相變儲(chǔ)能在冷鏈物流中的應(yīng)用與研究進(jìn)展

章學(xué)來(lái)，張時(shí)華，徐笑鋒，劉 升

（1.上海海事大學(xué)蓄冷技術(shù)研究所，上海 201306；2.北京市農(nóng)林科學(xué)院蔬菜研究中心，北京 100097）

運(yùn)輸途中精準(zhǔn)的溫度管理對(duì)于保持高品質(zhì)新鮮水果和蔬菜至關(guān)重要，由于缺少冷鏈的保障，我國(guó)每年都會(huì)有大量果蔬在運(yùn)輸途中失去商品價(jià)值，損失率多達(dá)20%以上[1-3]。食品處于所需求的冷鏈物流溫度區(qū)間內(nèi)可以有效地延緩其品質(zhì)的下降速率[4]。蓄冷技術(shù)是指在用電低谷時(shí)期，將制冷機(jī)組產(chǎn)生的冷量?jī)?chǔ)存在相變材料中，并且在用電高峰期時(shí)釋放冷量滿足冷負(fù)荷的需求[5-6]，其在預(yù)冷、蓄冷包裝、低溫運(yùn)輸配送、低溫貯藏等冷鏈的各環(huán)節(jié)中都具有廣泛的應(yīng)用[7-10]。相變蓄冷材料的潛熱較高，導(dǎo)熱性能較好，穩(wěn)定性較強(qiáng)[11-14]，利用相變蓄冷原理[15-17]，將不同溫度區(qū)間的相變材料填充至冷鏈運(yùn)輸裝置中，達(dá)到果蔬冷鏈物流的溫控要求[18-21]。

1 冷鏈物流中相變材料的研究

能源供求在時(shí)間、地點(diǎn)及強(qiáng)度上一直存在不均衡的問(wèn)題，相變儲(chǔ)能技術(shù)能夠有效改善這一問(wèn)題[22-24]。相變材料的潛熱是指在材料相變過(guò)程中吸收或釋放的能量。相變的發(fā)生由相變材料所處環(huán)境溫度決定，可廣泛應(yīng)用于控溫領(lǐng)域[25-27]。

相變儲(chǔ)能在冷鏈物流中應(yīng)用的關(guān)鍵問(wèn)題是相變材料的選擇。相變材料常分為有機(jī)、無(wú)機(jī)和復(fù)合相變材料三大類(lèi)。有機(jī)相變材料化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、相變潛熱值高、無(wú)相分離和低過(guò)冷度，但相變潛熱逐漸退化和導(dǎo)熱系數(shù)較低（0.1～0.7 W·m-1·K-1）是有機(jī)相變材料今后需要解決的問(wèn)題[28-30]。無(wú)機(jī)相變材料成本低、相變潛熱穩(wěn)定、導(dǎo)熱性能優(yōu)良，但過(guò)冷度較高、相分離嚴(yán)重以及腐蝕性強(qiáng)等特性制約其廣泛應(yīng)用[31]。復(fù)合相變材料由混合兩種或多種相變材料組成，通過(guò)調(diào)節(jié)混合物中各組分的比例來(lái)滿足溫度的需求[32-33]，具有相變潛熱高、導(dǎo)熱率高以及無(wú)明顯相分離、過(guò)冷度低的特點(diǎn)[34]。Chen 等[35]制備了用于低溫儲(chǔ)能的穩(wěn)定十二烷/二氧化硅復(fù)合相變材料，通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了該復(fù)合相變材料具有良好的冷儲(chǔ)性能。徐婷[36]模擬分析了復(fù)合相變材料對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)傳熱性能的影響，驗(yàn)證了片狀石墨微粉加入相變材料使其熱物理性質(zhì)有很大的提升。表1 總結(jié)了常用相變蓄冷材料的相變潛熱和相變溫度。

表1 相變蓄冷材料的熱物性參數(shù)Table 1 Thermophysical parameters of phase change materials for cold storge

2 蓄冷技術(shù)在運(yùn)輸配送中的應(yīng)用

2.1 預(yù)冷

常用的預(yù)冷方法有空氣預(yù)冷、流化冰預(yù)冷和真空預(yù)冷等[41-43]。空氣預(yù)冷存在冷卻速度慢、冷卻不均勻、干耗大等缺點(diǎn)。真空預(yù)冷技術(shù)可以快速去除果蔬的田間熱，在短時(shí)間內(nèi)迅速均勻冷卻，保證果蔬的商品價(jià)值和營(yíng)養(yǎng)成分，但設(shè)備造價(jià)較高昂[44]。

魚(yú)類(lèi)主要是利用流化冰進(jìn)行預(yù)冷，即將魚(yú)類(lèi)完全浸泡在流化冰中，降低魚(yú)體溫度，進(jìn)而可以防止魚(yú)類(lèi)表面氧化，抑制細(xì)菌繁殖，在降低酶活性的同時(shí)可減少對(duì)魚(yú)體表面的損傷[45-48]。胡瀟予等[49]研究了流化冰預(yù)冷對(duì)鱸魚(yú)運(yùn)輸期間儲(chǔ)藏品質(zhì)變化的影響，通過(guò)對(duì)鱸魚(yú)的感官品質(zhì)、理化指標(biāo)（pH、鹽度、質(zhì)構(gòu)與TBARS值）和微生物（菌落總數(shù)）指標(biāo)進(jìn)行測(cè)定，同時(shí)結(jié)合掃描電鏡與聚丙烯酰胺凝膠電泳分析，綜合評(píng)價(jià)其鮮度變化情況，結(jié)果表明流化冰預(yù)冷配以合適的冰溫冷鏈，可以滿足鱸魚(yú)的長(zhǎng)距離運(yùn)輸和銷(xiāo)售。

2.2 蓄冷包裝

復(fù)合纖維素相變材料是一種新型活性包裝材料。相變材料可通過(guò)微膠囊化實(shí)現(xiàn)形狀穩(wěn)定。基于微膠囊化，相變材料（PCM）與不同的支撐材料混合后可制備出形狀穩(wěn)定的相變材料。該方法可以同時(shí)解決液態(tài)相變材料的封裝漏液和有機(jī)相變材料的低導(dǎo)熱問(wèn)題。

Melone 等[50]研制了在7～13 ℃溫度區(qū)間的冷藏包裝，對(duì)比不同相變潛熱值的復(fù)合相變材料。通過(guò)負(fù)壓過(guò)濾技術(shù)將微膠囊化石蠟均勻地分散在紙基質(zhì)中，測(cè)試微膠囊相變材料在紙基質(zhì)中的傳熱速率。結(jié)果表明：溫度從0 ℃升至10 ℃純紙張大約需要8 min，含有25%相變材料的紙張需要33 min，含有50%相變材料的紙張溫度上升需要87 min。紙張中有相變材料存在時(shí)溫度的傳熱時(shí)間明顯延長(zhǎng)，同時(shí)整體材料的密度和比熱的增加也發(fā)揮了保溫作用。

Leducq 等[51]利用蓄冷材料使冰淇淋在運(yùn)輸和儲(chǔ)存過(guò)程中保持恒溫，并將其性能與絕熱材料（聚苯乙烯）進(jìn)行了比較。結(jié)果表明：存放65 d 后，兩種包裝對(duì)產(chǎn)品的最終質(zhì)量沒(méi)有顯著差異；蓄冷材料包裝的溫度波動(dòng)較聚苯乙烯包裝小，且相同的保冷效果下蓄冷包裝更薄。

Oró 等[52]設(shè)計(jì)了新型冰淇淋蓄冷容器，同時(shí)建立數(shù)學(xué)模型，分析不同的包裝案例，量化新型容器參數(shù)，達(dá)到最佳經(jīng)濟(jì)效益。通過(guò)案例對(duì)比分析，最終選擇在原有容器的底部外擴(kuò)10 mm、兩側(cè)外擴(kuò)20 mm，同時(shí)填充相變材料，與原有設(shè)計(jì)相比，該設(shè)計(jì)所占的額外體積僅為7%，但容器熱防護(hù)性提升30%。

2.3 蓄冷式冷藏車(chē)

隨著冷鏈物流行業(yè)的高速發(fā)展，冷藏車(chē)作為冷鏈物流運(yùn)輸配送中主要的交通工具，其需求量年均增長(zhǎng)率約在8%～12%[53]。廂體內(nèi)部溫度場(chǎng)分布的均勻性和穩(wěn)定性是檢驗(yàn)冷藏車(chē)運(yùn)輸物品質(zhì)的主要標(biāo)準(zhǔn)。與傳統(tǒng)機(jī)械式冷藏車(chē)不同，蓄冷式冷藏車(chē)的冷源是蓄冷板。蓄冷板在輸出冷量時(shí)較為平穩(wěn)，可以根據(jù)果蔬冷負(fù)荷來(lái)調(diào)整蓄冷板的數(shù)量，并且選擇用電低峰期進(jìn)行蓄冷板蓄冷。

蓄冷式冷藏車(chē)的穩(wěn)定性與可靠性需要通過(guò)大量的試驗(yàn)研究與模擬驗(yàn)證。李靖等[54]利用凝固點(diǎn)降低理論得出20%氯化鈉溶液和50%丙三醇溶液為熱力學(xué)性能最優(yōu)復(fù)合相變材料，反復(fù)相變后發(fā)現(xiàn)其穩(wěn)定性較好，屬于基本無(wú)腐蝕范疇。與機(jī)械式冷藏車(chē)相比，蓄冷式冷藏車(chē)初期投資較大，但運(yùn)行費(fèi)用、穩(wěn)定性和環(huán)保節(jié)能方面具有較明顯的優(yōu)勢(shì)。謝如鶴等[55]對(duì)冷板頂置、冷板側(cè)置、冷板部分頂置部分側(cè)置三種冷板布置方式進(jìn)行了非穩(wěn)態(tài)數(shù)值模擬計(jì)算，模擬與實(shí)測(cè)的誤差在絕對(duì)誤差±20%之內(nèi)，證明了模型的可行性。綜合考慮布置方式、車(chē)廂內(nèi)可用容積、重心高度等因素，空載試驗(yàn)結(jié)果表明部分頂置部分側(cè)置的方式更利于車(chē)廂內(nèi)溫度場(chǎng)的溫度均勻分布和延長(zhǎng)保溫時(shí)間。考慮到車(chē)廂內(nèi)自然對(duì)流對(duì)溫度場(chǎng)均勻性的影響，提出在車(chē)廂內(nèi)進(jìn)行合理的送風(fēng)，提高蓄冷板的冷藏效率。同時(shí)，王安冉[56]分析了加裝蓄冷板后車(chē)廂內(nèi)氣流場(chǎng)和溫度場(chǎng)的分布特征。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：廂內(nèi)貨物與頂部的間隙對(duì)整體溫度分布的均勻性不會(huì)產(chǎn)生明顯影響，但對(duì)貨物本身的降溫速度有影響，隨著預(yù)留貨物與車(chē)頂間的距離變小，貨物周?chē)膿Q熱系數(shù)增大，進(jìn)而整體貨物區(qū)溫度降溫速率增大；廂內(nèi)降低相同的溫度，貨物預(yù)留與廂頂?shù)木嚯x越短，整體貨物降溫時(shí)間越長(zhǎng)，降溫溫差越大，不同預(yù)留距離對(duì)貨物降溫時(shí)間的影響較大。Saif等[57]提出：在肉制品運(yùn)輸系統(tǒng)和疫苗冷供應(yīng)鏈中建立相應(yīng)的儲(chǔ)能系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)倉(cāng)儲(chǔ)容量和成本進(jìn)行混合整數(shù)最小化模型分析，建立儲(chǔ)能系統(tǒng)會(huì)小幅增加成本，但能降低貨物腐損率，并大幅降低冷供應(yīng)鏈對(duì)全球變暖的影響。

李錦等[58]建立了車(chē)廂內(nèi)的降溫模型，通過(guò)驗(yàn)證試驗(yàn)分析出運(yùn)輸中車(chē)速、廂體導(dǎo)熱率等對(duì)廂內(nèi)降溫速率的影響。韓佳偉等[59]建立了基于短距離冷藏運(yùn)輸車(chē)廂內(nèi)溫度場(chǎng)模型，針對(duì)0 ℃和3 ℃的制冷工況，同時(shí)考慮制冷機(jī)組功率和貨物最佳冷藏溫度，得到運(yùn)輸途中開(kāi)、關(guān)冷風(fēng)機(jī)的最佳間隔時(shí)間。李君等[60]應(yīng)用計(jì)算流體力學(xué)分析了在不同的真空絕熱板（VIP）覆蓋率下冷藏車(chē)內(nèi)的溫度分布情況，結(jié)果表明在冷藏車(chē)廂體嵌入真空絕熱板可以改善箱體內(nèi)部溫度場(chǎng)的穩(wěn)定性。

3 蓄冷技術(shù)在低溫倉(cāng)儲(chǔ)中的應(yīng)用研究

將蓄冷技術(shù)應(yīng)用于低溫倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)中是冷鏈物流行業(yè)發(fā)展的趨勢(shì)[61]。蓄冷技術(shù)應(yīng)用于保鮮系統(tǒng)中，具有節(jié)能環(huán)保、冷庫(kù)溫濕度穩(wěn)定等特點(diǎn)。江燕濤[62]將動(dòng)態(tài)冰漿蓄冷濕冷保鮮技術(shù)應(yīng)用在傳統(tǒng)冷庫(kù)中，通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)動(dòng)態(tài)冰漿蓄冷濕冷冷庫(kù)具有能效比高、初期投資少、冷庫(kù)內(nèi)溫濕度穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。孫靜等[63]設(shè)計(jì)了以乙二醇為蓄冷液的冷庫(kù)，該冷庫(kù)的平均溫度穩(wěn)定在0.18～0.32 ℃，最大溫差0.8 ℃。由于峰谷電價(jià)的政策，乙二醇蓄冷庫(kù)運(yùn)行電費(fèi)僅是傳統(tǒng)冷庫(kù)的75%。結(jié)果表明，將相變材料乙二醇引入到傳統(tǒng)冷庫(kù)系統(tǒng)中，使得冷庫(kù)內(nèi)溫度分布均勻且穩(wěn)定，并且運(yùn)行成本大幅度降低。

4 結(jié)論與展望

我國(guó)食物年產(chǎn)值約3 000 多億美元，由于缺少對(duì)冷鏈物流的標(biāo)準(zhǔn)化管理，導(dǎo)致每年約700 億美元的浪費(fèi)，占年產(chǎn)總值的20%。低溫運(yùn)輸體系的完善可以保證易腐及保鮮要求高的食品的品質(zhì)。我國(guó)冷鏈物流市場(chǎng)潛力巨大，冷鏈物流蓄冷技術(shù)今后的研究可關(guān)注以下幾個(gè)方面：

（1）針對(duì)不同溫度區(qū)間的冷鏈物流，研制對(duì)應(yīng)溫區(qū)高性能相變蓄冷材料仍然是研究重點(diǎn)。

（2）模型模擬計(jì)算可以反映冷鏈物流中運(yùn)輸裝備的溫度場(chǎng)分布。冷藏運(yùn)輸裝備為復(fù)雜的傳質(zhì)換熱系統(tǒng)，受多個(gè)因素影響，溫度場(chǎng)的時(shí)滯性和非線性對(duì)溫度精準(zhǔn)控制的影響需要進(jìn)一步的研究。

（3）將流化冰預(yù)冷和蓄冷板應(yīng)用于運(yùn)輸配送、低溫倉(cāng)儲(chǔ)和銷(xiāo)售各環(huán)節(jié)中，滿足冷鏈物流溫度需求的同時(shí)，達(dá)到節(jié)能減排的效果。

（4）開(kāi)發(fā)應(yīng)用相變材料的紙板包裝技術(shù)，研制滿足易腐食品要求的微膠囊化纖維素復(fù)合相變材料，以開(kāi)辟易腐產(chǎn)品物流運(yùn)輸?shù)男碌缆贰?/p>