謝如鶴，黃榮斌，謝旅程

（廣州大學(xué) 冷鏈物流及標(biāo)準(zhǔn)化研究所，廣東 廣州 510006）

0 引言

隨著我國居民消費(fèi)水平的提高，對(duì)冷鏈物品配送種類多樣化、小批量、高頻率的需求越來越高；特別是在抗擊新冠疫情過程中，生鮮食品的網(wǎng)購和無接觸購物對(duì)冷鏈配送提出了更高的要求。作為冷鏈配送的重要載體——蓄冷箱的應(yīng)用將得到進(jìn)一步的重視。

本文所指蓄冷箱一般由保溫箱體、蓄冷板組成，主要應(yīng)用于城市冷鏈配送。蓄冷箱具有低成本和環(huán)境友好（無噪音、低能耗）的優(yōu)勢，已成為研究和應(yīng)用的熱點(diǎn)領(lǐng)域。進(jìn)一步提高其應(yīng)用的經(jīng)濟(jì)性、增強(qiáng)靈活性及保證配送貨物的質(zhì)量，對(duì)有效改善冷鏈運(yùn)輸配送效率、降低配送成本和滿足人們生活需要具有重要意義。

1 蓄冷箱箱體的設(shè)計(jì)

1.1 蓄冷箱的保溫材料

常用的保溫材料有發(fā)泡聚氨酯（EPU）、發(fā)泡聚丙烯（EPP）、發(fā)泡聚苯乙烯（EPS）、真空隔熱板（VIP）等，其導(dǎo)熱系數(shù)見表1。傳統(tǒng)的蓄冷箱保溫材料降解性差，對(duì)環(huán)境不友好。真空絕熱板雖具有良好的保溫性能，但是成型后如果被刺穿或折彎，會(huì)使得因材料自然吸氣導(dǎo)致的“性能”降低，同時(shí)在應(yīng)用中材料容易老化也會(huì)導(dǎo)致性能降低，所以應(yīng)用范圍有限。有學(xué)者對(duì)真空絕熱板的性能進(jìn)行了優(yōu)化研究，如王保文[1]采用干法成型技術(shù)將木纖維制成真空絕熱板的芯材，該材料隔熱性能更佳，耐久性也更好，使用壽命更長。

表1 保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù)

李杰瑞，等[2]對(duì)不同保溫箱體材質(zhì)的保溫效果進(jìn)行的研究表明，在蓄冷箱中應(yīng)用真空絕熱板及其填充隔熱芯等技術(shù)，相比普通的發(fā)泡聚丙烯（EPP）保溫箱，保溫時(shí)間可有效延長13.31%。也有學(xué)者提出了保溫材料的復(fù)合結(jié)構(gòu)，即將兩種保溫材料結(jié)合起來使用，如王達(dá)，等[3]提出采用真空絕熱板和聚氨酯復(fù)合結(jié)構(gòu)（VIP+PU）的蓄冷保溫箱（如圖1所示），并以桃子為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，對(duì)VIP+PU、PU、EPS 3種不同保溫材料的蓄冷保溫箱在冷藏運(yùn)輸期間的品質(zhì)變化進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)不同保溫材料的保溫效果不同。EPS蓄冷保溫箱內(nèi)桃子保鮮效果最差，只適合短途運(yùn)輸，PU蓄冷保溫箱其次，適合中短途運(yùn)輸,VIP+PU蓄冷保溫箱最好，適合長途運(yùn)輸，且VIP+PU的復(fù)合結(jié)構(gòu)可以減少空間占用、降低保溫箱的質(zhì)量，而且還可以重復(fù)進(jìn)行使用，這種結(jié)構(gòu)的保溫箱推廣價(jià)值很大，這為蓄冷箱保溫材料的進(jìn)一步研究提供了一定方向。

圖1 VIP+PU復(fù)合蓄冷保溫箱結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)的蓄冷箱保溫材料和真空絕熱板都有優(yōu)缺點(diǎn)，可以考慮把它們結(jié)合起來形成復(fù)合結(jié)構(gòu)，但這種復(fù)合結(jié)構(gòu)也難免會(huì)存在上述問題，還有待在實(shí)際應(yīng)用中進(jìn)一步優(yōu)化和考證，同時(shí)，仍需要積極探索新的輕質(zhì)化的高性能保溫材料。

1.2 蓄冷箱的規(guī)格

在設(shè)計(jì)蓄冷箱之前，需要確定蓄冷箱的規(guī)格大小，再進(jìn)一步確定蓄冷箱的結(jié)構(gòu)。對(duì)于大型的蓄冷箱，譚嘉欣，等[5]依據(jù)使用比例最高的貨車車型，通過建模優(yōu)化表明，將蓄冷箱尺寸定為2.120m×1.277m×2.023m（內(nèi)部容積約4m3），使用9.3m（9.3m×2.2m×2.3m）的車型一次最多能放7個(gè)蓄冷箱，其貨車的空間可得到較好的利用。此外，王建軍，等[6]以三溫區(qū)冷鏈運(yùn)輸裝備為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)了外部尺寸為1.56×0.86×0.76m、內(nèi)部尺寸為1.45×0.75×0.65m，儲(chǔ)存容積為680L的保溫箱，這種可歸類為中型蓄冷箱。

對(duì)于小型的蓄冷箱，楊國梁，等[7]設(shè)計(jì)的相變蓄冷式雙溫區(qū)城市宅配保溫箱的容積為34L，箱體外尺寸為51×31×31cm，內(nèi)尺寸為47×27×27cm。為了考察蓄冷箱的規(guī)格對(duì)保溫能力的影響，余永濤，等[8]研究了不同結(jié)構(gòu)尺寸蓄冷箱的保溫性能，研究發(fā)現(xiàn)通過適當(dāng)控制蓄冷箱的長寬比可以使其內(nèi)外表面積的幾何平均值減小，從而能夠減少傳熱面積進(jìn)而提高蓄冷箱的保溫能力。

在蓄冷箱的設(shè)計(jì)上，大部分的研究與應(yīng)用是針對(duì)某一溫度范圍的單溫區(qū)而設(shè)計(jì)的，對(duì)于多溫蓄冷箱的研究比較欠缺；而目前關(guān)于蓄冷箱的規(guī)格尺寸，特別是對(duì)于多溫蓄冷箱的內(nèi)部空間設(shè)計(jì)缺乏具體的研究。

一般而言，根據(jù)不同的冷鏈物品的配送要求，蓄冷箱的溫區(qū)及規(guī)格尺寸需要靈活配置，調(diào)整到相應(yīng)的溫度、容量等。由于每一位顧客（需求點(diǎn)）的需求具有分散性、多樣性、隨機(jī)性等特點(diǎn)，對(duì)蓄冷空間提出了因物制宜的要求，既能使空間需求大的物品可以通過調(diào)節(jié)得到滿足，同時(shí)滿足其它溫度物品的儲(chǔ)存空間需求（蓄冷空間通常有-18℃的冷凍區(qū)，0～10℃的冷藏區(qū)和10～16℃的冷藏區(qū)），即多溫空間應(yīng)該具有柔性設(shè)計(jì)，其隔板可調(diào)、并有一定的伸縮性。同時(shí)，蓄冷箱的規(guī)格應(yīng)結(jié)合裝卸運(yùn)輸?shù)男始芭c托盤的模數(shù)配合關(guān)系等實(shí)際應(yīng)用場景來確定，以實(shí)現(xiàn)效率和效益最大化。

2 蓄冷板的擺放

在冷鏈運(yùn)輸與配送過程中，特別是對(duì)于較長時(shí)間的運(yùn)輸過程和對(duì)溫度敏感的貨物，運(yùn)輸單元內(nèi)的溫度場對(duì)于貨物的品質(zhì)有較大的影響。為了保證運(yùn)輸過程中的貨物品質(zhì)，運(yùn)輸單元內(nèi)既要保持適宜的低溫環(huán)境，同時(shí)要保證內(nèi)部溫度場的均勻性。對(duì)于通常不具備強(qiáng)制通風(fēng)循環(huán)裝置的蓄冷式保溫箱，而不同的擺放位置又會(huì)產(chǎn)生不一樣的效果，其蓄冷板的擺放方式就顯得尤為重要。

徐笑鋒，等[9]針對(duì)果蔬的保溫運(yùn)輸（2～8℃），研究了蓄冷保溫箱內(nèi)不同蓄冷板的擺放方式對(duì)保溫效果的影響，研究結(jié)果表明，蓄冷板側(cè)面擺放方式與頂部加側(cè)面方式相比，前者保冷時(shí)間會(huì)更長，而后者溫度場分布更為均勻。范中陽，等[10]研究了頂部擺放和四周擺放兩種擺放方式對(duì)箱內(nèi)環(huán)境溫度和奶白菜中心溫度的影響，以及宅配時(shí)奶白菜的品質(zhì)變化，發(fā)現(xiàn)蓄冷板四周擺放相比頂部擺放對(duì)溫度控制和奶白菜品質(zhì)控制效果更好。

目前蓄冷保溫箱內(nèi)蓄冷板的擺放方式還沒有統(tǒng)一的規(guī)范，導(dǎo)致存在蓄冷板隨意擺放的情況，隨之也會(huì)導(dǎo)致保溫箱內(nèi)的溫度不均勻，使得食品、藥品等的運(yùn)輸溫度不符合其相關(guān)要求[11]。

翟紀(jì)強(qiáng)，等[12]以發(fā)泡聚丙烯多溫區(qū)保溫箱為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，研究了同樣質(zhì)量的蓄冷材料側(cè)面擺放、雙面擺放、邊緣擺放和頂?shù)讛[放4種擺放方式的保溫時(shí)間長短（如圖2所示），結(jié)果表明，蓄冷板側(cè)面擺放結(jié)合頂部擺放是保溫效果最佳的方式。Jianping Du，等[13]對(duì)PCM模塊的位置進(jìn)行研究，結(jié)果表明，PCM的結(jié)構(gòu)20%位于頂部，20%位于每一面?zhèn)缺?，熔點(diǎn)為2°C，真空絕緣板（VIP）的持續(xù)時(shí)間最長。潘欣藝，等[14]探討了蓄冷保溫箱內(nèi)蓄冷板的擺放位置不同時(shí)，內(nèi)部溫度場的分布情況和變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)在保溫過程中，蓄冷箱內(nèi)部溫度場分布差別很大，而蓄冷板的擺放方式對(duì)內(nèi)部溫度場影響極大，針對(duì)可利用體積、溫度場均勻程度、箱內(nèi)平均溫度來說，頂擺方式無疑是最佳的蓄冷劑擺放位置。

圖2 蓄冷板的擺放位置

本文作者也曾對(duì)蓄冷車內(nèi)冷板的擺放方式進(jìn)行了研究，在空載條件下，應(yīng)優(yōu)先采用冷板部分頂置+部分側(cè)置的冷板布置方式[15]。

羅大偉，等[16]在26L的保溫箱內(nèi)設(shè)立7個(gè)溫度測試點(diǎn)（如圖3所示），取整個(gè)系統(tǒng)中心點(diǎn)點(diǎn)1以及左上角點(diǎn)7的溫度變化曲線作為對(duì)比，將溫度變化情況與仿真軟件作對(duì)比。研究表明，如果PCM的預(yù)冷溫度低于某一閾值，箱內(nèi)外氣流循環(huán)就會(huì)加劇，使得與外部環(huán)境的熱交換也隨之加快，反而減弱甚至得到更差的保溫效果。

圖3 溫度測試點(diǎn)分布

聶鈺岷，等[17]對(duì)配置蓄冷材料的集裝箱（外部尺寸為2 991mm×2 438mm×2 438mm）在空箱、滿載筐裝貨物和滿載箱裝貨物3種模式下的內(nèi)部溫度場進(jìn)行測試試驗(yàn)和數(shù)值仿真。分別在蓄冷箱面1（與面2間距600mm）、面2（箱體橫向中面）和面3（與面2間距600mm）上按圖4方式分別布置5支分辨率為0.1℃的溫感探頭；面1、面2和面3位于縱向中軸線上的9個(gè)點(diǎn)如圖5所示。

圖4 蓄冷管布置及測試面（單位：mm）

圖5 蓄冷箱橫截面溫度測點(diǎn)布置（單位：mm）

研究結(jié)果表明：

（1）空箱溫度場橫向上的分布不均勻，為下冷上熱；若滿載，則貨物在上部的冷卻效果較差，且溫度也始終高于中下部。而且貨物的包裝形式也會(huì)影響內(nèi)部的溫度分布情況。

（2）空箱的橫向面下部冷、上部熱，而中下部的低溫區(qū)域較大，頂布的溫度較高且溫度梯度較大；滿載時(shí)的箱在橫向面也是出現(xiàn)溫度分層為下冷上熱。

潘欣藝，等[18]選擇同樣的8塊蓄冷劑在保溫箱（外部尺寸為600mm×600mm×400mm）中擺放4種可行的位置，擺放方式分別為側(cè)面擺放（2種）、頂部擺放和邊緣擺放（如圖6所示）。通過數(shù)值仿真研究，表明四中擺放方式下保溫箱內(nèi)部的溫度場分布都表現(xiàn)出十分不均勻，同時(shí)，擺放方式對(duì)溫度場的影響很大，頂擺方式相對(duì)是最佳的方式。但該文僅僅是模擬計(jì)算，沒有試驗(yàn)數(shù)據(jù)的支持且沒有考慮實(shí)際運(yùn)輸過程的各種因素。

圖6 蓄冷板四中擺放方式

方文康，等[19]采用Ansys Fluent工具建立等比模型，通過實(shí)測實(shí)驗(yàn)保溫時(shí)間來探究多溫區(qū)保溫包裝箱（外尺寸為500mm×350mm×255mm）在不同條件下保溫箱內(nèi)部溫度場及保溫效果的影響和驗(yàn)證模型的可靠性。選擇各溫區(qū)4塊蓄冷劑排布使用，分別是側(cè)面擺放、雙面擺放、邊緣擺放和頂?shù)讛[放，蓄冷劑的空間占有率為13.11%，如圖7所示。

圖7 蓄冷板擺放位置

研究表明側(cè)面擺放位置所得的溫度場效果最優(yōu)。一方面，這和常識(shí)性均勻性分布相吻合，另一方面，仿真實(shí)驗(yàn)效果較優(yōu)，但缺乏相關(guān)的實(shí)驗(yàn)對(duì)比?？紤]的是設(shè)定參數(shù)的特定情況，且未考慮實(shí)際運(yùn)輸過程中變溫的因素以及運(yùn)載貨物的情況。在考慮蓄冷箱溫區(qū)溫度場穩(wěn)定性的情況下，利用仿真實(shí)驗(yàn)探索蓄冷劑擺放位置及研究溫度場穩(wěn)定性，進(jìn)一步證實(shí)了已有結(jié)論側(cè)面擺放位置更優(yōu)的效果，為今后蓄冷箱溫區(qū)穩(wěn)定性研究與應(yīng)用提供一定的理論指導(dǎo)。

上述研究均表明，不同的擺放方式對(duì)于保溫箱內(nèi)溫度場有較大的影響。要綜合考慮容積利用率、重心高度和溫度均勻性，采用側(cè)面結(jié)合頂部擺放的方式則更好。這為蓄冷箱設(shè)計(jì)時(shí)采用何種蓄冷板擺放方式提供了理論依據(jù)。但這些研究較多集中于單純的側(cè)面及頂部等方式，很少考慮其他組合的擺放方式以及采用內(nèi)部強(qiáng)制通風(fēng)來改善溫度場；同時(shí)，大多數(shù)的研究是以空載時(shí)的數(shù)值仿真為主，缺乏實(shí)際的試驗(yàn)數(shù)據(jù)支持，因而其研究結(jié)論的實(shí)用性不強(qiáng)。此外，上述研究所采用的蓄冷箱的大小也存在較大的不同，因而也缺乏可比性。

3 蓄冷箱研制中需要解決的幾個(gè)關(guān)鍵問題

（1）蓄冷箱的隔熱材料。要采用性價(jià)比更好的隔熱材料，使得箱體的重量要減輕、空間增大、造價(jià)較低，并要考慮蓄冷箱的回收和循環(huán)使用。

（2）蓄冷箱的規(guī)格與分區(qū)。要考慮不同的應(yīng)用場景來設(shè)計(jì)蓄冷箱的規(guī)格和多溫分區(qū)，以充分提高蓄冷箱運(yùn)用的經(jīng)濟(jì)性。例如，小型箱主要用于電商配送，重點(diǎn)要考慮便于人工搬運(yùn)，一般適用于單一溫度要求的物品，因此可以不分溫區(qū)；大型箱一般適宜于從配送中心對(duì)超市及社區(qū)的配送，貨物品類多、溫度要求不同，因此應(yīng)根據(jù)主要配送貨物的性質(zhì)要求采用多溫區(qū)的設(shè)計(jì)，各溫區(qū)的大小要依訂單情況而定，儲(chǔ)載貨空間應(yīng)有一定的彈性。

（3）相變蓄冷材料。要根據(jù)應(yīng)用場景來選擇蓄冷材料的相變溫度，提升相變材料的融化熱和環(huán)境友好性、降低相變材料過冷度、縮短冷卻時(shí)間、降低能耗、降低蓄冷材料成本是值得進(jìn)一步研究的問題。

（4）蓄冷板的擺放。雖然蓄冷板側(cè)布方式下的蓄冷箱平均保冷時(shí)間更優(yōu)，但需要考慮不同的裝貨空間進(jìn)行設(shè)計(jì)，對(duì)于小型蓄冷箱和大型蓄冷箱需要區(qū)別對(duì)待。一般而言，小型箱對(duì)擺放位置并沒有嚴(yán)格的要求；而大型箱的蓄冷板位置擺放不當(dāng)則會(huì)產(chǎn)生較大的溫差，此時(shí)應(yīng)考慮加設(shè)循環(huán)風(fēng)扇以形成強(qiáng)制對(duì)流；同時(shí)要考慮箱體的重心高度和裝貨空間的利用率，最好是采用蓄冷板頂置和側(cè)置相結(jié)合的方式。