霍昳琳，楊大章,3,4，謝晶,3,4*，楊智康

1(上海海洋大學 食品學院，上海，201306)2(上海冷鏈裝備性能與節(jié)能評價專業(yè)技術(shù)服務平臺，上海，201306) 3(上海海洋大學 食品科學與工程國家級實驗教學示范中心，上海，201306) 4(農(nóng)業(yè)農(nóng)村部冷庫及制冷設備質(zhì)量監(jiān)督檢驗測試中心，上海，201306)

隨著經(jīng)濟的發(fā)展和生活水平的提高，我國人民對食品的生產(chǎn)和消費的需求逐步提升，對產(chǎn)品流通的需求也隨之增長。中共十九屆五中全會提出的加快構(gòu)建以國內(nèi)循環(huán)為主體、國內(nèi)國際雙循環(huán)相互促進的新發(fā)展格局的重大策略，推動了我國食品冷鏈運輸?shù)母哔|(zhì)量發(fā)展[1]。根據(jù)《中國冷鏈物流發(fā)展報告(2021)》，當前我國果蔬、肉類、水產(chǎn)品等產(chǎn)品的年產(chǎn)量已超過10億t，冷鏈運輸?shù)男枨笠殉^2億t，但目前能完成的運輸量只能達到人民需求的1/4。

易腐食品的運輸要求整個運輸過程保持在適宜的溫度范圍內(nèi)，而冷鏈運輸基礎(chǔ)設施的不完善、運輸不流暢等原因都會導致大量食品的受損和腐敗。據(jù)估計，全球約有1/3的冷藏產(chǎn)品在冷鏈運輸?shù)倪^程中腐敗或失去商品價值。同時傳統(tǒng)的制冷系統(tǒng)和設備的能耗較高，有限的能源不能滿足日益增長的冷鏈運輸需求。因此，我國食品冷鏈運輸體系仍需發(fā)展完善，增強冷鏈運輸基礎(chǔ)設施建設，合理規(guī)劃冷鏈運輸路徑已刻不容緩。

本文介紹了食品海陸空冷鏈運輸?shù)默F(xiàn)狀，介紹了吸附式制冷系統(tǒng)、光伏技術(shù)、蓄冷技術(shù)、真空絕熱板、空氣幕、多式聯(lián)運等技術(shù)在冷鏈運輸中的應用，總結(jié)了精確監(jiān)控運輸時冷藏室溫度、優(yōu)化冷鏈運輸制冷系統(tǒng)、減緩冷運過程中溫度波動、節(jié)約運輸時間的方法和技術(shù)，并分別歸納了適用于海陸空運輸?shù)臏囟缺O(jiān)測技術(shù)，為降低能源損耗、提高運輸貨物的質(zhì)量及今后冷鏈運輸?shù)陌l(fā)展提供了參考與思路。

1 食品海陸空冷鏈運輸現(xiàn)狀

2020年我國食品冷鏈運輸需求總量為2.65億t，較2019年增長13.69%，近年食品冷鏈運輸需求總量及增長率如圖1所示[2]。此外，“小批量、多品種、高保鮮”已成為當前食品冷鏈運輸?shù)闹鲗Х较?，GB 31605—2020《食品安全國家標準 食品冷鏈物流衛(wèi)生規(guī)范》的實施更是對食品冷鏈運輸過程中的交接、設施設備、包裝及溫控提出了要求，以達到更快捷、更高品質(zhì)的運輸效果。

圖1 2015-2020年食品冷鏈物流需求總量[2]Fig.1 Total demand for food cold chain logistics in 2015-2020[2]

近年冷鏈運輸設備的建設和完善、包裝及溫控技術(shù)的提出使我國食品冷鏈運輸產(chǎn)業(yè)得到了蓬勃發(fā)展。目前我國易腐食品貨物主要采用大型冷藏拖車通過公路運輸，達到了70%以上；其次為水路運輸，占比16.4%；鐵路運輸量占比9.8%，位居第3；由于航空運輸存在局限性，占比最低。由于食品冷鏈運輸對環(huán)境友好性、能源效率、可靠性和安全性的要求大幅提高，而道路運輸會對環(huán)境造成影響。減少道路運輸?shù)倪\輸強度，將其與更高效、更清潔的鐵路和水上運輸結(jié)合可以得到更有發(fā)展?jié)摿Φ倪\輸方式——聯(lián)合運輸。

發(fā)展冷鏈食品的聯(lián)合運輸新技術(shù)，可以減少運輸過程中成本、二氧化碳排放量和能源消耗。因此，我國正在積極建設發(fā)展聯(lián)合運輸，尤其是對接海上運輸和鐵路運輸，形成?！F運輸體系。海上運輸和鐵路運輸?shù)臒o縫銜接，不僅能降低公路運輸?shù)恼急?，還能夠避免改變運輸方式時對產(chǎn)品造成的損耗，提高冷鏈運輸產(chǎn)品的質(zhì)量。天津擁有3條通往內(nèi)陸港口的集裝箱?！F聯(lián)運通道，是我國“一帶一路”重點建設的多式聯(lián)運節(jié)點之一。SONG[3]介紹了天津港集裝箱海—鐵運輸?shù)陌l(fā)展現(xiàn)狀，并提出了投資港口與火車站無縫銜接建設天津港海鐵聯(lián)運信息平臺，縮短運輸時間的優(yōu)化策略。SUN等[4]從鐵路運輸、港口運營等方面分析了廈門港集裝箱?！F聯(lián)運發(fā)展中存在的問題，并提出了加強?！F聯(lián)運基礎(chǔ)設施和發(fā)展平臺建設，減少中間環(huán)節(jié)，降低成本等措施，從而充分實現(xiàn)?！F聯(lián)運全過程的信息覆蓋。

而多式聯(lián)運碼頭的整體性和有效性受運輸時不同運輸模式間卸載貨物能力的影響[5]。LIZBETIN等[6]論述了多式聯(lián)運碼頭裝卸設備的設計方法，并提供了確定多式聯(lián)運碼頭運營需求的計算方法。SU等[7]對國內(nèi)外主要空港城市的空—鐵聯(lián)運進行了比較，提出了縮短空鐵樞紐之間的距離，大力發(fā)展空—鐵貨物運輸?shù)慕ㄗh。多式聯(lián)運的發(fā)展對進一步優(yōu)化物流環(huán)境、促進物流業(yè)發(fā)展具有重要作用。采用多式聯(lián)合運輸技術(shù)，比如連接鐵路運輸和水上運輸來達到更加環(huán)保和有效的中長途貨運模式，以最大限度發(fā)揮特定運輸方式的優(yōu)勢并滿足準時、靈活且節(jié)能的特征。

2 冷鏈運輸中新型制冷系統(tǒng)

2.1 吸附式制冷系統(tǒng)

當前冷鏈運輸設備主要通過由燃油驅(qū)動的蒸汽壓縮系統(tǒng)進行制冷，這加劇了能源危機和環(huán)境污染。吸附式制冷系統(tǒng)可以吸收低級熱能，如太陽能、發(fā)動機余熱或地熱能等，以產(chǎn)生制冷能力。PAN等[8]建立了一種SiO2-H2O吸附式制冷機，該設備能夠吸收發(fā)動機余熱，降低制冷系統(tǒng)的能源損耗。但傳統(tǒng)廢棄余熱的固體吸附式制冷系統(tǒng)要求吸附劑能夠在低排氣溫度下解吸，系統(tǒng)工作范圍較小，不能滿足食品冷鏈運輸過程中的制冷需求。

采用兩級固體吸附式制冷循環(huán)可以使固體吸附式制冷系統(tǒng)在低排氣溫度下穩(wěn)定運行。GAO等[9]提出了一種使用MnCl2/CaCl2-NH3作為工作對的吸附式壓縮系統(tǒng)，在冷凝器和MnCl2吸附床之間增加了CaCl2吸附床，顯著降低了系統(tǒng)的解吸溫度，提升了系統(tǒng)的制冷系數(shù)，并有效降低冷鏈運輸成本。AN等[10]對MnCl2/CaCl2-NH3吸附式壓縮系統(tǒng)進行了測試，證實了在較低的排氣溫度下，兩級吸附式制冷循環(huán)的適應性更強，制冷效果更佳。

由于多鹽吸附劑在低排氣溫度和高環(huán)境溫度的極端條件下具有良好適應性，相較于傳統(tǒng)固體吸附式制冷系統(tǒng)工作溫度區(qū)間更大，GAO等[11]提出了一種用于冷藏車的CaCl2/MnCl2多鹽吸附劑冷凍系統(tǒng)，系統(tǒng)與模型如圖2所示。結(jié)果表明，該吸附式制冷系統(tǒng)能夠滿足極端環(huán)境下輕型汽車冷鏈運輸?shù)囊?。此外，使用SrCl2-NH3作為工作對進行混合固體吸附壓縮制冷循環(huán)，也能夠有效地解決固體吸附循環(huán)的應用限制問題，并實現(xiàn)更高的制冷系數(shù)[12]。

a-吸附制冷循環(huán);b-冷藏車模型圖2 冷藏車化學吸附冷凍系統(tǒng)[11]Fig.2 Chemisorption refrigeration system for refrigerator truck[11]

2.2 光伏系統(tǒng)

隨著人們對冷藏食品需求的增加，實現(xiàn)冷鏈脫碳是維持食品冷鏈運輸可持續(xù)性的重要事項。在運輸設備上安裝光伏板以利用太陽能、促進可再生能源在冷鏈運輸中的應用，可以提高冷鏈運輸?shù)目沙掷m(xù)性，降低冷鏈運輸對環(huán)境的影響。MENEGHETTI等[13]提出了一種應用于半掛式冷藏車的光伏綜合輸送系統(tǒng)，系統(tǒng)由安裝在半掛車車頂上的光伏板、電池組和電力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)組成。測試結(jié)果證實了用屋頂光伏板取代柴油發(fā)動機，來為冷鏈運輸車的制冷系統(tǒng)提供燃料的可能性，其中每月冷鏈運輸所需能量如圖3所示。

圖3 一年中每個月運輸冷藏食品過程中能量的需求[13]Fig.3 Energy requirements for transporting refrigerated food each month of the year[13]

此外，由于在長途運輸中，車輛會跨越不同氣候條件的區(qū)域，對制冷需求和光伏能量的轉(zhuǎn)換造成影響，MENEGHETTI等[14]還開發(fā)了一個多周期、多區(qū)域的優(yōu)化模型，能夠根據(jù)送貨路線的特點來確定運輸設備所需光伏系統(tǒng)的大小。冷鏈脫碳正在成為實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的優(yōu)先目標，光伏技術(shù)的出現(xiàn)促進了可再生能源的利用，為實現(xiàn)可持續(xù)性的經(jīng)濟和環(huán)境發(fā)展提供了強有力的手段，在減少化石燃料消耗和相關(guān)溫室氣體排放方面具備巨大的潛力。

2.3 應用蓄冷技術(shù)的制冷系統(tǒng)

在食品冷鏈運輸?shù)难b卸過程中，冷藏室的溫度波動會影響易腐食品貨物的品質(zhì)。使用蓄冷技術(shù)可顯著降低開啟冷藏室門所需的冷量，緩解溫度波動，從而確保運輸產(chǎn)品的質(zhì)量和安全性[15]。因此，在食品冷鏈運輸設備中添加蓄冷板可以提高制冷系統(tǒng)的壽命并達到節(jié)能和減少溫室氣體排放的目的。針對冷藏車，BEN TAHER等[16]評估了食品冷藏運輸車在門打開和關(guān)閉狀態(tài)下的氣流組織，嘗試將不同的相變材料集成在同一塊蓄冷板中，來儲存冷藏車運行期間所需的冷量并釋放。此外，RADEBE等[17]研究了低溫范圍內(nèi)應用蓄冷板的特性，對3種不同的共晶板布置方式進行了模擬，如圖4所示，結(jié)果表明在兩側(cè)廂壁分別布置4塊蓄冷板時模擬效果最佳，能夠在前5 h內(nèi)保持良好的溫度并維持食品的質(zhì)量。JEONG等[18]對裝有3塊蓄冷板的冷藏車進行了內(nèi)部傳熱的模擬和分析，結(jié)果表明在運輸車頂部串聯(lián)放置蓄冷板可以更好地提高運輸?shù)男阅?，緩解車門頻繁啟閉對車內(nèi)環(huán)境溫度造成的影響。

a-兩側(cè)廂壁分別布置4塊蓄冷板;b-兩側(cè)廂壁分別布置4塊 蓄冷板，廂頂布置2塊蓄冷板;c-廂頂布置四塊蓄冷板圖4 三種不同的蓄冷板布置方式[17]Fig.4 Three different cool storage plate layout methods[17]

在鐵路運輸集裝箱中應用蓄冷技術(shù)可以減少行駛時的能源消耗，并緩解集裝箱中的溫度波動。劉國豐[19]提出了一種新型的應用于鐵路集裝箱的蓄冷板，使用該蓄冷板會大幅降低能源消耗，這對提高鐵路運輸?shù)氖袌龈偁幜τ葹橹匾５簿П纳蓵π罾湫十a(chǎn)生負面影響，這要求研究人員優(yōu)化蓄冷板的結(jié)構(gòu)，規(guī)劃蒸發(fā)盤管的位置，強化蓄冷板內(nèi)部的導熱，從而避免共晶冰的生成[20]。

3 冷鏈運輸中圍護結(jié)構(gòu)新技術(shù)和新材料

3.1 使用隔熱材料的冷鏈運輸設備

使用隔熱材料作為冷鏈運輸時的壁面或容器材料時，能夠降低運輸過程中的能源消耗，并在空間上占據(jù)優(yōu)勢。作為隔熱材料之一，玻璃纖維芯真空隔熱板具有熱導率較低、薄且質(zhì)量輕的優(yōu)點。為了提升海運集裝箱箱體的隔熱能力，ZHENG等[21]提出了一種用于船用冷藏集裝箱玻璃纖維芯真空隔熱板的碳基吸氣劑的制備方法，來降低海運冷藏集裝箱船的能源消耗。該玻璃纖維芯真空隔熱板的芯材由二氧化硅、氣凝膠、聚氨酯泡沫和玻璃纖維組成，如圖5所示。此外，謝雨等[22]提出了一種單拉式艙口蓋，其艙口蓋和艙口圍使用隔熱材料，保護了船內(nèi)海產(chǎn)品的品質(zhì)，并提升了航行過程中的經(jīng)濟性。

針對陸上運輸，GAEDTKE等[23]提出了在冷藏車壁中加入真空隔熱板的方法來降低燃油消耗和相關(guān)排放，并應用玻爾茲曼方法對冷藏車廂內(nèi)環(huán)境進行了模擬。結(jié)果表明真空隔熱板的加入能夠?qū)⑺枥鋮s能量減半，并有效減緩冷卻操作期間冷凍貨物的溫度變化。KUMAR等[24]也對采用輕質(zhì)隔熱材料制造的廂式冷藏車進行了試驗分析，并測試了冬夏兩季冷藏車的性能。結(jié)果表明，使用輕型復合隔熱材料制造的車輛，排放量減少了90%，行駛距離也有所增加，這為未來設計食品冷藏運輸設備提供了一種經(jīng)濟高效的方法。

a-玻璃纖維芯真空絕熱板結(jié)構(gòu);b-玻璃纖維芯真空絕熱板樣式圖5 玻璃纖維芯真空絕熱板[21]Fig.5 IP composite plate[21]

3.2 使用空氣幕墻的冷鏈運輸設備

在食品的冷鏈運輸過程中，滲入空氣產(chǎn)生的熱負荷占據(jù)了運輸時冷藏總負荷的80%以上，而冷藏車開門期間的熱空氣滲透約占總制冷負荷的34%。實施空氣幕可以有效減少空氣滲入，降低冷藏設備的能耗。ZOTELLI等[25]提出了一種線性規(guī)劃模型來確定冷藏車冷卻裝置的最佳工作溫度，并采用空氣幕來維持冷藏室內(nèi)溫度，以最大限度地減少熱空氣滲透的影響和開啟車門造成的能源消耗并保證運輸過程中的食品品質(zhì)。

RAI等[26]研究了空氣幕在冷藏車開門過程中對自然滲透的保護機制，如圖6所示，分析了在車門開啟過程中，有無氣幕保護的冷藏卡車車身內(nèi)的氣流組織，對不同的空氣幕速度進行了測試。結(jié)果表明，使用實驗中系統(tǒng)時，空氣幕速度為3.1 m/s時節(jié)能效果最佳，能夠降低48%的能耗。BEN等[27]也提出了使用氣幕來優(yōu)化打開冷藏車車門時的能耗和冷卻時間，考慮不同的裝載場景，結(jié)果表明使用氣幕能夠大大減少能耗。

a-冷藏卡車車身模型;b-空氣幕模型圖6 帶空氣幕墻的冷藏卡車模型[26]Fig.6 Geometry of the truck body with an air curtain[26]

4 冷鏈運輸中測控系統(tǒng)新技術(shù)

由于部分食品對溫度變化特別敏感，即使處于同一冷鏈運輸設備，不同區(qū)域存在的溫度差異也可能會對食品的質(zhì)量造成影響。為了降低溫度對食品質(zhì)量的影響、防止食品變質(zhì)、降低運輸損耗，在冷鏈運輸時需要對食品配送的所有過程進行準確的溫度測量和監(jiān)控。KALABANO等[28]介紹了一種安裝在移動鐵路耦合平臺上的冷藏集裝箱溫度監(jiān)控系統(tǒng)，原理如圖7所示。該系統(tǒng)不僅能夠?qū)崟r顯示制冷設備的溫度，還能對冷藏集裝箱運輸過程中可能出現(xiàn)的緊急情況進行操作監(jiān)控和報警。

圖7 遠程監(jiān)控自動化系統(tǒng)原理圖[28]Fig.7 Schematic diagram of remote monitoring automation system[28]

由于現(xiàn)有的溫度記錄儀使用導線接收溫度數(shù)據(jù)，得到的結(jié)果需要根據(jù)電纜長度校正電阻誤差，同時在低溫環(huán)境下溫度計測溫的測量精度低。為了提高測量數(shù)據(jù)的精度，BUDIYANTO等[29]提出了一種應用于冷藏集裝箱的模擬方法以確定集裝箱內(nèi)的溫度分布，并探討了風管入口速度變化對冷藏集裝箱內(nèi)冷卻速度的影響來保證冷藏性能。MAZUR等[30]比較了2種模擬測溫方法并測試了航空運輸托盤的穩(wěn)定性。使用該方法可以測試對運行時間有要求的、運輸食品形狀不規(guī)則的、具有差異性的運輸過程的溫度分布，提高了傳統(tǒng)模擬的運行精度。表1總結(jié)了部分適用于不同場合的冷鏈運輸設備溫度場和速度場的測控技術(shù)。

表1 適用于不同運輸方式的測控技術(shù)Table 1 Applicable temperature monitoring methods for different modes of transportation

5 總結(jié)與展望

本文總結(jié)了食品海陸空冷鏈運輸?shù)陌l(fā)展現(xiàn)狀，歸納了化學吸附制冷系統(tǒng)、光伏技術(shù)、蓄冷技術(shù)在食品冷鏈運輸中的應用，介紹了共玻璃纖維芯真空絕熱板、空氣幕等應用于冷鏈運輸設備圍護結(jié)構(gòu)的新技術(shù)、新材料，提出了精確監(jiān)控運輸時冷藏空間的溫度、優(yōu)化冷鏈運輸制冷系統(tǒng)等測控方法和技術(shù)。

當前我國70 %以上的易腐食品貨物使用大型冷藏拖車進行公路運輸，但其存在能耗大、成本高、效率低、環(huán)境不友好等問題。聯(lián)合運輸將道路運輸和更加高效、清潔的鐵路運輸和水上運輸相結(jié)合，可以減少冷鏈運輸?shù)哪茉磽p耗，降低碳排放量。如何加強聯(lián)合運輸?shù)幕A(chǔ)設施和發(fā)展平臺建設，健全冷鏈運輸?shù)南嚓P(guān)行業(yè)標準，規(guī)劃聯(lián)合運輸?shù)木€路和節(jié)點，實現(xiàn)各運營系統(tǒng)的自動對接，實現(xiàn)更加環(huán)保高效的中長途貨運模式，是未來仍需解決的問題。

在新型制冷系統(tǒng)方面，吸附式制冷系統(tǒng)能夠吸收低級熱能并進行制冷。兩級吸附式制冷循環(huán)和多鹽吸附劑的應用使制冷系統(tǒng)在極端條件下具有良好適應性，實現(xiàn)更高的制冷系數(shù)。光伏技術(shù)的應用是實現(xiàn)冷鏈脫碳這一目標強有力的手段，其在促進可再生能源的應用和減少溫室氣體排放方面潛力巨大。此外，蓄冷技術(shù)可以減緩啟閉冷藏室門時的溫度波動，確保所運輸食品的品質(zhì)并降低能源損耗，但生成的共晶冰會降低蓄冷的效率。未來需繼續(xù)改進吸附式制冷系統(tǒng)，進一步開發(fā)復合吸附劑并尋找與之匹配的工作對；發(fā)展光伏技術(shù)，并結(jié)合光伏系統(tǒng)與運輸設備送貨路線的特點，將其運用到實際運輸當中；優(yōu)化蓄冷技術(shù)，強化蓄冷板內(nèi)導熱，避免生成共晶冰。

在圍護結(jié)構(gòu)的技術(shù)和材料方面，使用更輕、更薄、熱導率更低的真空隔熱材料，能夠有效降低排放量，為未來食品冷鏈運輸提供了一種經(jīng)濟高效的方法。此外，使用空氣幕在冷鏈運輸過程中開門時保護氣流組織，也能夠顯著降低能源損耗，但空氣幕速度和方向?qū)﹂_門時自然滲透的保護機制值得進一步思考。

在冷鏈運輸溫度場、速度場測控技術(shù)方面，在運輸過程中對食品進行準確的溫度測量可以維持食品品質(zhì)、減少運輸損耗。但目前溫度計存在電阻誤差，測量精度低，使用數(shù)值模擬的方法可以提高測量數(shù)據(jù)的精度，更具現(xiàn)實意義。冷鏈運輸行業(yè)的節(jié)能發(fā)展和優(yōu)化，是符合所有行業(yè)及個體實體的利益的，也是符合整個社會集體利益的。因此，冷鏈運輸領(lǐng)域仍需探索針對性的、持續(xù)性的新技術(shù)與方法。希望本文能為今后冷鏈運輸?shù)陌l(fā)展、節(jié)能設計和提高運輸產(chǎn)品的質(zhì)量、降低運輸損耗提供參考。