食品冷藏运输综合能耗评价体系构建与应用

屈睿瑰，宗 岩，刘广海，谢如鹤，黄 欣

（1. 广州城市职业学院 城市建设工程系，广东 广州 510405；2. 中国铁路总公司 运输局，北京100844；3. 广州大学 物流与运输研究所，广东 广州 510006；4. 中南大学 交通运输工程学院，湖南 长沙 410075）

随着国民经济的快速发展，目前我国跨入世界能源消费大国行列。作为能源消耗最大来源之一的物流运输业目前已占全部能耗的 1/3，而且成本高居不下，约占社会 GDP 的 20% 左右(为西方发达国家的 2 倍)[1]，其中在鲜活农产品和其他易腐食品的冷藏运输方面能耗需求巨大。同时，因管理、技术等多方面原因，单位能耗为西方发达国家的 2 倍左右[2]。因此，无论是建设节约型社会与环境保护，还是加快农业与食品工业发展，降低冷藏运输能耗都是重中之重。国际制冷学会将冷藏运输节能列为未来重点研究课题[3]，国际国内也对相关技术如制冷系统、智能控制、冷藏运输装备优化等方面开展大量研究，但相关研究主要集中在技术领域，而对于一个冷藏运输企业而言，管理水平、设备条件、操作技术、外部环境等方面都会对运输能耗造成影响，这是一个综合复杂的系统问题[4]。为此，应通过对管理、技术等方面的综合考虑，加强探讨影响冷藏运输能耗的关键因素，并针对具体企业存在问题提出相应解决策略。

1 食品冷藏运输综合能耗评价体系设计

冷藏运输是指采用加热、制冷或隔热等措施保证货物处于一定温度环境下的运输方式。根据热力学原理，冷藏运输装备热负荷可以表述为

式中：Q(n) 为装备热负荷，W；Fk为装备第 k 向内表面面积，m2；αck为装备第 k 向内表面对流换热系数，W/( m2·K)；tik(n) 为装备第 k 向内表面温度，K；tr(n) 为装备内部空气温度，K；qc(n) 为食品的呼吸热，W；La(n) 为渗风、通风量，m3/h；(cρ)o为装备外空气单位热容，J/( m3·K)；to(n) 为装备外部空气温度，K。

由⑴式可知，冷藏运输能耗的影响因素很多而且构成复杂，运输产品不同、运输时间等各因素发生改变时，其整体能耗总量和整体构成均可能出现较大变化。研究表明，管理水平、操作技术、设备条件及外部环境等方面都会在一定程度上对其造成影响，在实际操作中很难具体量化冷藏运输能耗的构成[5]。因此，为达到节能目标，首先需要选择合适的运输装备和运输技术。在运输装备方面，由于运输装备是载体，目前冷藏汽车、冷藏集装箱和铁路冷藏车是使用最为广泛的冷藏运输装备，它们由设有隔热层的箱体、制冷设备(多使用化石燃料转化为电能驱动) 及其他附属设施构成，制冷性能、保温性能和气密性能是衡量其能耗水平的关键指标。在运输技术方面，由于冷藏运输是冷链环节中的一个部分，因而运输速度、预冷、包装、装载方式、接驳形式、环境变化、流程监管等不可避免会影响整体能耗。因此，合理评价冷藏运输企业的总体能耗水平，需要采用合适的评价方法、评价体系和评价指标，在分析影响冷藏运输能耗因素的基础上，找到关键控制点，确定其影响因子，进而找到相应的节能评价指标，尽可能使节能综合评价客观、全面。

自 2004年起，针对冷藏运输能耗展开长期跟踪研究，在综合国内外研究成果的基础上，对3000 余次冷藏运输能耗状况进行统计，对管理水平、设备条件、操作技术、外部环境等问题进行了分析，并且对国内 53 名冷藏运输领域专家、从业技术及管理人员采用问卷调查，得到影响食品冷藏运输能耗水平的主要指标，并确定指标评价的基准值及评价方法。运输企业能耗指标体系包括目标、领域、指标、方法 4个层次。目标层为评价目标，即食品冷藏运输综合能耗水平；领域层体现宏观层次的冷藏运输能耗影响因素，包括管理、设备、操作和环境 4个部分；指标层为影响冷藏运输能耗的各具体因素，共计 13 项，以 Ⅲ.1～Ⅲ.13 表示，运输企业能耗评价指标体系构成如表1 所示。

在分析方法选择上，由于影响冷藏运输能耗指标众多，但每个指标的影响度则有所不同，主要采用层次分析法与熵技术相结合的方式。层次分析法具有逻辑性强、准确度高等特性，但由于在使用过程中采用专家打分的方式，评价指标容易受到专家知识结构、个人意志等因素影响，在指标权重方面可能会产成一定的偏差，从而影响评价的准确性。为弥补该方法的不足，通过引入熵技术对层次分析法进行修正，该方法首先采用层次分析法取得相关指标的权重，然后采用熵技术对指标权重进行调整，从而消除误差，提高精度。

表1 运输企业能耗评价指标体系构成

2 食品冷藏运输综合能耗评价方法

2.1 指标权重确定

指标权重的确定以专家评价为基础，采用相关数学方法分析得到。目前层次分析法的权向量计算中，常用几何平均法、和积法、最小二乘法等。采用几何平均法，令评价结果权向量为 w = ( w1，w2，…，wn)T，则

式中：wi为第 i 项权重值；为pj的n次根 ，为判断矩阵各元素行乘积，

由于现实条件的多变性，评价结果会存在一定的不足，为保证评价计算结果的准确性，需要进行一致性检测，计算公式为

式中：CR 为判断矩阵随机一致性比率，CI 为判断矩阵一般一致性指标，RI 为判断矩阵随机一致性指标。

按照上述方法，研究选取 53 名冷藏运输领域专家、从业技术及管理人员对上述问题进行评价，得到相关参数的权重系数，如表2 所示。

表2 基于层次分析法的评价指标权重

2.2 指标权重修正

由信息论可以将熵定义为

式中：qi为系统某种状态概率。

若存在 m种状况，n个参数，可以组合为R =(rij)m×n，对于第j个指标有

式中：Ej为第j个指标的信息熵；qij为第j个指标第 i种状态的概率，

设评价指标熵权为 ω，最终熵权为 ω'，可知

将熵修正方法引入指标权重确定，得到修正后结果如表3 所示。

表3 权重修正值

2.3 食品冷藏运输节能关键点的确定

在分析得到影响冷藏运输能耗主要因素的基础上，通过引入层次熵分析法，计算得到各影响因素的权重。由表3 可知，在不同领域，影响冷藏运输综合能耗排在前 3 位的分别是操作、设备和管理，其中操作对能耗的影响最大。在具体指标方面，“Ⅲ.9 食品预冷”排在首位，占总权重的 0.119 (Ⅱ.3与Ⅲ.9 权重值之积)，排在第二位和第三的分别是“Ⅲ.1 人员及制度管理”和“Ⅲ.8 行驶速度”，各占 0.117 (Ⅱ.1 与Ⅲ.1 权重值之积) 和0.111 (Ⅱ.3 与Ⅲ.8 权重值之积)。可见上述 3个问题在冷藏运输中是应重点考虑和解决的，这与冷藏运输调研及能耗分析计算结果相吻合。

在“食品预冷”方面，由于冷藏运输装备的制冷量是按照维持低温而非降温目的设计的，若食品未预冷即装车，为保持适宜的温度，一方面装备将不得不减少装车量，另一方面制冷系统在高负荷条件下长期工作也将消耗大量能源，据统计，是否预冷将导致单位运输能耗相差 50% 甚至更多。“人员及制度管理”也是能耗管理的核心问题，冷藏运输技术性强，操作复杂，若无严格的规范和完善的人员培训制度，即使设备先进也难以保障节能政策的实施，在实际操作中甚至存在关闭制冷系统以达到节能目的的“节能”行为，因而必须严加规范。在“行驶速度”方面，由于冷藏运输时刻需要以制冷手段维持适宜的温度，速度越快则能耗越低，铁路由于运能、列车编组等方面的原因造成冷藏运输速度较低，这也是困扰铁路冷藏运输的重要问题之一，亟待解决。

为简化操作而且更好地分析各因素的重要性，研究以权重为基础，将 13 项具体指标分为 A、B、C3 级，其中，A 为非常重要，权重值在 0.10 之上；B 为重要，权重值在 0.05～0.10 之间；小于 0.05 的为比较重要，列为 C 级。由此，冷藏运输企业可以明确获知影响冷藏运输综合能耗的关键因素，并可以在系统分析的基础上有针对性地采取相应措施，在保障食品安全的基础上降低运输能耗。

3 食品冷藏运输综合能耗评价体系的实际应用

3.1 评价依据

利用上述食品冷藏运输综合能耗评价方法，可以对冷藏运输企业的能耗水平进行分析和评价。在具体操作上，一方面遵循现有国际、国内标准对冷藏运输的规范和分级，如在管理和环境方面主要以 ATP 协议和 GB/T 22918 为基准，在设备方面主要参考 ISO 1496、GB/T 7392、GB/T 5600、QC/T 449 等，在技术操作方面依据 ATP 协议、SB/T 10728、SB/T 10729、SB/T 10730、SB/T 10731等，另一方面参考团队能耗评价研究成果展开分析[6-7]。

3.2 评价过程

为验证方法的实际应用效果，以某大型铁路冷藏运输企业为例进行分析。该企业为大型国有上市公司，2009年起购入冷藏运输装备开始从事铁路冷藏运输业务，目前已经成为国内大型冷藏运输企业之一。将该企业各项参数得分从高到低设为 a、b、c、d、e 5个级别，其中 a 为最优，e 为最差，上述评分对应于相应指标的行业领先、行业先进、行业平均、行业较低和行业落后水平。利用表1 所示的影响冷藏运输综合能耗的各关键点，对照评分标准，在操作、设备、管理、环境等方面逐一进行分析，评价结果如表4 所示。

3.3 指标分析

根据冷藏运输企业节能综合评价结果 (见表4)，该企业在综合节能的整体表现上处于较高水平，13项指标中有 5 项处于 a 级水平，4 项处于b级水平。

（1）在设备方面，因其 2009年后才开始从事冷藏运输业务，所有设备均为新购而且标准较高，所以在整个行业中处于领先水平，值得注意的是应关注维修保养，同时在新技术的引进和应用方面应更加积极。

（2）在管理方面，作为大型国有上市公司，在制度管理、从业人员管理、流程监控、总结改进等方面有据可依，但是也应看到，因铁路网络的局限和运输制度的限制，在路径选择上，该企业不如公路企业灵活(如列车编组、开行线路选择等)，而且在出现问题时处理方面较为僵化(如装备故障反应慢等)，有待加强。

（3）在操作方面，最大的问题在于运输速度慢，该企业受限于铁路运力，平均运输速度只有20km/h，耗能巨大，这也是问题最为突出的指标，亟待改进。

表4 某冷藏运输企业节能综合评价

（4）在环境方面，与其他冷藏运输企业(主要是公路运输企业) 相比较，运输距离长、气象变化大等使该企业在能耗方面的压力更大，因而也需要有针对性地采取措施加以改进。

3.4 评价结果

应用上述方法可以分析冷藏运输整体运作过程中的不足和优势。对该企业而言，运输速度的提升、路径选择及优化等是最薄弱环节也是关键问题，亟待改进；整个外部环境的改善亦相当重要。尽管存在客观因素导致部分问题难以短期解决，但也存在改进的空间，如提高载重等；此外，该企业可以积极争取国家和地方政府的相关政策支持等。

4 结束语

在综合国内外研究成果、调研、实验的基础上，提出食品冷藏运输综合能耗评价体系。该体系综合考虑影响食品冷藏运输能耗水平的主要指标，在管理、设备、技术和环境 4个领域列出 13 项主要因素，并给出指标评价的基准值及评价的方式方法。最后以某大型铁路冷藏运输企业为例进行了分析，对其能耗水平进行评价并给出针对性的改进意见。该方法已在国内贸易行业标准中得到应用，相关成果可以为食品冷藏运输节能作业提供依据。今后将以此为基础进行改进优化，最终形成完整规范的冷藏运输能耗评测和分析改进体系，在冷藏运输节能领域里发挥积极作用。

[1]国家统计局. 中国统计摘要 2012[M]. 北京：中国统计出版社，2013.

[2]国家发展和改革委员会. 农产品冷链物流发展规划[R]. 北京：国家发展和改革委员会，2010.

[3]IIR. IIR List of Refrigeration Research Priorities[J]. Journal of Refrigeration，2006，27(3)：59-62.

[4]James S J，James C，Evans J A. Modelling of Food Transportation Systems-A Review[J]. International Journal of Refrigeration，2006，29(6)：947-957.

[5]Robert Heap. Refrigeration and Food Safety[J]. IIR Bulletin，2007(6)：3-12.

[6]黄 欣. 冷藏链中易腐食品冷藏运输品质安全与节能应用体系研究[D]. 长沙：中南大学，2011.

[7]刘广海，谢如鹤，宗 岩. 冷藏运输能耗管理与节能策略分析[J]. 铁道运输与经济，2011，33(7)：28-31.