果蔬公路保鲜运输能耗计算模型探讨

邹炽导+陆华忠+杨松夏

摘要：按照果蔬公路保鲜运输中制冷方式分类，目前国内运输方式主要有泡沫箱加冰保鲜、机械冷藏保鲜、蓄冷板冷藏保鲜、液氮冷藏保鲜运输4种。为探索每种运输方式的能耗情况，本研究将泡沫箱加冰保鲜运输加冰量、机械冷藏保鲜运输燃油消耗量、蓄冷板冷藏保鲜运输耗电量以及液氮冷藏保鲜运输的液氮消耗量统一量化为能量单位，分别对4种果蔬公路保鲜运输方式建立以单位质量果蔬运输100 km能耗[kJ/（kg·100 km）]为评价指标的能耗计算模型，并且建立泡沫箱加冰保鲜运输加冰量计算模型和液氮冷藏运输液氮消耗量计算模型，以期为果蔬公路保鲜运输节能和果蔬公路保鲜运输管理提供参考。

关键词：果蔬；运输；保鲜；能耗；计算

中图分类号： TS255.3；U492.3+36.4文献标志码： A文章编号：1002-1302（2017）07-0199-03

我国果蔬种植具有品种多、分布广的特点，在果蔬采后物流中适合小批量、多频次、多品种的运输。公路运输灵活快捷，可以实现“门到门”的服务，对果蔬运输优势明显。据统计，我国公路运输生鲜货物所占的市场份额已上升至75%，短途运输几乎全部为公路运输[1-2]。然而，国内公路运输的能耗较高，果蔬保鲜的应用措施也进一步增加了运输能耗[3]。并且，在实际生产中发现，果蔬保鲜运输方式的选用不够合理，同一距离内的运输存在多种保鲜运输方式并用的现象，这也导致了运输能耗的增加。果蔬保鲜运输能耗高，导致果蔬物流成本居高不下，严重制约了果蔬产业的发展[4]。因此，分析每种果蔬公路保鲜运输方式的能耗构成，建立公路保鲜运输能耗计算模型，为合理选择果蔬保鲜运输方式和降低果蔬保鲜运输能耗提供理论参考。

按照保鲜运输中制冷方式分类，目前，国内果蔬公路保鲜运输方式主要有泡沫箱加冰保鲜运输、机械冷藏保鲜运输、蓄冷板冷藏保鲜运输3种方式[5-6]。此外，液氮冷藏车由于制冷迅速、结构简单可靠、环保无污染等优点受到人们的青睐，然而由于降温过程难以控制、液氮补给困难等缺陷，液氮冷藏保鲜运输尚未得到广泛应用[7]。

1计算模型

1.1泡沫箱加冰保鲜运输能耗计算模型

泡沫箱加冰保鮮运输不需专门的冷藏运输设备即可达到一定的保鲜效果，但需要在运输前进行特殊的包装处理。以荔枝泡沫箱加冰保鲜运输为例，首先在泡沫箱里衬聚乙烯袋，放入冰瓶；然后将冰水预冷后的荔枝均匀堆放进泡沫箱内，并在荔枝顶层铺薄海绵垫，将少量冰水浇在海绵垫上，最后封盖并用封口胶封住。一般经3个昼夜运输后，荔枝仍保持原来的鲜红色，风味不变，好果率达93%以上，水分损失不超过3%[8]。泡沫箱加冰保鲜运输初期投资相对较少、操作简便，在冷链运输设备尚未普及的情况下是国内果蔬中、短途运输普遍采用的保鲜运输方式。

泡沫箱加冰保鲜运输能耗构成主要为车辆行驶能耗和制冰能耗。由于制冰能耗受制冰工艺、工作效率等因素的影响而难以控制，从运输企业生产角度出发，本研究将制冰能耗以购冰费用转换为燃油消耗量的方式加以标准化。转化公式为：

式中：FP为泡沫箱加冰保鲜运输100 km总燃油消耗量，L/100 km；FV为泡沫箱加冰保鲜运输车辆行驶100 km燃油消耗量，L/100 km；YI为对应加冰量的购冰费用，元；X为燃油单价，元/L；S为保鲜运输总里程，km。

运输车辆行驶耗油量一般用百公里燃油消耗量衡量，本研究将车辆行驶百公里燃油消耗量转化为百公里能量。转换公式：

式中：WP为泡沫箱加冰保鲜运输单位质量果蔬运输100 km能耗，kJ/（kg·100 km）；be为运输车辆燃油消耗率，g/（kW·h）；ρ为燃料密度，g/cm3；mC为运输果蔬质量，kg。

联立（1）、（2）式即为泡沫箱加冰保鲜运输方式单位质量果蔬运输100 km能耗计算模型。由该模型可以看出，在运输车辆100 km燃油消耗量和燃油单价一定的情况下，加冰量越小则运输能耗越小。加冰量减小，虽然可以降低能耗和增加果蔬装载量，但也会导致果蔬保鲜效果下降，运输距离减小。因此，根据运输果蔬品种、运输距离选择满足保鲜要求的最小加冰质量，是泡沫箱加冰保鲜运输中保证果蔬品质和降低运输能耗的关键。采用热平衡法对泡沫箱进行热工性能分析[9]。一般，泡沫箱箱体与箱盖通过密封胶带密封，密封良好，假设漏热量为零。采用热平衡法对单个泡沫箱进行热工性能分析，建立加冰量计算模型。建模过程如下：

式中：QI、QT、QB分别为冰融化和升温释放的冷量、泡沫箱传热耗冷量、果蔬呼吸耗冷量，kJ；CI、CW分别为冰、水的比热容，kJ/（kg·K）；mI、mC分别为单个泡沫箱加冰质量、单个泡沫箱装载果蔬质量，kg；αP为泡沫箱传热系数，kW/（m2·K）；SP为单个泡沫箱传热面积，m2；rC为果蔬呼吸强度，kW/kg；t1、t2、tn、tw分别为冰块初始温度、泡沫箱内上限温度、泡沫箱内平均温度、外界环境平均温度，K；T为运输时间，h。

联立（3）～（6）式即为泡沫箱加冰保鲜运输加冰量计算模型。

1.2机械冷藏保鲜运输能耗计算模型

机械冷藏车调温范围广、精确可靠，广泛应用于长时间、远距离的果蔬保鲜运输。由于随车装备了制冷机组，机械冷藏保鲜运输的能耗也相对较高，据统计，每年用于冷藏运输制冷油耗就达50万t[10]。目前，国内外研究者主要通过车辆燃油消耗量统计分析和冷藏车厢热工性能分析的方法，对冷藏保鲜运输能耗展开研究。

1.2.1车辆燃油消耗量统计分析方法机械冷藏保鲜运输能耗主要包括车辆行驶能耗和机械制冷能耗，国内外研究者通过统计和分析实际运输过程中总燃油消耗量（包括车辆行驶、机械制冷燃油消耗量）的方法对机械冷藏运输能耗进行了研究[11-13]。本研究运用车辆燃油消耗量统计分析方法研究机械冷藏保鲜运输能耗，首先统计机械冷藏保鲜运输车辆的总燃油消耗量，然后转化为单位质量果蔬运输100 km能耗。机械冷藏保鲜运输单位质量果蔬运输100 km能耗计算模型如下：

式中：WM为机械冷藏保鲜运输单位质量果蔬运输100 km能耗，kJ/（kg·100 km）；FZ为机械冷藏保鲜运输车辆的100 km总燃油消耗量，L/100 km；be为运输车辆燃油消耗率，g/（kW·h）；mC为运输果蔬质量，kg。

已知机械冷藏保鲜运输车辆100 km总燃油消耗量，即可通过该模型获得机械冷藏保鲜运输单位质量果蔬运输 100 km 能耗，但是该模型具有一定的局限性：机械冷藏保鲜运输车辆100 km总燃油消耗量需要做大量的数据统计和分析才可获得；制冷燃油消耗量受果蔬原始温度、果蔬种类、外界环境温度等变量因素的影响，影响能耗计算模型求解准确性。

1.2.2冷藏厢体热工性能分析法冷藏厢体热工性能分析法利用热力学理论基础，对冷藏运输过程中冷藏厢体的热负荷进行分析。国内外研究者比较详细、全面地研究了冷藏运输厢体的热工性能，分析了冷藏运输过程中冷量传递和冷量消耗的构成[14-16]，为研究冷藏运输能耗提供了理论基础。本研究在分析机械冷藏保鲜运输冷藏厢体热工性能的基础上，建立单位质量果蔬运输100 km能耗计算模型。建模过程如下：

式中：QR、QT、QL、QS、QB、QF分别为冷藏保鲜运输制冷量、冷藏廂体传热耗冷量、缝隙漏热耗冷量、太阳辐射耗冷量、货物呼吸耗冷量、冷风机运行耗冷量，kJ；αk为冷藏厢体传热系数，kW/（m2·K）；Sk为冷藏厢体传热面积，m2；Sf为冷藏厢体外表面辐射面积，常取车厢总传热面积[17]；tn、tw分别为冷藏厢体内部平均温度、冷藏厢体外界环境平均温度，K；tf为冷藏厢体外表面受辐射平均温度，常取tf=tw+20 ℃；τf为每昼夜日照时间，一般取12～16 h；mC为运输果蔬质量，kg；rC为果蔬呼吸强度，kW/kg；P为冷风机功率，kW；T为运输时间，h。

联立（8）～（13）即为机械冷藏保鲜运输过程中的制冷量。制冷量由制冷机组工作耗能转换而来，制冷机组能耗与机械冷藏车制冷机组的能效比有关，制冷量和能耗转换公式如下：

式中：qR为机械冷藏保鲜运输制冷能耗，kJ；COP为制冷机组能效比，W/W。

车辆行驶100 km燃油消耗量转化为100 km能量。转换公式：

式中：qV为机械冷藏保鲜运输车辆行驶能耗，kJ；FV为机械冷藏保鲜运输车辆行驶燃油消耗量，L；be为运输车辆燃油消耗率，g/（kW·h）；ρ为燃料密度，g/cm3。

完成机械冷藏保鲜运输制冷能耗和车辆行驶能耗计算模型后，则可建立机械冷藏保鲜运输单位质量果蔬运输100 km能耗计算模型。模型如下：

式中：WM为机械冷藏保鲜运输单位质量果蔬运输100 km能耗，kJ/（kg·100 km）；mC为运输果蔬质量，kg；S为保鲜运输总里程，km。

联立（14）～（16）式即为机械冷藏保鲜运输单位质量果蔬运输100 km能耗计算模型。利用该模型可以不经过实车运输即可对各种果蔬的冷藏保鲜运输能耗进行预算和对比，并且该模型充分考虑了果蔬种类、运输环境温度、冷藏设备性能等变量因素对制冷能耗的影响，因此，该模型具有一定的通用性和较高的准确性。同时，根据该模型可以分析能耗构成及其能耗比例，为冷藏运输设备性能优化以及冷藏运输节能提供理论支持。然而，冷藏厢体热工性能分析法所需参数较多，计算过程相对复杂，车厢传热系数、车辆燃油消耗率等参数随使用年限的增加而变化较大。

1.3蓄冷板冷藏保鲜运输能耗计算模型

蓄冷板制冷利用共晶液的“放冷”实现温度调节，在运输前利用低价的电能对蓄冷板进行“充冷”，在蓄冷板冷藏保鲜运输过程中蓄冷板“放冷”以降低运输环境的温度[18]。蓄冷板冷藏保鲜运输所消耗的能量包括充冷能耗和车辆行驶能耗。首先，参照（8）～（13）式对冷藏厢体进行热工性能分析，获得蓄冷板冷藏保鲜运输制冷量QR，然后建立蓄冷板冷藏保鲜运输单位质量果蔬运输100 km能耗计算模型。建模过程如下：

式中：qC为蓄冷板充冷能耗，kJ；WP为蓄冷板冷藏保鲜运输单位质量果蔬运输100 km能耗，kJ/（kg·100 km）；COP为充冷机组能效比，W/W；mC为运输果蔬质量，kg；S为保鲜运输总里程，km。

联立（17）、（18）式即为蓄冷板冷藏保鲜运输单位质量果蔬运输100 km能耗计算模型。根据该模型，可以确定每次果蔬保鲜运输所需要的能耗，避免不足“充冷”造成果蔬保鲜品质下降，避免过度“充冷”造成能源消耗浪费。此外，还可以根据模型确定每次运输适宜的蓄冷板个数，增加载货质量。

1.4液氮冷藏保鲜运输能耗计算模型

液氮冷藏车利用液氮相变吸热和氮气升温吸热的原理进行降温，降温过程环保无污染，并且降温速度快且均匀。液氮冷藏保鲜运输所消耗的能耗为液氮生产能耗和车辆行驶能耗。由于液氮生产能耗受液氮生产工艺、工作效率等因素的影响而难以控制，从运输企业生产角度出发，本研究将液氮生产能耗以购买液氮费用转换为燃油消耗量的方式加以标准化。液氮冷藏保鲜运输能耗建模过程与泡沫箱加冰保鲜运输能耗模建模过程相似，具体为：

式中：FN为液氮冷藏保鲜运输100 km总燃油消耗量，L/100 km；FV为液氮冷藏保鲜运输车辆行驶100 km耗油量，L/100 km；WN为液氮冷藏保鲜运输单位质量果蔬运输 100 km 能耗，kJ/（kg·100 km）；YN为购买液氮费用，元；X为燃油单价，元/L；be为运输车辆燃油消耗率，g/（kW·h）；ρ为燃料密度，g/cm3；mC为运输果蔬质量，kg。

联立式（19）、（20）即为液氮冷藏保鲜运输单位质量果蔬运输100 km能耗计算模型。由该模型可以看出，在运输车辆100 km燃油消耗量和燃油单价一定的情况下，液氮消耗量越小则运输能耗越小。但是，液氮消耗量过小会导致制冷量不足，从而导致果蔬保鲜效果下降。因此，根据运输果蔬品种、运输距离选择满足运输保鲜要求的最小液氮消耗量，是液氮冷藏保鲜运输中保证果蔬品质和降低运输能耗的关键。采用热平衡法对冷藏车厢进行热工性能分析，建立液氮消耗量模型。建模过程如下：

式中：QE、QW分别为液氮汽化吸热量、氮气升温吸热量，kJ；CP1为液氮气化潜热，kJ/kg；CP2为氮气比热容，kJ/（kg·K）；mN为液氮质量，kg；tn、tN分别为冷藏厢体内部环境温度、氮气初始温度，K。

联立式（8）～（13）和式（21）～（23）即为液氮冷藏保鲜运输液氮消耗量计算模型。

2结论

本研究结合果蔬公路保鲜运输生产的实际情况，将泡沫箱加冰保鲜运输加冰量、机械冷藏保鲜运输燃油消耗量、蓄冷板冷藏保鲜运输耗电量以及液氮冷藏保鲜运输的液氮消耗量统一量化为能量单位，分别对4种果蔬公路保鲜运输方式建立了以单位质量果蔬运输100 km能耗[kJ/（kg·100 km）]为评价指标的能耗计算模型，为不同果蔬公路保鲜运输方式的能耗计算、运输节能控制和保鲜运输方式选择提供理论支持。同时，建立了泡沫箱加冰保鲜运输加冰量计算模型和液氮冷藏运输液氮消耗量计算模型，为优化加冰量和液氮量提供理论支持。总之，通过建立能耗计算模型，以期为果蔬公路保鲜运输节能和果蔬公路保鲜运输管理提供参考。

参考文献：

[1]中国物流与采购联合会冷链物流专业委员会，全国物流标准化委员会冷链物流分技术委员会，中国物流技术协会.中国交通运输统计年鉴：2010[M]. 北京：中国物资出版社，2010：14-15.

[2]中华人民共和国发展与改革委员会.农产品冷链物流发展规划[Z]. 2010-06-18.

[3]曹连元，赵福磊，陈昊. 公路运输车辆节能减排技术综述[J]. 综合运输，2012（7）：66-69.

[4]杨松夏，陆华忠，吕恩利，等. 探析我国果蔬冷链物流发展对策[C]. 重庆：中国农业工程学会年会论文集，2011.

[5]周家华，常虹，赵毅，等. 中国果蔬冷链物流的发展现状及建议[J]. 食品工业科技，2012，33（6）：8-10.

[6]Vigneault C，Thompson J，Wu S，et al.Transportation of fresh horticultural produce[J]. Postharvest Technologies for Horticultural Crops，2009，2（1）：1-24.

[7]张玉文，田怀璋，袁秀玲. 冷藏运输汽车采用液氮喷淋技术的实验研究[J]. 深冷技术，2001（3）：6-8.

[8]陈洪国，彭永宏. 常温泡沫箱加冰运输条件下荔枝的温度、品质、呼吸和乙烯释放变化[J]. 果树学报，2001，18（3）：155-159.

[9]应铁进，席玙芳，陈萃仁，等. 杨梅鲜果的公路远程保温运输技术[J]. 食品科学，1997，18（8）：52-55.

[10]中国冷链物流联盟.中国冷链年鉴2009[M]. 北京： 航空工业出版社，2010.

[11]许伦辉，汤云峰. 智能运输系统对降低物流运輸能耗的有效性分析[J]. 交通科学与工程，2009，25（1）：82-86.

[12]Fitzgerald W B，Howitt O J A，Smith I J.Energy use of integral refrigerated containers in maritime transportation[J]. Energy Policy，2011，39（4）：1885-1896.

[13]Mundler P，Rumpus L.The energy efficiency of local food systems： a

comparison between different modes of distribution[J]. Food Policy，2012，37（6）：609-615.

[14]刘广海，谢如鹤. 冷藏车热性能及能耗分析模型的建立与实验研究[J]. 制冷学报，2008，29（3）：47-53.

[15]刘广海，谢如鹤. 冷藏车热状况的模拟分析与实验研究[J]. 武汉理工大学学报（交通科学与工程版），2009，33（4）：691-694.

[16]Jolly P G，Tso C P，Wong Y W，et al.Simulation and measurement on the full-load performance of a refrigeration system in a shipping container[J]. International Journal of Refrigeration，2000，23（2）：112-126.

[17]肖莹，刘德军. 农产品冷藏保温运输技术与装备研究[J]. 农机化研究，2011，33（1）：57-60.

[18]Tassou S A，de Lille G，Ge Y T.Food transport refrigeration-approaches to reduce energy consumption and environmental impacts of road transport[J]. Applied Thermal Engineering，2009，29（8）：1467-1477.