互聯(lián)網(wǎng)+共享保溫存儲(chǔ)系統(tǒng)的研究

杜蕊　王小建　李麗晶

隨著人們對(duì)生鮮物流的要求越來越高，冷鏈物流的最后100米問題成為生鮮產(chǎn)品銷售的重要環(huán)節(jié)。目前大部分物流企業(yè)沒有采取特殊保鮮措施，僅靠銷售商使用“保溫箱+制冷劑”的包裝為生鮮品保鮮。目前順豐速運(yùn)會(huì)對(duì)保鮮要求高的產(chǎn)品，采用外加泡沫保溫箱的辦法進(jìn)行二次保溫。但是，外加的泡沫箱也只能做到保溫而無法降溫。同時(shí)，上班族便當(dāng)?shù)谋ｕr和加熱也成了各個(gè)公司提高員工幸福指數(shù)必須要解決的問題，外賣業(yè)迅猛發(fā)展也使保溫存儲(chǔ)產(chǎn)生了很大的市場(chǎng)空間。針對(duì)這些問題，我們經(jīng)過了兩個(gè)階段的系列研究，最終提出了“真空絕熱板+半導(dǎo)體制冷片”為核心的恒溫存儲(chǔ)節(jié)能系統(tǒng)。

一、制冷、加熱方法和保溫材料的研究

制冷方法的選擇上，本項(xiàng)目研究的第一階段主要對(duì)國(guó)內(nèi)外當(dāng)前主流的制冷劑進(jìn)行調(diào)研和對(duì)比。當(dāng)前，國(guó)內(nèi)不少的制冷設(shè)備還在使用典型HCFCs制冷劑R22（二氟一氯甲烷），此制冷劑雖對(duì)生物無毒無害，但對(duì)臭氧層有很大危害，已經(jīng)被《蒙特利爾議定書》國(guó)際公約列為需加速淘汰的制冷劑之一。因此，選用了對(duì)環(huán)境相對(duì)友好的HFCs制冷劑（R161），此制冷劑可以滿足環(huán)保要求，而且R161制冷劑在小型制冷裝置中的循環(huán)性能更具優(yōu)勢(shì)；本項(xiàng)目研究的第二階段研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了一種可以迅速制冷并且能夠回收利用制冷副產(chǎn)品（熱能）的器件——半導(dǎo)體制冷片，能量基本零損失，超出項(xiàng)目預(yù)期的節(jié)能效果，可以更好地為環(huán)境保護(hù)做出貢獻(xiàn)。

加熱方法的選擇上，本項(xiàng)目第一階段使用石墨烯加熱技術(shù)，此技術(shù)節(jié)能環(huán)保、加熱效率高、成本低、安全可靠、穩(wěn)定性強(qiáng)。石墨烯是一種由碳原子構(gòu)成的二維晶體，它作為一種新材料，具有出色的導(dǎo)電性、熱導(dǎo)性和力學(xué)性能，這幾年在市場(chǎng)上比較熱銷，是迄今為止熱導(dǎo)率最高的碳材料。石墨烯具有出色的導(dǎo)電性能、熱導(dǎo)性能和力學(xué)性能。石墨烯的本質(zhì)是涂層，需要搭配金屬加熱器和鋁片散熱器一起使用，目的是增強(qiáng)發(fā)熱體的散熱效果，使發(fā)熱體的發(fā)熱速度更快，石墨烯電熱膜具有制熱速度快、導(dǎo)熱均勻、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。因石墨烯電熱膜工作時(shí)需要通電，恒溫系統(tǒng)提出一種安全性能高的石墨烯電熱膜智能溫控電路。簡(jiǎn)單來說，石墨烯節(jié)能的主要原因有二，其一石墨烯具有高電熱轉(zhuǎn)化率，石墨烯電熱膜可以將電能的99%以上轉(zhuǎn)化為熱量，普通加熱產(chǎn)品只能將電能的70%左右轉(zhuǎn)化為熱量；其二是石墨烯電熱膜加熱速度快，可以在極短的時(shí)間內(nèi)迅速達(dá)到預(yù)設(shè)溫度，減少加熱過程中散熱的能量損失。第二階段發(fā)現(xiàn)了半導(dǎo)體制冷片，這一器件的發(fā)現(xiàn)可以一次性解決制冷和制熱的問題，是本系統(tǒng)理想的解決方案，經(jīng)過對(duì)比，最終確定選用此方案進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

保溫材料的選擇上，本項(xiàng)目所用的保溫材料為真空絕熱板。真空絕熱板可以有效避免空氣對(duì)流引起的熱傳遞，使導(dǎo)熱系數(shù)大幅度降低。其主要由芯材、阻隔膜和吸氣劑構(gòu)成，通過提高板內(nèi)真空度和內(nèi)充芯層絕熱材料，達(dá)到減少對(duì)流和輻射換熱的效果。真空絕熱板具有高效保溫、尺寸穩(wěn)定、綠色環(huán)保等特點(diǎn)，主要用于工業(yè)領(lǐng)域（例如：冰箱、遠(yuǎn)洋運(yùn)輸冷藏箱等）和建筑領(lǐng)域（例如：歐洲高能效建筑、既有建筑節(jié)能改造項(xiàng)目等）。采用真空絕熱板隔熱，除了經(jīng)濟(jì)意義外，還能有效減輕保溫箱重量、增加保溫腔空間，更易實(shí)現(xiàn)質(zhì)輕、壁薄的效果，具有較大的技術(shù)經(jīng)濟(jì)意義。

二、節(jié)能方式的研究

本項(xiàng)目根據(jù)國(guó)家發(fā)改委2019年6月印發(fā)的《綠色高效制冷行動(dòng)方案》，提出對(duì)標(biāo)制冷產(chǎn)品能效一級(jí)能效指標(biāo)水平，達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先。項(xiàng)目研究的第二階段運(yùn)用能量回收利用理念，將半導(dǎo)體制冷片制冷后產(chǎn)生的熱量用于加熱，同時(shí)實(shí)現(xiàn)高低溫的保溫；加之新型保溫材料的使用和保溫箱結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，最大限度減少能量損失，達(dá)到節(jié)能的目的。

根據(jù)機(jī)械式冷凍箱區(qū)隔的機(jī)制，提出“機(jī)械式冷凍箱區(qū)隔多溫共配模型”；根據(jù)蓄冷保溫箱的特性，提出“蓄冷式蓄熱式多溫共配模型”。綜合考慮多溫共配中產(chǎn)品的腐敗成本、時(shí)間窗的懲罰成本、配送車輛固定成本、能耗成本、路線成本等，構(gòu)建多溫共配的多目標(biāo)函數(shù)；將仿真與優(yōu)化環(huán)節(jié)有機(jī)融合，對(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行定義，優(yōu)化兩種多溫共配模型的最優(yōu)解。通過算例驗(yàn)證機(jī)械式冷凍箱區(qū)隔多溫共配和蓄冷式蓄熱式多溫共配的改善程度，優(yōu)化多溫共配，將兩種組織形式進(jìn)行成本對(duì)比分析。實(shí)例結(jié)果表明，相對(duì)于機(jī)械式冷凍區(qū)隔多溫共配，蓄冷式蓄熱式多溫共配模式在保溫、節(jié)能等方面有較明顯的效益優(yōu)勢(shì)。

三、系統(tǒng)方案的設(shè)計(jì)

互聯(lián)網(wǎng)+共享保溫存儲(chǔ)系統(tǒng)由半導(dǎo)體制冷片、保溫箱箱體、溫控系統(tǒng)、顯示系統(tǒng)、遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)組成。其中箱體劃分冷、熱2個(gè)區(qū)域：蓄冷區(qū)和蓄熱區(qū)，保溫的溫度可以通過面板和app遠(yuǎn)程控制。半導(dǎo)體制冷片，是一種新型節(jié)能制冷設(shè)備，它的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊、能耗低、不使用制冷劑、沒有滑動(dòng)部件，應(yīng)用在一些空間受到限制、可靠性要求高的場(chǎng)合，其無制冷劑污染是理想的環(huán)保制冷方法。利用半導(dǎo)體材料的Peltier效應(yīng)，當(dāng)直流電通過兩種不同半導(dǎo)體材料串聯(lián)成的電偶時(shí)，在電偶的兩端即可分別吸收熱量和放出熱量，可以實(shí)現(xiàn)制冷的目的，是一種產(chǎn)生負(fù)熱阻的制冷技術(shù)，其特點(diǎn)是無運(yùn)動(dòng)部件，可靠性較高。從而令保溫箱具備快遞柜、恒溫代保管，實(shí)現(xiàn)冷凍存儲(chǔ)、冷藏存儲(chǔ)、自制售賣散裝食用冰塊等功能。將半導(dǎo)體制冷片制冷產(chǎn)生的熱能收集應(yīng)用于另一個(gè)隔區(qū)的制熱，實(shí)現(xiàn)保溫和節(jié)能效果，同時(shí)制熱區(qū)域?qū)崿F(xiàn)保溫箱功能，使該系統(tǒng)具備適用于快遞柜、恒溫代保管，保溫存儲(chǔ)等功能。

最后通過設(shè)計(jì)軟件app，進(jìn)行實(shí)地操作和遠(yuǎn)程監(jiān)控，適應(yīng)用戶使用習(xí)慣的變化，滿足其使用需求，充分發(fā)揮自主研發(fā)技術(shù)優(yōu)勢(shì)進(jìn)行個(gè)性定制。

四、系統(tǒng)特點(diǎn)總結(jié)

1.節(jié)能環(huán)保。本項(xiàng)目采用優(yōu)質(zhì)保溫材料，具有良好的保溫性能，利用半導(dǎo)體制冷片同時(shí)進(jìn)行蓄冷蓄熱，即制冷的同時(shí)收集其產(chǎn)生的熱能進(jìn)行利用。能夠大幅減少能源浪費(fèi)，電能利用率最高可達(dá)近100%。同時(shí)，電子制冷片不需要制冷劑，使該恒溫系統(tǒng)具有良好的環(huán)保性，不會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染。

2.高效便捷。采用半導(dǎo)體制冷片智能溫控設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)通過預(yù)設(shè)溫度和箱內(nèi)溫度比較，自動(dòng)啟動(dòng)半導(dǎo)體制冷片進(jìn)行蓄冷蓄熱。該系統(tǒng)還具有快速加熱、快速制冷，重量小、移動(dòng)靈活，遠(yuǎn)程操作監(jiān)控方便等特點(diǎn)，能夠滿足更多用戶的需求。

3.安全可靠。本項(xiàng)目采用優(yōu)質(zhì)材料和先進(jìn)技術(shù)，具有較高的安全性和可靠性。同時(shí)該系統(tǒng)還具有過熱保護(hù)、過流保護(hù)等功能，能夠確保設(shè)備的安全運(yùn)行。

4.靈活多樣。本系統(tǒng)可以根據(jù)不同用戶的需求進(jìn)行定制，滿足用戶的個(gè)性化需求。同時(shí)，該系統(tǒng)還具有多種控制方式，如遠(yuǎn)程監(jiān)控溫度、手機(jī)APP操作等，方便用戶操作和管理。

5.易于維護(hù)。模塊化設(shè)計(jì)可自行更換半導(dǎo)體制冷片和電源，方便進(jìn)行維護(hù)和保養(yǎng)。設(shè)備出現(xiàn)故障，恒溫箱自動(dòng)關(guān)機(jī)保護(hù)，并向手機(jī)端發(fā)送報(bào)警提示信息，保護(hù)設(shè)備的同時(shí)提高了維護(hù)效率，降低了維護(hù)成本。

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基金項(xiàng)目：2022 年度河北省高等學(xué)校科學(xué)技術(shù)研究自籌經(jīng)費(fèi)項(xiàng)目“互聯(lián)網(wǎng)十共享保溫存儲(chǔ)系統(tǒng)的研究”（項(xiàng)目編號(hào)：ZC2022062）。