冷鏈物流保溫箱保溫性能影響因素研究綜述

■文/廖嘉昱，曾臺英，梁 津，李昊霖，劉舒文，都春龍

（上海理工大學 出版印刷與藝術設計學院，上海 200093）

0 引言

隨著我國人民生活水平的提高，生鮮食品的需求量越來越大，同時，如何保障生鮮物流運輸成為亟待解決的問題。蓄冷保溫箱是蓄冷技術與隔熱技術的有機結合，可以彌補冷藏車的缺陷[1-2]。只要將食品分裝于含有蓄冷劑的絕熱保溫材料箱體中，就能通過不同相變溫度的蓄冷劑保證不同食品所需的冷藏溫度。體積較小的蓄冷保溫箱，既能用普通貨車運輸，又可重復使用。

鑒于當前蓄冷保溫箱的廣泛應用，本文就蓄冷保溫箱保溫性能及影響因素的研究進展作一番綜述，以期為優化保溫箱設計參數，提高冷鏈物流中保溫箱的使用效率，以及降低成本提供參考。

1 蓄冷劑影響保溫性能的研究進展

1.1 蓄冷劑儲存形式

蓄冷板又稱冷板，其制冷原理是利用共晶鹽溶液凍結后所蓄存的冷量進行制冷[3]。張哲等[4]研究發現，環境溫度對蓄冷板凍結所需時間影響較小，但對共晶液開始凍結所需時間影響較大，且環境溫度越高，蓄冷板釋冷時間越短。朱先鋒等[5]研究指出，環境溫度對蓄冷板充冷時間影響較大。杜雁霞等[6]研究了蓄冷介質在板式蓄冷器中凝固時的相界面移動速度，指出蓄冷板厚度應根據傳熱速率、預測蓄冷時間和電價低谷時段進行設計。

蓄冷袋又叫“非冰冰枕”“特殊冰”，因其成本低廉、保溫性能良好而被廣泛用在食品、水產等冷鏈物流中。趙艾東等[7]指出，單位重量的蓄冷袋與同重量的人造冰相比，在冰點以下的同一溫度變化范圍內蓄冷量較大，吸熱較多。張松陽[8]研究發現，比起室溫保存，加冰袋可以有效控溫延長西蘭花的保鮮期。考慮到經濟成本，推薦采用西蘭花和蓄冰袋重量配比2：1來儲運。盛況[9]通過對普通果蔬、食用菌、高附加值產品3種典型物料進行模擬冷藏條件運輸實驗，指出從經濟角度考慮，在28°室溫下，使用3袋蓄冷袋進行冷藏保溫，可以達到最佳效果。

1.2 蓄冷材料選擇

相變蓄冷材料是能在相變循環中吸收和釋放潛在熱量的材料，可以分為有機相變材料、無機相變材料和共晶混合物。Bai等[10]選用自制蓄冷冰袋，模擬夏季冷鏈物流配送箱內情況，測量箱內溫度和農產品的中心溫度，結果表明，蓄冷劑相變溫度越低，箱內產品保質期越長。黃莉[11]針對冷藏藥品保溫運輸的要求，采用了獨特的包裝結構設計，并使用不同的蓄冷劑進行試驗。研究發現，在保溫箱體性能參數不變的情況下，其溫控時間取決于所用相變材料的相變溫度和相變焓值。江海林等[12]建立了蓄冷保溫箱的有限元模型，分析了冷藏和冷凍兩種制冷方式下保溫箱內部瞬態溫度場和有效保溫時間，研究并給出了在外界環境溫度以及箱體各參數均不變的情況下，在3種常見冷鏈物流條件下，箱內蓄冷劑設計參數的合理選擇范圍。Cong等[13]以自制3種三元鹽水溶液研究其相變溫度和熔解熱的差異，發現熔解熱隨共晶溶液比例的不同而變化。宋海燕等[14]在3種不同的外界溫濕度環境條件下，向保溫箱內部加入不同質量的蓄冷劑，研究蓄冷劑質量對擠塑聚苯乙烯保溫箱溫控效果的影響。Choi等[15]建立了一個綜合模型來研究包裝隔熱性能，并將導熱、對流和輻射等基本傳熱原理應用于模型中，在此基礎上討論了影響保溫性能的幾個因素，并用該模型計算出實際問題中的冰需求量。

1.3 蓄冷劑擺放位置

蓄冷板的擺放方式會影響蓄冷保溫箱的溫度場均勻性。李曉燕等[16]研究了蓄冷保溫箱配送過程中，在4種蓄冷板布置方式（即頂部布置、四周布置、并列布置、重合布置）下箱體的保冷性能。范中陽等[17]以奶白菜為實驗對象，對比研究了兩種蓄冷板擺放形式（即頂部擺放和四周擺放）對箱內環境溫度和奶白菜中心溫度的影響，建議在實際應用中蓄冷板應擺放在保溫箱內四周。潘欣藝等[18]應用有限元法，建立保溫箱基本模型，并通過改變模型內部蓄冷劑的擺放位置建立側面擺放（2種）、頂部擺放和邊緣擺放共4種擺放方式。研究發現，保溫過程中內部溫度場分布十分不均勻，蓄冷劑擺放方式對內部溫度場影響極大，從溫度場均勻程度和箱內平均溫度來說，頂擺方式都是最佳的擺放方式。成峰等[19]實驗測量了醫藥運輸冷藏箱中蓄冷板兩側擺放、四周擺放和上下擺放對箱內中心溫度和壁面溫度的影響。研究發現，上下擺放更利于箱體的快速降溫，且箱體內中間溫度最低。

2 保溫箱影響保溫性能的研究進展

蓄冷保溫箱箱體由保溫或低熱導率的材料制成，以聚乙烯作為外殼材料，并在外殼夾層中填充發泡材料來提升保溫性能。一方面可以維持箱內的低溫環境；另一方面也對外界物質進行了阻隔，提高了運輸安全性。

2.1 箱體尺寸

余永濤等[20]研究發現：當冷鏈物流EPP保溫箱內容積在35～45L之間，且箱體厚度和箱蓋厚度相同時，把長寬比控制在1.8～2.0之間可有效減小內外表面積幾何平均值，從而提高保溫箱的保溫性能。

張莉偉等[21]通過建立保溫箱有限元模型，改變保溫箱壁厚和熱導率等參數，研究對其保溫效果的影響。Terpak等[22]建立了一個仿真模型，分析食品包裝加熱過程中的保溫性能，評估加熱時間受隔熱材料厚度、包裝表面輻射率及蠟在食品包裝中轉變等因素的影響程度，并提出了最佳的食品隔熱包裝建議。

2.2 保溫材料

傳統的蓄冷保溫箱材料有聚氨酯（PU）和聚苯乙烯（EPS），其保溫性能較好但降解性差，不便于回收，會對環境造成污染[23]。陳海洋等[24]提出了以真空絕熱板（VIP）為保溫材料的可行性。潘欣藝等[25]選取上述3種保溫材料（EPS、PU、VIP），通過模擬仿真研究不同材質保溫箱內溫度場的分布規律。研究發現，VIP保溫箱內溫度最接近蓄冷劑相變溫度值，溫度場分布最均勻；3種材料中VIP的阻熱性能最好，在保溫箱內相同位置的溫度要比EPS、PU都低。徐笑鋒等[26]研究發現真空絕熱板的保溫效果優于發泡聚丙烯，可提高保冷時間13.31%。

有學者提出，將兩種保溫材料結合起來，組成復合保溫材料使用。王達等[27]提出一種基于真空絕熱板和聚氨酯復合結構（VIP＋PU）的蓄冷保溫箱，并以桃子為例，對VIP＋PU、PU、EPS三種不同隔熱材料蓄冷保溫箱冷藏運輸效果進行了研究。陳文樸等[28]研究了一種甲酸鈉低溫相變材料，將其分別使用在純聚氨酯發泡（PU）、真空絕熱板＋聚氨酯復合（VIP＋PU）兩種保溫箱內。實驗發現真空絕熱板+聚氨酯復合的蓄冷箱保冷效果明顯優于聚氨酯蓄冷箱，且低溫維持時間是純聚氨酯蓄冷箱的2倍。

3 其他影響因素的研究進展

環境溫度對保溫箱的保溫性能有一定影響。翟紀強等[29]研究發現，外界環境和蓄冷劑與內裝物質量比對多溫區保溫箱的保溫特性均有影響，并建立了外界環境溫度-蓄冷劑與內裝物質量比-保溫時間的三維數學模型。

保溫箱和內裝物的溫度預處理直接影響保溫箱內溫度場及保冷時間。李杰瑞等[30]研究發現，隨著預冷時間的增加，保溫箱的保溫時效也隨之增大，但當預冷時間為24 h時，保溫時效的增大不再明顯，僅有0.5%。

保溫箱的隔層預處理，如在保溫箱內表面覆鋁箔，也會影響其隔熱性能。朱琦[31]研究發現保溫箱內表面覆鋁箔能夠提升保溫性能。隔層是組合材料對保溫性能也有影響，伍亞云[32]對不同厚度的EPS泡沫板和XPS泡沫板組合而成的保溫箱進行中心點保溫時間測試，并根據公式計算出每種組合方式的平均升溫速度，發現平均升溫速度值越小，箱體保溫性能越好。

另外，在蓄冷箱的設計上，大部分的研究與應用是針對某一溫度范圍的單溫區而設計的，對于多溫蓄冷箱和多溫蓄冷箱的內部空間設計的研究比較欠缺。

4 結 語

我國冷鏈物流市場有著巨大的發展空間，隨著人們對冷鮮產品品質要求的提升，冷鏈物流過程中對保溫箱保溫性能的要求也越來越高。本文重點分析了蓄冷劑和保溫箱參數的改變對蓄冷保溫箱保溫性能的影響。通過分析總結，明確了蓄冷材料、蓄冷劑擺放位置、保溫箱隔熱材料、保溫箱尺寸等因素對保溫性能影響的程度和相關定量的指導性結果，為進一步實現冷鏈保溫箱的優化設計和降本增效提供保障。