謝如鶴，黃榮斌，謝旅程

（廣州大學 冷鏈物流及標準化研究所，廣東 廣州 510006）

0 引言

隨著我國居民消費水平的提高，對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——蓄冷箱的應用將得到進一步的重視。

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，已成為研究和應用的熱點領域。進一步提高其應用的經(jīng)濟性、增強靈活性及保證配送貨物的質量，對有效改善冷鏈運輸配送效率、降低配送成本和滿足人們生活需要具有重要意義。

1 蓄冷箱箱體的設計

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，其導熱系數(shù)見表1。傳統(tǒng)的蓄冷箱保溫材料降解性差，對環(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，會使得因材料自然吸氣導致的“性能”降低，同時在應用中材料容易老化也會導致性能降低，所以應用范圍有限。有學者對真空絕熱板的性能進行了優(yōu)化研究，如王保文[1]采用干法成型技術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 保溫材料的導熱系數(shù)

李杰瑞，等[2]對不同保溫箱體材質的保溫效果進行的研究表明，在蓄冷箱中應用真空絕熱板及其填充隔熱芯等技術，相比普通的發(fā)泡聚丙烯（EPP）保溫箱，保溫時間可有效延長13.31%。也有學者提出了保溫材料的復合結構，即將兩種保溫材料結合起來使用，如王達，等[3]提出采用真空絕熱板和聚氨酯復合結構（VIP+PU）的蓄冷保溫箱（如圖1所示），并以桃子為實驗對象，對VIP+PU、PU、EPS 3種不同保溫材料的蓄冷保溫箱在冷藏運輸期間的品質變化進行了實驗研究，發(fā)現(xiàn)不同保溫材料的保溫效果不同。EPS蓄冷保溫箱內桃子保鮮效果最差，只適合短途運輸，PU蓄冷保溫箱其次，適合中短途運輸,VIP+PU蓄冷保溫箱最好，適合長途運輸，且VIP+PU的復合結構可以減少空間占用、降低保溫箱的質量，而且還可以重復進行使用，這種結構的保溫箱推廣價值很大，這為蓄冷箱保溫材料的進一步研究提供了一定方向。

圖1 VIP+PU復合蓄冷保溫箱結構

傳統(tǒng)的蓄冷箱保溫材料和真空絕熱板都有優(yōu)缺點，可以考慮把它們結合起來形成復合結構，但這種復合結構也難免會存在上述問題，還有待在實際應用中進一步優(yōu)化和考證，同時，仍需要積極探索新的輕質化的高性能保溫材料。

1.2 蓄冷箱的規(guī)格

在設計蓄冷箱之前，需要確定蓄冷箱的規(guī)格大小，再進一步確定蓄冷箱的結構。對于大型的蓄冷箱，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)冷鏈運輸裝備為研究對象，設計了外部尺寸為1.56×0.86×0.76m、內部尺寸為1.45×0.75×0.65m，儲存容積為680L的保溫箱，這種可歸類為中型蓄冷箱。

對于小型的蓄冷箱，楊國梁，等[7]設計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，內尺寸為47×27×27cm。為了考察蓄冷箱的規(guī)格對保溫能力的影響，余永濤，等[8]研究了不同結構尺寸蓄冷箱的保溫性能，研究發(fā)現(xiàn)通過適當控制蓄冷箱的長寬比可以使其內外表面積的幾何平均值減小，從而能夠減少傳熱面積進而提高蓄冷箱的保溫能力。

在蓄冷箱的設計上，大部分的研究與應用是針對某一溫度范圍的單溫區(qū)而設計的，對于多溫蓄冷箱的研究比較欠缺；而目前關于蓄冷箱的規(guī)格尺寸，特別是對于多溫蓄冷箱的內部空間設計缺乏具體的研究。

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，調整到相應的溫度、容量等。由于每一位顧客（需求點）的需求具有分散性、多樣性、隨機性等特點，對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節(jié)得到滿足，同時滿足其它溫度物品的儲存空間需求（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)），即多溫空間應該具有柔性設計，其隔板可調、并有一定的伸縮性。同時，蓄冷箱的規(guī)格應結合裝卸運輸?shù)男始芭c托盤的模數(shù)配合關系等實際應用場景來確定，以實現(xiàn)效率和效益最大化。

2 蓄冷板的擺放

在冷鏈運輸與配送過程中，特別是對于較長時間的運輸過程和對溫度敏感的貨物，運輸單元內的溫度場對于貨物的品質有較大的影響。為了保證運輸過程中的貨物品質，運輸單元內既要保持適宜的低溫環(huán)境，同時要保證內部溫度場的均勻性。對于通常不具備強制通風循環(huán)裝置的蓄冷式保溫箱，而不同的擺放位置又會產(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]針對果蔬的保溫運輸（2～8℃），研究了蓄冷保溫箱內不同蓄冷板的擺放方式對保溫效果的影響，研究結果表明，蓄冷板側面擺放方式與頂部加側面方式相比，前者保冷時間會更長，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箱內環(huán)境溫度和奶白菜中心溫度的影響，以及宅配時奶白菜的品質變化，發(fā)現(xiàn)蓄冷板四周擺放相比頂部擺放對溫度控制和奶白菜品質控制效果更好。

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

翟紀強，等[12]以發(fā)泡聚丙烯多溫區(qū)保溫箱為實驗對象，研究了同樣質量的蓄冷材料側面擺放、雙面擺放、邊緣擺放和頂?shù)讛[放4種擺放方式的保溫時間長短（如圖2所示），結果表明，蓄冷板側面擺放結合頂部擺放是保溫效果最佳的方式。Jianping Du，等[13]對PCM模塊的位置進行研究，結果表明，PCM的結構20%位于頂部，20%位于每一面?zhèn)缺?，熔點為2°C，真空絕緣板（VIP）的持續(xù)時間最長。潘欣藝，等[14]探討了蓄冷保溫箱內蓄冷板的擺放位置不同時，內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，蓄冷箱內部溫度場分布差別很大，而蓄冷板的擺放方式對內部溫度場影響極大，針對可利用體積、溫度場均勻程度、箱內平均溫度來說，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

本文作者也曾對蓄冷車內冷板的擺放方式進行了研究，在空載條件下，應優(yōu)先采用冷板部分頂置+部分側置的冷板布置方式[15]。

羅大偉，等[16]在26L的保溫箱內設立7個溫度測試點（如圖3所示），取整個系統(tǒng)中心點點1以及左上角點7的溫度變化曲線作為對比，將溫度變化情況與仿真軟件作對比。研究表明，如果PCM的預冷溫度低于某一閾值，箱內外氣流循環(huán)就會加劇，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 溫度測試點分布

聶鈺岷，等[17]對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種模式下的內部溫度場進行測試試驗和數(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個點如圖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布置（單位：mm）

研究結果表明：

（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影響內部的溫度分布情況。

（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部的溫度場分布都表現(xiàn)出十分不均勻，同時，擺放方式對溫度場的影響很大，頂擺方式相對是最佳的方式。但該文僅僅是模擬計算，沒有試驗數(shù)據(jù)的支持且沒有考慮實際運輸過程的各種因素。

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，通過實測實驗保溫時間來探究多溫區(qū)保溫包裝箱（外尺寸為500mm×350mm×255mm）在不同條件下保溫箱內部溫度場及保溫效果的影響和驗證模型的可靠性。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

研究表明側面擺放位置所得的溫度場效果最優(yōu)。一方面，這和常識性均勻性分布相吻合，另一方面，仿真實驗效果較優(yōu)，但缺乏相關的實驗對比?？紤]的是設定參數(shù)的特定情況，且未考慮實際運輸過程中變溫的因素以及運載貨物的情況。在考慮蓄冷箱溫區(qū)溫度場穩(wěn)定性的情況下，利用仿真實驗探索蓄冷劑擺放位置及研究溫度場穩(wěn)定性，進一步證實了已有結論側面擺放位置更優(yōu)的效果，為今后蓄冷箱溫區(qū)穩(wěn)定性研究與應用提供一定的理論指導。

上述研究均表明，不同的擺放方式對于保溫箱內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，采用側面結合頂部擺放的方式則更好。這為蓄冷箱設計時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部強制通風來改善溫度場；同時，大多數(shù)的研究是以空載時的數(shù)值仿真為主，缺乏實際的試驗數(shù)據(jù)支持，因而其研究結論的實用性不強。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關鍵問題

（1）蓄冷箱的隔熱材料。要采用性價比更好的隔熱材料，使得箱體的重量要減輕、空間增大、造價較低，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)。要考慮不同的應用場景來設計蓄冷箱的規(guī)格和多溫分區(qū)，以充分提高蓄冷箱運用的經(jīng)濟性。例如，小型箱主要用于電商配送，重點要考慮便于人工搬運，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超市及社區(qū)的配送，貨物品類多、溫度要求不同，因此應根據(jù)主要配送貨物的性質要求采用多溫區(qū)的設計，各溫區(qū)的大小要依訂單情況而定，儲載貨空間應有一定的彈性。

（3）相變蓄冷材料。要根據(jù)應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、縮短冷卻時間、降低能耗、降低蓄冷材料成本是值得進一步研究的問題。

（4）蓄冷板的擺放。雖然蓄冷板側布方式下的蓄冷箱平均保冷時間更優(yōu)，但需要考慮不同的裝貨空間進行設計，對于小型蓄冷箱和大型蓄冷箱需要區(qū)別對待。一般而言，小型箱對擺放位置并沒有嚴格的要求；而大型箱的蓄冷板位置擺放不當則會產(chǎn)生較大的溫差，此時應考慮加設循環(huán)風扇以形成強制對流；同時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置相結合的方式。