基于相变蓄冷技术的冷链集装箱性能研究

研究背景

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冷链技术可以保证易腐品运输过程中的品质，确保需要低温保存的食品、药品等的安全性，但据报道，约占15％的世界总能量用于食品保鲜，约占2.5％的全球温室气体排放是由冷链直接和间接造成的。目前，冷链运输多依赖于以柴油发电机驱动，采用蒸汽压缩的机械式制冷和风循环方式，其较冷库等固定式制冷工况更加恶劣，设备故障率较高；且复杂�ɶ�����,��������多变的工况和空间重量的限制，导致冷链运输设备运行效率更低，消耗大量燃料。此外，制冷剂泄漏造成的大量二氧化碳排放同样成为冷链运输关注的焦点。

由于高能量密度和相变过程温度恒定的优点，基于固-液相变的蓄冷技术可以在无源条件下提供冷量，可以更好地整合可再生能源。当蓄冷技术与传统冷能应用（例如建筑制冷，车辆热管理）相结合，其能源和成本节约已被广泛报道。有机类相变材料由于其性质稳定，腐蚀性小而受到较多关注。因此，本研究选用有机类相变材料。

在冷链技术方面，随着冷能的应用和需求日益增高，国内外已有研究者将相变蓄冷技术进行应用的尝试。Ahmed 等人利用石蜡基相变材料降低冷藏车的壁面漏热。研究表明，加入相变材料后，冷藏车壁面漏热峰值降低29.1%，冷藏车内日均漏热率降低16.3%；这表明相变蓄冷可以节约能耗并降低污染排放，另一方面车载制冷机的尺寸和重量可以减小，制冷机的使用寿命可以延长。李晓燕等通过总结国内外有关相变蓄冷技术在食品冷链领域种的应用，指出相变蓄冷技术是提高能源利用效率的有效手段，在冷链运输系统中具有广阔的应用前景。夏全刚等通过在箱体内添加复合相变材料，结果表明，添加相变材料后，冷藏箱内上海青的温升得以延缓。但集装箱作为通用和标准的集装器具，将相变蓄冷技术应用于冷链集装箱方面的报道还很少。

创新点及解决的问题

针对传统机械式冷藏集装箱能耗高、污染大、内部温湿度波动大的问题，本文研究开发了一种基于相变蓄冷的冷链集装箱技术，并研制和应用了一款40英尺蓄冷式保温集装箱。通过在蓄冷箱内安装10块蓄冷板，并利用蓄冷板内相变材料固-液相变时的吸热特性，实现为蓄冷箱内降温保冷的目的。通过独立的充冷装备，研究了蓄冷箱的充冷情况。在动态运输条件下，通过对箱内温度和湿度的测量和分析，得出蓄冷箱保冷时长及期间温湿度变化规律。研究发现，蓄冷箱的充冷时长为6小时，保冷时间长，内部相对湿度保持在85%-95%，相比传统机械式冷藏集装箱，运行能耗成本可节约61.9%，投资回报周期为0.58年。较高的相对湿度和较长的保冷时间，加之能耗成本方面的优势，体现了蓄冷箱在冷链，特别是针对果蔬等常温保鲜货物的冷链运输方面有极大的应用前景。

重点内容导读

本文基于相变材料的蓄冷技术应用于冷链集装箱，将10块装有有机相变材料的蓄冷板安装于40英尺保温集装箱内，并以无源释冷方式实现箱体的冷链运输。

蓄冷板在集装箱的布局示意图

The distributions of the TES plates inside the container

集装箱公路运输图

The photo of the road transport of the container

蓄冷箱经充冷完成后，在露天条件下经过装货并经公路运输，且运输过程中，因为中途收费站检查开门等原因造成箱内温度短暂的快速升高，但检查完毕后，可以看出箱内温度快速下降至保温温度要求范围内。整个动态运输过程中，箱内装有约10吨绿叶菜，货物初始温度为8-10℃，蓄冷箱在平均外部环境温度为20℃条件下，内部温度始终保持在10℃左右，实际运行距离874公里，运输时长为14小时。

   (a)

(b)

图7 动态条件下，载货蓄冷箱各部位温度随时间变化情况（1:下层，2:上层）

Fig.7 Time evolution of the temperature of the loaded TES container under dynamic conditions (1: lower layer, 2: upper layer).

经济性方面，蓄冷箱充冷过程消耗总电量为32 kWh，电费为35.2元，而同等条件下，机械式冷藏箱使用车载柴油发电机驱动消耗量为6.6 L，费用为92.4元。由此可得，蓄冷箱运行费用同比机械式冷藏箱下降了61.9%。按照蓄冷式集装箱年运行150天计算，蓄冷箱和传统柴油驱动冷藏箱的年运行费用分别约为23760元和9051元，年节约费用为14709元。蓄冷式集装箱制造增加的成本主要为相变材料的价格加上蓄冷板的价格减去传统柴油驱动冷藏箱制冷机的价格。经计算，以现有蓄冷箱和传统柴油驱动冷藏箱进行对比，蓄冷箱制造成本高8433元，按照上述年节约费用为14709元，则蓄冷箱回报年限为0.58年。