有效性分析[J]. 交通科學與工程，2009，25（1）：82-86.

[12]Fitzgerald W B，Howitt O J A，Smith I J.Energy use of integral refrigerated containers in maritime transportation[J]. Energy Policy，2011，39（4）：1885-1896.

[13]Mundler P，Rumpus L.The energy efficiency of local food systems： a

comparison between different modes of distribution[J]. Food Policy，2012，37（6）：609-615.

[14]劉廣海，謝如鶴. 冷藏車熱性能及能耗分析模型的建立與實驗研究[J]. 制冷學報，2008，29（3）：47-53.

[15]劉廣海，謝如鶴. 冷藏車熱狀況的模擬分析與實驗研究[J]. 武漢理工大學學報（交通科學與工程版），2009，33（4）：691-694.

[16]Jolly P G，Tso C P，Wong Y W，et al.Simulation and measurement on the full-load performance of a refrigeration system in a shipping container[J]. International Journal of Refrigeration，2000，23（2）：112-126.

[17]肖瑩，劉德軍. 農產品冷藏保溫運輸技術與裝備研究[J]. 農機化研究，2011，33（1）：57-60.

[18]Tassou S A，de Lille G，Ge Y T.Food transport refrigeration-approaches to reduce energy consumption and environmental impacts of road transport[J]. Applied Thermal Engineering，2009，29（8）：1467-1477.