中国低温冷藏车节能减排的研究

朱进林谢 晶

ZHU Jin－lin1，2XIE Jing1，2

（1.上海水产品加工与贮藏工程技术研究中心，上海 201306；2.上海海洋大学食品学院，上海 201306）

易腐食品的低温运输作为食品冷藏链的最薄弱环节之一，不仅影响到食品的腐败变质，而且关系到人群的身体健康问题［1］。据统计［2］，中国每年由于冷藏运输造成的易腐产品损耗量占整个冷链易腐产品损耗量25%～30%。纵观整个冷藏运输行业，目前在运输结构中，铁路冷藏运输占55%，仍占据着主体部分［3］。但是，公路条件的改善有效解决了部分低温运输产业效率低、耗能高的问题。有报告［4］指出，2001年以来，中国公路冷藏车运量年均增长、公路冷藏运输的总量大大增加，这导致中国冷藏汽车的需求量大幅增长。公路冷藏运输汽车与水上、空中等其他低温冷藏运输设备相比，具有机动灵活，适应性强的特点，能够较好发挥汽车的经济效益，并把这种经济效益体现在汽车使用与流通全过程中，实现所谓的“远距效益”、“时间效益”和“运输品质量效益”［5］。面对能源日益枯竭的时代背景，节能和可持续发展已经成为时代的主题。公路冷藏运输作为运输行业的重要组成部分，冷藏运输车的耗能已经成为研究者关注的热点，对其进行节能减排的改进是一项亟待解决的任务，对社会的发展有着十分重要的现实意义。

1 中国冷藏车发展历程和现状

中国的公路汽车冷藏运输是从20世纪50年代后期开始兴起的。最初，中国使用加冰改装的载货保温车向一些东欧国家出售冷冻肉类、禽蛋等易腐食品。60年代初，在中国一些商业机械厂开始出现了改装的国产解放牌保温货车。后期由于冷藏保温车的种类、数量、质量不能满足水产、外贸、卫生等部门的要求，中国先后从一些冷藏技术发达国家引进了数百辆中大型保温汽车。70年代中期左右，中国开始涉足冷藏保温汽车生产。1981年全国有10家企业改装冷藏保温汽车，年产量约700辆，其中冷藏汽车不足10%［6］。近年来，伴随着科技、经济的高速发展和人民生活水平的不断提高，一些偏远经济相对落后地区也逐渐使用低温冷藏车，公路冷藏运输在中国有了一个较为快速发展时期。据预测［7］，中国冷藏车的需求量将以20%～25%的速度递增，应用领域从最初的肉类、奶制品、冷饮、果蔬等易腐食品行业扩展到医药、国防、电子、生物等任何有特殊温度需求的行业。

据《2008年中国保温冷藏车市场调研报告》［8］统计：中国冷藏保温车辆约为3万辆，美国和日本分别为20万辆和10多万辆，中国的人口分别为美国的4.6倍和日本的9.6倍，国土面积与美国差不多，是日本的20多倍，按照人均冷藏保温车保有量计算，中国只是美国和日本的1／3左右，在市场方面还有很大发展空间；2006年市场份额调查显示，保温车重型达到1.4%，中型达到15.8%，轻型达到82.8%；冷藏车重型份额达8.7%，中型达到27.8%，轻型达到63.5%。在冷藏车产品结构方面，未来格局将进一步整合。

纵观中国低温运输行业，与发达国家相比还有很大差距。从冷藏运输车研发技术、保有量到冷藏车的品种等，目前还是处在一个较低的水平上。从最初的进口保温车到改装以及到最后的自主研发冷藏车，起步晚、研发工艺低、耗能高、保有量少等一定程度上制约了中国低温运输行业的发展。

2 冷藏车的节能减排研究

目前国外冷藏车技术的研究已经相当成熟，大量性能优良、运行稳定、能耗低的冷藏车已经投入应用。由于公路冷藏车的能耗来源于很多方面，目前中国关于冷藏车节能减排方面的研究还处于起步阶段。对冷藏运输装备节能研究主要集中在改善车厢围护结构、优化制冷装置以及车外热环境、空气渗透、货物堆放及包装方式、空气幕的布置与能耗关系等［2］。文章对已开展的冷藏车的节能减排从以下几个方面进行回顾。

2.1 改进冷藏车的自身结构

对低温冷藏车的结构改进主要集中于冷藏车厢体结构和隔热材料的选择以及动力系统方面的研究。

低温冷藏车厢体的隔热材料和结构直接影响着冷藏车的绝热性能、机械强度、环保性能和经济性［9］。作为厢体结构必须具有气密和保温性能，其骨架必须具有断热和承载的双重能力。根据隔热车厢结构型式可以分为整体结构和拼装结构，目前以“三明治”板粘接式结构应用最广。Pannozzo等［10，11］研究指出，冷藏车厢体结构的绝热系数伴随着时间的变化而逐渐减小。新型气密保温复合材料如铝合金、不锈钢板和聚氨酯发泡材料的使用加强了厢体的绝热性能。厢体的外蒙皮及内壁采用玻璃钢或铝型材、地板采用不锈钢、后门五金件采用不锈钢或铝合金件、门铰链采用暗装结构等都是近几年国内外流行的做法［12］。一些新的整体骨架注入发泡技术如空心玻璃钢整体发泡浇铸成型技术，也在不断被研发出来，在未来几年内可以实现区域性厢体的加工制造。

聚氨酯硬质泡沫塑料、聚苯乙烯泡沫塑料和挤塑聚苯乙烯泡沫是目前较为理想的隔热材料，它们具有质量轻、热导率低、绝热效果好的特点。ATP条约［10］（agreement for the transport of perishables）指出，一般要求隔热材料热导率为K≤0.7W／（m· K），优质隔热材料热导率为K≤0.4W／（m·K）。聚氨酯硬质泡沫塑料热导率为K＝0.03W／（m·K），被广泛的用于低温冷藏车上。

Mashud等［13］对使用了隔热相变材料（phase change materials，PCMs）的冷藏车和传统冷藏车进行了漏热量计算，试验发现，与传统冷藏车相比，使用了相变材料的冷藏车在峰值期间，壁面平均能降低29.1%漏冷量；对单个壁面而言，冷量减少损失幅度在11.3%～43.8%；日平均能减少冷量损失约16.3%。

孙永才等［14］利用真空绝热板为嵌板、玻璃钢为内外侧壁面材料以及聚氨酯为填充材料，在冷藏车上应用了分片式高压灌注真空隔热围护结构。通过对使用不同材料冷藏车厢进行冷量损失和耗能情况计算，得出真空隔热材料厢体比常规隔热材料厢体节能约30%。

此外，合适的动力系统优化，如改变冷藏车传动系的传动比，使车身常用工况处于发动机特性曲线最佳经济区，有效降低冷藏车的燃油消耗，对于提高冷藏车节能减排也有一定的积极意义。经过几十年的发展与变迁，冷藏车朝着“节能、环保、低能耗”的方向发展。对冷藏车“减排”技术主要体现在两方面［1］：① 采用电子控制技术将汽油发动机电子点火改为电子直接喷射、增加进排气门、对进气进行预热、改善空气燃气比等过程，减少废气排放，提高热效率；② 积极研发新能源，使用新能源汽车如电动力、液化气体燃料、液态清洁燃料以及混合动力等新型动力汽车。目前中国自主品牌汽车在混合动力方面技术比较成熟，如广州某公司欧V混合动力客车运行一年半，出勤率98%，其节油率达25%［15］。

2.2 冷藏车制冷系统的选择

冷藏车根据制冷方式主要分为机械制冷、蓄冷板制冷和液化气体制冷3种。就目前而言，机械制冷的冷藏车占据着主要的冷藏车市场，它们应用在众多场合，具有温度均匀、操作简单等优点，但其也存在结构复杂、容易出现故障、维修费用高以及冷却速度慢等问题。

2.2.1 液氮冷藏车 具有结构简单、运行可靠、降温速度快、车厢内温度分布均匀、环保等优点，深受大众的喜爱，但也具有成本高、运输途中液氮补给困难等缺点。目前中国学者主要对其液氮喷淋技术和液氮冷冻性能展开研究，为其广泛应用奠定基础。张玉文等［16］阐述了液氮喷淋技术的必要性，介绍了冷藏车喷淋箱体的试验测试，得出该技术具有推广应用价值的结论。李艳等［17］模拟分析了液氮冷藏车冷藏箱内流场、温度场、食品冻结特性以及冻藏冷藏运输中食品温度变化特性等，并提出有效充分利用冷源的技术措施。

2.2.2 蓄冷板冷藏汽车 依靠其自带的冷板蓄冷维持车厢内的冷藏温度，运营成本低、易于维修和冷板能重复利用，主要用来中短途运输冷藏货物，其不足是制冷时间有限，冷却速度慢。冷板相变蓄冷剂的选择和冲放冷时间影响因素和冷板换热性能方面研究成为人们关注的焦点。李晓燕等［18］针对相变制冷剂的要求，提出一种新型相变制冷剂，并对其可用性进行了验证，结果表明该介质相变温度－6.9℃，适用于蓄冷板冷藏车。杨培志等［19］对冷藏车内冷板的相变传热进行了研究分析，结合数值模拟，为冷板车内冷板结构设计提供参考。

2.2.3 液态CO2气化制冷冷藏车 该技术是近年来刚提出的，严嘉等［20］将液态CO2冷藏车与机械式和冷板冷藏车进行了比对分析，从初投资、设备折旧、维修费以及能耗费几个方面进行了经济性分析，数据结果显现，液态CO2冷藏车制冷费用比机械式冷藏车低42%，比冷板式冷藏车低28%，为冷藏车技术指明了一个新的研究方向。

选择不同的制冷系统，对于冷藏车运输具有十分重要的现实意义。既确保了低温运输的正常需要，又避免了“大马拉小车”，能量逸散的现象，符合“节能减排、可持续发展”的时代要求。针对低温运输距离长短，货物数量种类、数量以及冷藏冷冻温度的实际情况，有目的有规划的选择合适制冷能力的冷藏车，能够缓解目前能耗高、效益低的低温运输压力。

（1）对于机械制冷式冷藏车而言，围绕制冷机组进行节能环保新技术突破，是其主要研究方向。包涛等［21］在采用平行流冷凝器的冷藏车内，对R134a和R404A进行了换热和流动情况的模拟，结果表明，在冷藏车运行工况范围内，R404A的传热和流动性能优于R134a。张哲等［22］对机械制冷冷藏车内蒸发器结霜特性进行了深入研究，得出入口空气参数对蒸发器结霜厚度和换热量的影响规律，指出对蒸发器进行优化设计，良好的融霜控制方式是维护机组正常运行，提高工作效率的有效手段之一。

（2）机械冷板冷藏车是一代冷板冷藏车的改进版，拥有更强的适应性。其自身携带制冷机组和压缩机，只需地面供给电源，就可完成冷板的充冷过程。冷板设计和制冷机组以及压缩机的优化是提高冷藏车运行性能，达到节能目的的关键因素。阚杰等［23］给出了机械冷板冷藏车的一些改进建议。一方面，在冷冻板和货物中间增加一层保温隔板，开通风窗口，控制通风窗口的数量，调节冷量，达到降温的目的；另一方面，将冷板内的蒸发管改为两组，提高冷板内传热效能。此外，对压缩机采用动态平衡活塞排气阀和制冷系统采用恒压膨胀阀代替热力膨胀阀措施，都可改善冷藏车的运行效率。

2.3 冷藏车其他优化技术

冷藏车在运输过程中，能量耗散是来自很多方面的。因此，应尽可能降低冷量损耗，提高经济性。设置风幕、对产品进行预冷、车厢内通风状况、产品的包装和堆码形式以及冷藏车运行的室外环境等因素都与冷藏车节能减排具有紧密的联系。

在冷库和一些大型商场，为了减少外部环境与内部环境的对流换热，维持室内温度，在其入口处往往设置空气幕。自Van Kennel［24］关于空气幕研究发表后，风幕技术得到迅速发展［25］。在国外，风幕在冷藏车上应用早已普遍起来，Tso等［26］对带内吸风方式风幕的冷藏车进行了试验研究，结果表明，风幕对冷藏车节能具有明显的节能效果。近年来，国内学者针对风幕研究开始普遍起来。刘敬辉等［27］对一种带外吸风方式风幕的冷藏车进行了性能测试，并用CFD仿真分析了冷藏车开门时风幕对其保温效果的影响，得出结论：风幕可以降低开门卸货时能量损失，减缓车厢内温度平均上升速率。

对生鲜易腐产品进行预冷，去除田间热是冷藏车运输前必须完成的农产品采后冷链的第一个环节，它不仅为降低冷藏运输环节能耗提供了前提，并极大地影响到农产品后续的品质［28］。

冷藏车厢内不同的通风方式，影响着流场和温度场的分布，研究自然对流和强制通风作用对提高易腐食品的质量有着一定的指导意义。陈焕新等［29］对采用自然对流的冷板冷藏车运输过程中货物温度分布情况进行了计算与分析。Moureh等［30］对采用上送下回式送风方式的冷藏车厢内装载货物前后气流组织和温度分布进行了CFD模拟，并进行了对比分析。

不同的包装堆码形式对货物质量也有一定的影响。张娅妮等［31］探究了机械冷藏车厢内货物装载间隙对温度场的影响情况，运用CFD模拟，得出间隙越大，冷空气流动速度越快，温度场越稳定的结论。

多温区冷藏车的开发与研制，迎合了现代社会不同低温运输需求的现状。针对不同货物，分别设立深冷区、冷冻区、冷藏区、常温区以及取样间，实现一车多样，既减少了运输的次数，又节省了能量。谢晶等［32］利用3种不同计算方法对多温区冷藏车热负荷进行计算，寻求合理的计算方法，得出开门热负荷和隔热厢体传入负荷占总负荷80%的结论，为多温区冷藏车的设计提供了参考。

此外，冷藏车的运行外界环境和驾驶员的开车习惯也会影响到冷藏车的油耗。研究［33，34］表明：夏季冷藏车万吨货物每公里耗油量为16.3kg，温季为13.5kg，而寒季为11.9kg；不同驾驶员驾驶油耗相差可达7%～25%。

3 结语与展望

科学技术的高速发展为低温冷藏车节能减排的深入研究与应用奠定了良好的基础。近几年来，中国在坚持自主创新，建设低碳、节能、环保创新型社会政策的实施下，冷藏车节能减排技术在中国得到了飞速的发展，今后也必将日趋成熟。

根据前人在冷藏车方面的研究，可以得到以下结论：

（1）选择合适的冷藏车厢体和隔热材料至关重要，它直接关系到冷藏运输食品的质量与安全。

（2）明确了解各种制冷方式的优劣性，根据实际情况，选择合适的制冷方案，能提高系统运作的经济性，降低运输能耗。

（3）通过在冷藏车内设置风机和空气幕等设施，有助于提高冷藏车的节能运作。

（4）加强基础研究将影响冷藏车能耗的各因素归纳、分类，探索并得出各个因素与能耗的关系，建立计算方程，以便于以后的理论研究。

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