中國低溫冷藏車節(jié)能減排的研究

朱進(jìn)林謝 晶

ZHU Jin－lin1，2XIE Jing1，2

（1.上海水產(chǎn)品加工與貯藏工程技術(shù)研究中心，上海 201306；2.上海海洋大學(xué)食品學(xué)院，上海 201306）

易腐食品的低溫運(yùn)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(zhì)，而且關(guān)系到人群的身體健康問題［1］。據(jù)統(tǒng)計(jì)［2］，中國每年由于冷藏運(yùn)輸造成的易腐產(chǎn)品損耗量占整個(gè)冷鏈易腐產(chǎn)品損耗量25%～30%?？v觀整個(gè)冷藏運(yùn)輸行業(yè)，目前在運(yùn)輸結(jié)構(gòu)中，鐵路冷藏運(yùn)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(yùn)輸產(chǎn)業(yè)效率低、耗能高的問題。有報(bào)告［4］指出，2001年以來，中國公路冷藏車運(yùn)量年均增長(zhǎng)、公路冷藏運(yùn)輸?shù)目偭看蟠笤黾?，這導(dǎo)致中國冷藏汽車的需求量大幅增長(zhǎng)。公路冷藏運(yùn)輸汽車與水上、空中等其他低溫冷藏運(yùn)輸設(shè)備相比，具有機(jī)動(dòng)靈活，適應(yīng)性強(qiáng)的特點(diǎn)，能夠較好發(fā)揮汽車的經(jīng)濟(jì)效益，并把這種經(jīng)濟(jì)效益體現(xiàn)在汽車使用與流通全過程中，實(shí)現(xiàn)所謂的“遠(yuǎn)距效益”、“時(shí)間效益”和“運(yùn)輸品質(zhì)量效益”［5］。面對(duì)能源日益枯竭的時(shí)代背景，節(jié)能和可持續(xù)發(fā)展已經(jīng)成為時(shí)代的主題。公路冷藏運(yùn)輸作為運(yùn)輸行業(yè)的重要組成部分，冷藏運(yùn)輸車的耗能已經(jīng)成為研究者關(guān)注的熱點(diǎn)，對(duì)其進(jìn)行節(jié)能減排的改進(jìn)是一項(xiàng)亟待解決的任務(wù)，對(duì)社會(huì)的發(fā)展有著十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 中國冷藏車發(fā)展歷程和現(xiàn)狀

中國的公路汽車?yán)洳剡\(yùn)輸是從20世紀(jì)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(jī)械廠開始出現(xiàn)了改裝的國產(chǎn)解放牌保溫貨車。后期由于冷藏保溫車的種類、數(shù)量、質(zhì)量不能滿足水產(chǎn)、外貿(mào)、衛(wèi)生等部門的要求，中國先后從一些冷藏技術(shù)發(fā)達(dá)國家引進(jìn)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(chǎn)。1981年全國有10家企業(yè)改裝冷藏保溫汽車，年產(chǎn)量約700輛，其中冷藏汽車不足10%［6］。近年來，伴隨著科技、經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展和人民生活水平的不斷提高，一些偏遠(yuǎn)經(jīng)濟(jì)相對(duì)落后地區(qū)也逐漸使用低溫冷藏車，公路冷藏運(yùn)輸在中國有了一個(gè)較為快速發(fā)展時(shí)期。據(jù)預(yù)測(cè)［7］，中國冷藏車的需求量將以20%～25%的速度遞增，應(yīng)用領(lǐng)域從最初的肉類、奶制品、冷飲、果蔬等易腐食品行業(yè)擴(kuò)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(chǎng)調(diào)研報(bào)告》［8］統(tǒng)計(jì)：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(jì)算，中國只是美國和日本的1／3左右，在市場(chǎng)方面還有很大發(fā)展空間；2006年市場(chǎng)份額調(diào)查顯示，保溫車重型達(dá)到1.4%，中型達(dá)到15.8%，輕型達(dá)到82.8%；冷藏車重型份額達(dá)8.7%，中型達(dá)到27.8%，輕型達(dá)到63.5%。在冷藏車產(chǎn)品結(jié)構(gòu)方面，未來格局將進(jìn)一步整合。

縱觀中國低溫運(yùn)輸行業(yè)，與發(fā)達(dá)國家相比還有很大差距。從冷藏運(yùn)輸車研發(fā)技術(shù)、保有量到冷藏車的品種等，目前還是處在一個(gè)較低的水平上。從最初的進(jìn)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(yùn)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(shù)的研究已經(jīng)相當(dāng)成熟，大量性能優(yōu)良、運(yùn)行穩(wěn)定、能耗低的冷藏車已經(jīng)投入應(yīng)用。由于公路冷藏車的能耗來源于很多方面，目前中國關(guān)于冷藏車節(jié)能減排方面的研究還處于起步階段。對(duì)冷藏運(yùn)輸裝備節(jié)能研究主要集中在改善車廂圍護(hù)結(jié)構(gòu)、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(guān)系等［2］。文章對(duì)已開展的冷藏車的節(jié)能減排從以下幾個(gè)方面進(jìn)行回顧。

2.1 改進(jìn)冷藏車的自身結(jié)構(gòu)

對(duì)低溫冷藏車的結(jié)構(gòu)改進(jìn)主要集中于冷藏車廂體結(jié)構(gòu)和隔熱材料的選擇以及動(dòng)力系統(tǒng)方面的研究。

低溫冷藏車廂體的隔熱材料和結(jié)構(gòu)直接影響著冷藏車的絕熱性能、機(jī)械強(qiáng)度、環(huán)保性能和經(jīng)濟(jì)性［9］。作為廂體結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)型式可以分為整體結(jié)構(gòu)和拼裝結(jié)構(gòu)，目前以“三明治”板粘接式結(jié)構(gòu)應(yīng)用最廣。Pannozzo等［10，11］研究指出，冷藏車廂體結(jié)構(gòu)的絕熱系數(shù)伴隨著時(shí)間的變化而逐漸減小。新型氣密保溫復(fù)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(qiáng)了廂體的絕熱性能。廂體的外蒙皮及內(nèi)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(jié)構(gòu)等都是近幾年國內(nèi)外流行的做法［12］。一些新的整體骨架注入發(fā)泡技術(shù)如空心玻璃鋼整體發(fā)泡澆鑄成型技術(shù)，也在不斷被研發(fā)出來，在未來幾年內(nèi)可以實(shí)現(xiàn)區(qū)域性廂體的加工制造。

聚氨酯硬質(zhì)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(zhì)量輕、熱導(dǎo)率低、絕熱效果好的特點(diǎn)。ATP條約［10］（agreement for the transport of perishables）指出，一般要求隔熱材料熱導(dǎo)率為K≤0.7W／（m· K），優(yōu)質(zhì)隔熱材料熱導(dǎo)率為K≤0.4W／（m·K）。聚氨酯硬質(zhì)泡沫塑料熱導(dǎo)率為K＝0.03W／（m·K），被廣泛的用于低溫冷藏車上。

Mashud等［13］對(duì)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(jìn)行了漏熱量計(jì)算，試驗(yàn)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(duì)單個(gè)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(nèi)外側(cè)壁面材料以及聚氨酯為填充材料，在冷藏車上應(yīng)用了分片式高壓灌注真空隔熱圍護(hù)結(jié)構(gòu)。通過對(duì)使用不同材料冷藏車廂進(jìn)行冷量損失和耗能情況計(jì)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(dòng)力系統(tǒng)優(yōu)化，如改變冷藏車傳動(dòng)系的傳動(dòng)比，使車身常用工況處于發(fā)動(dòng)機(jī)特性曲線最佳經(jīng)濟(jì)區(qū)，有效降低冷藏車的燃油消耗，對(duì)于提高冷藏車節(jié)能減排也有一定的積極意義。經(jīng)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(duì)冷藏車“減排”技術(shù)主要體現(xiàn)在兩方面［1］：① 采用電子控制技術(shù)將汽油發(fā)動(dòng)機(jī)電子點(diǎn)火改為電子直接噴射、增加進(jìn)排氣門、對(duì)進(jìn)氣進(jìn)行預(yù)熱、改善空氣燃?xì)獗鹊冗^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(dòng)力、液化氣體燃料、液態(tài)清潔燃料以及混合動(dòng)力等新型動(dòng)力汽車。目前中國自主品牌汽車在混合動(dòng)力方面技術(shù)比較成熟，如廣州某公司歐V混合動(dòng)力客車運(yùn)行一年半，出勤率98%，其節(jié)油率達(dá)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(jī)械制冷、蓄冷板制冷和液化氣體制冷3種。就目前而言，機(jī)械制冷的冷藏車占據(jù)著主要的冷藏車市場(chǎng)，它們應(yīng)用在眾多場(chǎng)合，具有溫度均勻、操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，但其也存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、容易出現(xiàn)故障、維修費(fèi)用高以及冷卻速度慢等問題。

2.2.1 液氮冷藏車 具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、降溫速度快、車廂內(nèi)溫度分布均勻、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，深受大眾的喜愛，但也具有成本高、運(yùn)輸途中液氮補(bǔ)給困難等缺點(diǎn)。目前中國學(xué)者主要對(duì)其液氮噴淋技術(shù)和液氮冷凍性能展開研究，為其廣泛應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。張玉文等［16］闡述了液氮噴淋技術(shù)的必要性，介紹了冷藏車噴淋箱體的試驗(yàn)測(cè)試，得出該技術(shù)具有推廣應(yīng)用價(jià)值的結(jié)論。李艷等［17］模擬分析了液氮冷藏車?yán)洳叵鋬?nèi)流場(chǎng)、溫度場(chǎng)、食品凍結(jié)特性以及凍藏冷藏運(yùn)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(shù)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(nèi)的冷藏溫度，運(yùn)營成本低、易于維修和冷板能重復(fù)利用，主要用來中短途運(yùn)輸冷藏貨物，其不足是制冷時(shí)間有限，冷卻速度慢。冷板相變蓄冷劑的選擇和沖放冷時(shí)間影響因素和冷板換熱性能方面研究成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。李曉燕等［18］針對(duì)相變制冷劑的要求，提出一種新型相變制冷劑，并對(duì)其可用性進(jìn)行了驗(yàn)證，結(jié)果表明該介質(zhì)相變溫度－6.9℃，適用于蓄冷板冷藏車。楊培志等［19］對(duì)冷藏車內(nèi)冷板的相變傳熱進(jìn)行了研究分析，結(jié)合數(shù)值模擬，為冷板車內(nèi)冷板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考。

2.2.3 液態(tài)CO2氣化制冷冷藏車 該技術(shù)是近年來剛提出的，嚴(yán)嘉等［20］將液態(tài)CO2冷藏車與機(jī)械式和冷板冷藏車進(jìn)行了比對(duì)分析，從初投資、設(shè)備折舊、維修費(fèi)以及能耗費(fèi)幾個(gè)方面進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)性分析，數(shù)據(jù)結(jié)果顯現(xiàn)，液態(tài)CO2冷藏車制冷費(fèi)用比機(jī)械式冷藏車低42%，比冷板式冷藏車低28%，為冷藏車技術(shù)指明了一個(gè)新的研究方向。

選擇不同的制冷系統(tǒng)，對(duì)于冷藏車運(yùn)輸具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。既確保了低溫運(yùn)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(shí)代要求。針對(duì)低溫運(yùn)輸距離長(zhǎng)短，貨物數(shù)量種類、數(shù)量以及冷藏冷凍溫度的實(shí)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(yùn)輸壓力。

（1）對(duì)于機(jī)械制冷式冷藏車而言，圍繞制冷機(jī)組進(jìn)行節(jié)能環(huán)保新技術(shù)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(nèi)，對(duì)R134a和R404A進(jìn)行了換熱和流動(dòng)情況的模擬，結(jié)果表明，在冷藏車運(yùn)行工況范圍內(nèi)，R404A的傳熱和流動(dòng)性能優(yōu)于R134a。張哲等［22］對(duì)機(jī)械制冷冷藏車內(nèi)蒸發(fā)器結(jié)霜特性進(jìn)行了深入研究，得出入口空氣參數(shù)對(duì)蒸發(fā)器結(jié)霜厚度和換熱量的影響規(guī)律，指出對(duì)蒸發(fā)器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，良好的融霜控制方式是維護(hù)機(jī)組正常運(yùn)行，提高工作效率的有效手段之一。

（2）機(jī)械冷板冷藏車是一代冷板冷藏車的改進(jìn)版，擁有更強(qiáng)的適應(yīng)性。其自身攜帶制冷機(jī)組和壓縮機(jī)，只需地面供給電源，就可完成冷板的充冷過程。冷板設(shè)計(jì)和制冷機(jī)組以及壓縮機(jī)的優(yōu)化是提高冷藏車運(yùn)行性能，達(dá)到節(jié)能目的的關(guān)鍵因素。闞杰等［23］給出了機(jī)械冷板冷藏車的一些改進(jìn)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(fēng)窗口，控制通風(fēng)窗口的數(shù)量，調(diào)節(jié)冷量，達(dá)到降溫的目的；另一方面，將冷板內(nèi)的蒸發(fā)管改為兩組，提高冷板內(nèi)傳熱效能。此外，對(duì)壓縮機(jī)采用動(dòng)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(yùn)行效率。

2.3 冷藏車其他優(yōu)化技術(shù)

冷藏車在運(yùn)輸過程中，能量耗散是來自很多方面的。因此，應(yīng)盡可能降低冷量損耗，提高經(jīng)濟(jì)性。設(shè)置風(fēng)幕、對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行預(yù)冷、車廂內(nèi)通風(fēng)狀況、產(chǎn)品的包裝和堆碼形式以及冷藏車運(yùn)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(chǎng)，為了減少外部環(huán)境與內(nèi)部環(huán)境的對(duì)流換熱，維持室內(nèi)溫度，在其入口處往往設(shè)置空氣幕。自Van Kennel［24］關(guān)于空氣幕研究發(fā)表后，風(fēng)幕技術(shù)得到迅速發(fā)展［25］。在國外，風(fēng)幕在冷藏車上應(yīng)用早已普遍起來，Tso等［26］對(duì)帶內(nèi)吸風(fēng)方式風(fēng)幕的冷藏車進(jìn)行了試驗(yàn)研究，結(jié)果表明，風(fēng)幕對(duì)冷藏車節(jié)能具有明顯的節(jié)能效果。近年來，國內(nèi)學(xué)者針對(duì)風(fēng)幕研究開始普遍起來。劉敬輝等［27］對(duì)一種帶外吸風(fēng)方式風(fēng)幕的冷藏車進(jìn)行了性能測(cè)試，并用CFD仿真分析了冷藏車開門時(shí)風(fēng)幕對(duì)其保溫效果的影響，得出結(jié)論：風(fēng)幕可以降低開門卸貨時(shí)能量損失，減緩車廂內(nèi)溫度平均上升速率。

對(duì)生鮮易腐產(chǎn)品進(jìn)行預(yù)冷，去除田間熱是冷藏車運(yùn)輸前必須完成的農(nóng)產(chǎn)品采后冷鏈的第一個(gè)環(huán)節(jié)，它不僅為降低冷藏運(yùn)輸環(huán)節(jié)能耗提供了前提，并極大地影響到農(nóng)產(chǎn)品后續(xù)的品質(zhì)［28］。

冷藏車廂內(nèi)不同的通風(fēng)方式，影響著流場(chǎng)和溫度場(chǎng)的分布，研究自然對(duì)流和強(qiáng)制通風(fēng)作用對(duì)提高易腐食品的質(zhì)量有著一定的指導(dǎo)意義。陳煥新等［29］對(duì)采用自然對(duì)流的冷板冷藏車運(yùn)輸過程中貨物溫度分布情況進(jìn)行了計(jì)算與分析。Moureh等［30］對(duì)采用上送下回式送風(fēng)方式的冷藏車廂內(nèi)裝載貨物前后氣流組織和溫度分布進(jìn)行了CFD模擬，并進(jìn)行了對(duì)比分析。

不同的包裝堆碼形式對(duì)貨物質(zhì)量也有一定的影響。張婭妮等［31］探究了機(jī)械冷藏車廂內(nèi)貨物裝載間隙對(duì)溫度場(chǎng)的影響情況，運(yùn)用CFD模擬，得出間隙越大，冷空氣流動(dòng)速度越快，溫度場(chǎng)越穩(wěn)定的結(jié)論。

多溫區(qū)冷藏車的開發(fā)與研制，迎合了現(xiàn)代社會(huì)不同低溫運(yùn)輸需求的現(xiàn)狀。針對(duì)不同貨物，分別設(shè)立深冷區(qū)、冷凍區(qū)、冷藏區(qū)、常溫區(qū)以及取樣間，實(shí)現(xiàn)一車多樣，既減少了運(yùn)輸?shù)拇螖?shù)，又節(jié)省了能量。謝晶等［32］利用3種不同計(jì)算方法對(duì)多溫區(qū)冷藏車熱負(fù)荷進(jìn)行計(jì)算，尋求合理的計(jì)算方法，得出開門熱負(fù)荷和隔熱廂體傳入負(fù)荷占總負(fù)荷80%的結(jié)論，為多溫區(qū)冷藏車的設(shè)計(jì)提供了參考。

此外，冷藏車的運(yùn)行外界環(huán)境和駕駛員的開車習(xí)慣也會(huì)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(dá)7%～25%。

3 結(jié)語與展望

科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展為低溫冷藏車節(jié)能減排的深入研究與應(yīng)用奠定了良好的基礎(chǔ)。近幾年來，中國在堅(jiān)持自主創(chuàng)新，建設(shè)低碳、節(jié)能、環(huán)保創(chuàng)新型社會(huì)政策的實(shí)施下，冷藏車節(jié)能減排技術(shù)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(jié)論：

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

（2）明確了解各種制冷方式的優(yōu)劣性，根據(jù)實(shí)際情況，選擇合適的制冷方案，能提高系統(tǒng)運(yùn)作的經(jīng)濟(jì)性，降低運(yùn)輸能耗。

（3）通過在冷藏車內(nèi)設(shè)置風(fēng)機(jī)和空氣幕等設(shè)施，有助于提高冷藏車的節(jié)能運(yùn)作。

（4）加強(qiáng)基礎(chǔ)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(gè)因素與能耗的關(guān)系，建立計(jì)算方程，以便于以后的理論研究。

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