多温区冷藏车的研究进展

刘昌通，董庆鑫，盖若男

（哈尔滨商业大学 能源与建筑工程学院，哈尔滨，150028）

随着全面小康社会的建成，国民生活水平显著提高，人们也对食品的质量提出了更高要求。冷链物流作为保证食品质量和食品安全的重要手段［1］，如何提高运输效率等问题日益受到业内人士的关注。而随着5G时代的到来，物联网的飞速发展也使得众多电商企业开始涉足生鲜产品交易，进而刺激了冷链运输的发展［2］。这使得各类冷链运输装备迅速增长，公路冷藏车需求量逐年增加，冷链运输的发展对于促进居民收入，保障消费者食品安全，提高城乡居民生活水平具有重要意义［3］。作为冷链运输的重要搭载工具，冷藏车的改进在提高冷链运输效率，促进冷链经济发展方面至关重要。

适宜的厢内温度是保证冷藏食品维持良好品质的基础，而在运输多品种小批量货物时，因不同食品最佳贮运温度区间窄，故采用单温区冷藏车进行冷链运输时无法保证产品质量，进而造成资源的浪费，导致冷链运输成本增加［4-5］，相较于单温区冷藏车，多温区冷藏车因具有两个以上不同温区，能够满足货物多温共配的需求，进而提高冷链运输效率，节约资源。目前国内冷藏车年产量在三万辆左右，大部分均为单温区结构，所有相关标准中仅有W B/T 1060及SB/T 11092提及带多温制冷功能的冷藏车［6］，而国外多温区冷藏车辆有着充分的法规作指引，保证了多温区冷藏车的技术和质量，由此可见，国内多温区冷藏车的发展还有很大空间。

现有的冷藏车主要有三种，机械式、蓄冷式和液化气式。其中，90 %以上的冷藏车是使用柴油机带动制冷机组从而达到降温目的的机械式冷藏车，这种系统价格高、噪声大、能量转化效率低［7］。蓄冷式冷藏车主要是PCM板式冷藏车，PCM即相变蓄冷材料，通过车载蓄冷板提供冷能。液化气式LNG冷藏车，LNG即液化天然气，利用液化天然气气化时吸收热量，使冷间降温。LNG冷藏车和PCM板式冷藏车均有运行成本低、噪声低、节约能源等优点，但由于蓄冷能力有限，目前多用于短途运输［8］。因此，对于多温区冷藏车的改进，既要考虑节能、节约成本，还要满足长途、长时间运输的要求［9］。

1 冷藏车原理分类

1.1 机械式冷藏车原理

传统机械式冷藏车应用最为广泛，制冷机组包含压缩机、冷凝器、蒸发器和节流阀，制冷剂主要有氟利昂12、氟利昂22和R410a等，大多采用柴油机提供动力带动压缩机工作，通过向个各冷间输送冷风达到降温目的，冷间内有温度传感器，温控系统通过调节风量大小来调节冷间内温度［10］。车厢保温材料大多采用聚氨酯隔热层，聚氨酯价格低廉、可塑性好、保温效果好，广泛应用于冷库及冷藏运输设备中。如图为一种可移动隔板式双温区机械冷藏车车厢结构，该冷藏车可以根据需要调节隔板控制冻结间和冷藏间大小，合理利用空间资源。

图1 双温区机械冷藏车车厢结构图

相比于其他冷藏车，多温区机械冷藏车因其车身自带制冷机组，可进行长时间，远距离的运输，具有结构简单，故障少等优点。但其自带的制冷机组也会导致的车身重、不灵活，能源利用率低等缺点。

1.2 LNG冷藏车原理

随着石油价格上涨和全国用电量猛增，回收利用LNG冷能逐渐被人们开发。2020年，我国天然气生产能力超过2400亿立方米。我国正在向世界提倡节能减排，LNG能源作为一种清洁能源，在我国能源领域有非常好的发展趋势［11］，研究发现，LNG冷能可用于发电、空份、脱盐等领域并显著提高系统工作效率［12］，液态天然气制冷能够减少传统制冷剂对大气和海洋生态系统的影响［13］。故可采用LNG为冷藏车供冷。

LNG冷藏车与液氮、干冰冷藏车类似，是一种风冷冷藏车。LNG气化温度升高至燃烧温度的过程中，会吸收大量热，为冷藏车提供冷源［14］，同时以天然气为燃料提供动力。在车身没有压缩机、冷凝器等设备，降低了成本。

LNG存储密度为420 kg·m-3，为标准状态下的1/625，通常将天然气加压降温至111 K变成液态天然气(LNG)以方便运输［15］。LNG储液罐安装在车辆底部，以降低车辆重心、节省空间。如图2所示［16］，是一种LNG冷藏车结构图。LNG在从储液罐通过流量控制阀进入换热器，流经换热器内部热管气化为低温天然气，利用热管与车厢内的空气进行热交换，使冷间降温，加热器将换热器中流出的低温天然气加热至送气温度后，送入发动机中燃烧。

图2 LNG冷藏车结构图

LNG冷藏车因其使用天然气提供动力同时作为冷藏车冷源，故具有绿色环保、噪音小，运行成本低的优点；车身重量轻，重心低，行驶安全；车辆整体结构简单，方便维护维修。但天然气易燃易爆，且冷藏车燃气储存量有限不能实现长途运输。

1.3 PCM冷藏车原理

早在几千年前人们就利用储存冰块蓄冷，近些年来相变蓄冷技术更趋于成熟，并在蓄冷空调、冷链运输等行业被广泛应用［17］。蓄冷板式多温区冷藏车主要由制冷机组、蓄冷板、温度控制系统和车体等组成，有些车辆不包含制冷机组，通过冷站充冷。蓄冷板内的相变材料在充冷时由液态变成固态，储存冷量；放冷时，相变材料吸收热量，由固态变成液态，达到给冷间降温的目的。由于昼夜电价差，蓄冷板在夜间电价低时充冷，在用电高峰时释冷，“削峰填谷”，大幅度降低成本，节省用电费用［18］，缓解电网高峰时段压力。图3所示［19］，是一种带冷站的双温区PCM冷藏车结构图。图4所示［20］，是一种PCM板剖面图，蓄冷板内是蒸发盘管和相变蓄冷剂，载冷剂在蒸发盘管中流动为蓄冷板充冷。

图3 带冷站双温区PCM冷藏车结构图

图4 PCM板剖面图

多温区PCM冷藏车具有运输温度稳定，保存温度低，节能环保，运输成本低等优点，但由于其自带制冷机组，会导致车辆笨重，车内冷藏空间较小，且蓄冷板寿命短，需要定时更换等缺点。

2 多温区冷藏车的研究与应用

2.1 机械式多温区冷藏车的研究与应用

生鲜果蔬冷链物流是近几年国家重点扶持的领域，随着人民生活水平提高，对果蔬口感和食品安全等质量要求也显著提高。我国是生鲜果蔬生产和消耗大国，果蔬产量占全世界一半以 上［21］，以山东省为例，2018年蔬菜产量达8192万吨;水果产量2788.8万吨［22］。此外，果蔬是生活中的必需品，含有维持人体健康的多种微量元素，对人们的健康非常重要，而腐坏的果蔬产生的微生物则会严重威胁人们安全［23］，故发展果蔬冷链运输迫在眉睫。目前，果蔬运输领域大多使用机械冷藏车。但由于贮藏温度对不同果蔬水分含量、呼吸作用和营养成分变化影响不同［24］，这就导致果蔬运输具有复杂性，新鲜果蔬在运输过程中经常会出现大量腐坏变质的现象，从而造成资源浪费。由此可见，研究多温区冷藏车辆对生鲜果蔬运输保鲜效果具有重要意义。

机械冷藏车也同样被广泛应用于肉类食品运输，肉类是人们食谱的重要组成部分，肉类安全与国民生活息息相关，近几年肉类产量持续上升、肉价持续增高，保证肉类冷链安全既是食品安全的要求，也是维护肉类行业经济效益的重要手段。

水产品是重要的农产品之一，含有丰富的蛋白质和维生素。我国沿海地区水产品产量丰富，带来巨大经济效益，但由于我国水产品冷链物流技术发展缓慢［25］，进而导致水产品在运输过程中浪费严重。水产品主要分成三大类，鲜活水产品、冷冻水产品和腌制水产品［26］，其中鲜活水产品和冷冻水产品需要冷藏运输以保证食品质量，一般在对这两大类水产品进行冷藏运输时多会采用机械式多温区冷藏车。

乳制品运输过程中其色泽、口味和脂肪分离程度等与环境温度息息相关［27］，特别是需要低温贮藏的酸奶和巴氏奶在常温下极其容易变质。故机械冷藏车在乳制品冷链运输中具有较好的应用前景。

商超货物配送、生鲜快递配送，需要同时运输不同种类货物，多温区机械冷藏车相比单温区更加方便、节省运输费用和运输时间,而且续航能力强，更适用于远距离、长时间配送过程。

基于机械冷藏车使用燃油提供动力，易造成污染和能源浪费，多名专家学者为此做出了研究，张凯鹏等人［28］为了减少冷藏车市场对化石能源的依赖，提出了纯电动机械冷藏车，现已经投入使用，并培养了一大批新能源技术人才，为将来推行新能源冷藏车产业打下坚实基础。Chen Liping等人［29］提出了混合动力汽车制冷系统，该系统包括动力系统、吸收式制冷循环和压缩式中了个循环组成，利用燃气机余热驱动制冷系统，降低电池驱动压缩机的功耗，与纯电动冷藏车相比，节能效率提高了37.1 %。针对机械冷藏车漏冷现象，景传峰等人［30］通过对冷藏车车厢进行气密性试验，发现采用新工艺和新技术改良冷藏车门、车厢和排水结构，减少漏气点，可以提高冷间气密性，提高冷藏运输效率。

2.2 多温区LNG冷藏车的研究与应用

多温区LNG冷藏车的实际应用还处于实验阶段，对于多温区LNG冷藏车的可行性，尹鑫林等人［31］通过计算不同容积车厢、不同载货量和不同行驶速度所需冷量以及打冷量，得出在正常行驶条件下，制冷能力满足货物所需的冷量。针对LNG储蓄罐的损坏会造成灾难性后果，Liu X等人［32］通过分析爆炸实验和储蓄罐压力对事故概率影响，提出了抑制事故的有效策略，对处理液态天然气紧急事故有重要意义，也为提高多温区LNG冷藏车的安全系数提供了方法。He Tianbao等人［33］提出一种新型LNG冷能梯度利用系统（CES-ORC-DC-LNG），采用不同方法回收不同温度范围内的LNG冷能，将低温储能（CES）、有机朗肯循环（ORC）、直接冷却（DC）相结合，对于提高冷藏车能量利用率非常有效，为多温区LNG冷藏车研发奠定了基础。

2.3 多温区PCM冷藏车的研究与应用

应用于冷链运输中的相变蓄冷技术具有节能环保、降低电网负担的优点，故蓄冷式多温区冷藏车已经成为冷链运输领域的研究热点。

蓄冷板式双温区冷藏车在冷冻肉和新鲜肉的冷藏运输中应用较为广泛，由于其冷间温度稳定波动小，在肉类运输中表现良好。肉类储存过程中，温度越低，解冻损失越小，且温度波动越大，肌肉纤维结构破坏越严重［34］，由此可见温度稳定性对于肉类品质至关重要。生鲜市场和超市对冻肉和新鲜肉两种肉类质量有较高要求以满足广大消费者［35］，应用PCM多温区冷藏车能够实现多温共配，保证肉类产品质量，对于提高市场效率有重要意义。

多温区蓄冷板冷藏车可用于水产品运输，水产品蛋白质含量丰富，营养价值高，但易腐败，肉质脆弱，低温可以有效降低水产品中酶的活性，抑制微生物繁殖［36］，从而延长保鲜期。对温度的精准控制是影响水产品冷链运输质量的重要因素，传统机械冷藏车由于压缩机启停必然导致温度波动，从而引起货物冻融，冰晶重结晶对细胞进一步损伤［37］，蛋白质变性，营养价值下降［38］，最终失去其商品价值。多温区蓄冷板冷藏车温度稳定，克服温度波动对水产品品质影响从而提高运输效率，同时满足鲜活水产品和冷冻水产品运输，实现多温共配。

多温区PCM冷藏车由于储存温度稳定，在生鲜果蔬运输中应用效果很好。Zhang Shihua等人［39］设计了一种结合真空保鲜技术的多温区冷藏车，蓄冷板供冷，采用数值模拟的方法对空载和满载温度分布进行模拟，其研究结果为果蔬冷链物流提供了技术支持和研究方向，提高了果蔬物流的经济性。

冷藏车车身围护结构大多采用聚氨酯，然而近几年出现一种新型材料气凝胶，它是一种多孔固体保温材料，具有空隙率高保温效果好、耐高温等优点［40］，可用于冷藏车围护结构中。Li Chengdong等人［41］设计出性能优良的复合气凝胶，相比聚氨酯，有更轻、导热性更低、方便加工的优点，有广阔的发展前景。

蓄冷板的安装方式对制冷效率有很大影响，其安装方式可分为前置、顶置和侧置，杨凤等人［42］计算分析了蓄冷板不同安装方式对融霜的影响，得出顶置蓄冷板能减少融霜热对冷间温度场的影响。对于蓄冷板性能和使用寿命等问题，邱庆玲［43］对纳米二氧化钛复合相变材料进行研究，发现纳米粒子二氧化钛改良的相变材料比未改性的相变材料有更好的热稳定性，导热系数提高了16.47 %，以及更高的机械稳定性；Harish Sivasankaran等人［44］对比碳纳米相变复合材料和普通相变材料固、液相导热性能，发现夹杂碳纳米材料能有效提高相变材料的导热性能；刘栋等人［45］通过分析芒硝和六水氯化钙两种贮能体系，发现海泡石能有效阻止相变体系固液分层，抑制结晶长大，在延长相变材料寿命方面有重要作用。对于多温区PCM冷藏车冷间温度分布不均匀，冷冻间受冷藏间影响，温度波动大的问题，Xu Xiaofeng等人［46］模拟研究了不同环境温度对冷藏车温度场和相变材料融化过程的影响，结果表明环境温度越高，潜热释放越快，温度场越不均匀，可通过强制对流方式使冷间温度更均匀。

3 结语

机械式多温区冷藏车、多温区LNG冷藏车和PCM多温区冷藏车在食品的冷藏运输领域均各具有一定优势，均能在运输过程中有效保证食品质量，其中机械式应用相对广泛，PCM板式应用较少，LNG式还停留在实验研究阶段。但各自还有一些不足之处，可以从以下几方面进行研究。

（1）机械式多温区冷藏车使用燃油提供动力，能量转化效率低，浪费资源，加重污染。可从优化制冷剂方面进行研究，提高制冷机组效率；研究保温效果更好的保温材料，减少冷量的浪费。

（2）LNG多温区冷藏车使用的天然气具有一定危险性，且其制冷效率较低，还没有应用于实际。可从提高制冷系统安全系数和制冷系统优化方面进行研究。

（3）多温区PCM冷藏车使用的蓄冷板寿命有限，冷藏车冷间预冷时间长，运输效率较低。可通过研发新型相变材料，延长蓄冷板寿命。

网络飞速发展，充分利用利用5G网络优势，从线上入手，实时监控运输过程中货物温度并通过远程操控调整运输温度提高运输效率。