互联网+共享保温存储系统的研究

杜蕊　王小建　李丽晶

随着人们对生鲜物流的要求越来越高，冷鏈物流的最后100米问题成为生鲜产品销售的重要环节。目前大部分物流企业没有采取特殊保鲜措施，仅靠销售商使用“保温箱+制冷剂”的包装为生鲜品保鲜。目前顺丰速运会对保鲜要求高的产品，采用外加泡沫保温箱的办法进行二次保温。但是，外加的泡沫箱也只能做到保温而无法降温。同时，上班族便当的保鲜和加热也成了各个公司提高员工幸福指数必须要解决的问题，外卖业迅猛发展也使保温存储产生了很大的市场空间。针对这些问题，我们经过了两个阶段的系列研究，最终提出了“真空绝热板+半导体制冷片”为核心的恒温存储节能系统。

一、制冷、加热方法和保温材料的研究

制冷方法的选择上，本项目研究的第一阶段主要对国内外当前主流的制冷剂进行调研和对比。当前，国内不少的制冷设备还在使用典型HCFCs制冷剂R22（二氟一氯甲烷），此制冷剂虽对生物无毒无害，但对臭氧层有很大危害，已经被《蒙特利尔议定书》国际公约列为需加速淘汰的制冷剂之一。因此，选用了对环境相对友好的HFCs制冷剂（R161），此制冷剂可以满足环保要求，而且R161制冷剂在小型制冷装置中的循环性能更具优势；本项目研究的第二阶段研究团队发现了一种可以迅速制冷并且能够回收利用制冷副产品（热能）的器件——半导体制冷片，能量基本零损失，超出项目预期的节能效果，可以更好地为环境保护做出贡献。

加热方法的选择上，本项目第一阶段使用石墨烯加热技术，此技术节能环保、加热效率高、成本低、安全可靠、稳定性强。石墨烯是一种由碳原子构成的二维晶体，它作为一种新材料，具有出色的导电性、热导性和力学性能，这几年在市场上比较热销，是迄今为止热导率最高的碳材料。石墨烯具有出色的导电性能、热导性能和力学性能。石墨烯的本质是涂层，需要搭配金属加热器和铝片散热器一起使用，目的是增强发热体的散热效果，使发热体的发热速度更快，石墨烯电热膜具有制热速度快、导热均匀、寿命长等优点。因石墨烯电热膜工作时需要通电，恒温系统提出一种安全性能高的石墨烯电热膜智能温控电路。简单来说，石墨烯节能的主要原因有二，其一石墨烯具有高电热转化率，石墨烯电热膜可以将电能的99%以上转化为热量，普通加热产品只能将电能的70%左右转化为热量；其二是石墨烯电热膜加热速度快，可以在极短的时间内迅速达到预设温度，减少加热过程中散热的能量损失。第二阶段发现了半导体制冷片，这一器件的发现可以一次性解决制冷和制热的问题，是本系统理想的解决方案，经过对比，最终确定选用此方案进行系统设计。

保温材料的选择上，本项目所用的保温材料为真空绝热板。真空绝热板可以有效避免空气对流引起的热传递，使导热系数大幅度降低。其主要由芯材、阻隔膜和吸气剂构成，通过提高板内真空度和内充芯层绝热材料，达到减少对流和辐射换热的效果。真空绝热板具有高效保温、尺寸稳定、绿色环保等特点，主要用于工业领域（例如：冰箱、远洋运输冷藏箱等）和建筑领域（例如：欧洲高能效建筑、既有建筑节能改造项目等）。采用真空绝热板隔热，除了经济意义外，还能有效减轻保温箱重量、增加保温腔空间，更易实现质轻、壁薄的效果，具有较大的技术经济意义。

二、节能方式的研究

本项目根据国家发改委2019年6月印发的《绿色高效制冷行动方案》，提出对标制冷产品能效一级能效指标水平，达到国际领先。项目研究的第二阶段运用能量回收利用理念，将半导体制冷片制冷后产生的热量用于加热，同时实现高低温的保温；加之新型保温材料的使用和保温箱结构的设计，最大限度减少能量损失，达到节能的目的。

根据机械式冷冻箱区隔的机制，提出“机械式冷冻箱区隔多温共配模型”；根据蓄冷保温箱的特性，提出“蓄冷式蓄热式多温共配模型”。综合考虑多温共配中产品的腐败成本、时间窗的惩罚成本、配送车辆固定成本、能耗成本、路线成本等，构建多温共配的多目标函数；将仿真与优化环节有机融合，对相关参数进行定义，优化两种多温共配模型的最优解。通过算例验证机械式冷冻箱区隔多温共配和蓄冷式蓄热式多温共配的改善程度，优化多温共配，将两种组织形式进行成本对比分析。实例结果表明，相对于机械式冷冻区隔多温共配，蓄冷式蓄热式多温共配模式在保温、节能等方面有较明显的效益优势。

三、系统方案的设计

互联网+共享保温存储系统由半导体制冷片、保温箱箱体、温控系统、显示系统、远程控制系统组成。其中箱体划分冷、热2个区域：蓄冷区和蓄热区，保温的温度可以通过面板和app远程控制。半导体制冷片，是一种新型节能制冷设备，它的优点是结构紧凑、能耗低、不使用制冷剂、没有滑动部件，应用在一些空间受到限制、可靠性要求高的场合，其无制冷剂污染是理想的环保制冷方法。利用半导体材料的Peltier效应，当直流电通过两种不同半导体材料串联成的电偶时，在电偶的两端即可分别吸收热量和放出热量，可以实现制冷的目的，是一种产生负热阻的制冷技术，其特点是无运动部件，可靠性较高。从而令保温箱具备快递柜、恒温代保管，实现冷冻存储、冷藏存储、自制售卖散装食用冰块等功能。将半导体制冷片制冷产生的热能收集应用于另一个隔区的制热，实现保温和节能效果，同时制热区域实现保温箱功能，使该系统具备适用于快递柜、恒温代保管，保温存储等功能。

最后通过设计软件app，进行实地操作和远程监控，适应用户使用习惯的变化，满足其使用需求，充分发挥自主研发技术优势进行个性定制。

四、系统特点总结

1.节能环保。本项目采用优质保温材料，具有良好的保温性能，利用半导体制冷片同时进行蓄冷蓄热，即制冷的同时收集其产生的热能进行利用。能够大幅减少能源浪费，电能利用率最高可达近100%。同时，电子制冷片不需要制冷剂，使该恒温系统具有良好的环保性，不会对环境造成污染。

2.高效便捷。采用半导体制冷片智能温控设计，实现通过预设温度和箱内温度比较，自动启动半导体制冷片进行蓄冷蓄热。该系统还具有快速加热、快速制冷，重量小、移动灵活，远程操作监控方便等特点，能够满足更多用户的需求。

3.安全可靠。本项目采用优质材料和先进技术，具有较高的安全性和可靠性。同时该系统还具有过热保护、过流保护等功能，能够确保设备的安全运行。

4.灵活多样。本系统可以根据不同用户的需求进行定制，满足用户的个性化需求。同时，该系统还具有多种控制方式，如远程监控温度、手机APP操作等，方便用户操作和管理。

5.易于维护。模块化设计可自行更换半导体制冷片和电源，方便进行维护和保养。设备出现故障，恒温箱自动关机保护，并向手机端发送报警提示信息，保护设备的同时提高了维护效率，降低了维护成本。

【参考文献】

1.莫坤贤，户外便携式太阳能半导体制冷小冰箱设计，节能，2022，41（10）；

2.张雨浩 李权 何仁旺 刘天健 陈佳辉 一种循环水冷式半导体制冷箱的设计与实现 科技风. 2022（29）；

3.颜庆伟.基于二维填料微结构/界面调控的高导热复合材料制备及其热管理性能研究[D].湖南大学，2021.

4.虞茹芳 洪兴华 祝成炎 金子敏 万军民 还原氧化石墨烯涂层织物的电加热性能 纺织学报. 2021，42（10）；

5.史琳 安青松 戴晓业 闫若雪 论我国受控制冷剂销毁的紧迫性及潜在新技术开发的重要性 制冷与空调. 2021，21（07）

6.刘玉峰 飞机配餐小型冷库保鲜技术与节能方式 冷藏技术. 2022，45（03）；

7.张敏 景传峰 高建华 金晓平 舒麟 铁路机械冷藏车运输果蔬的理论与实践 冷藏技术. 2022，45（01）。

基金项目：2022 年度河北省高等学校科学技术研究自筹经费项目“互联网十共享保温存储系统的研究”（项目编号：ZC2022062）。