互聯(lián)網(wǎng)+共享保溫存儲系統(tǒng)的研究

杜蕊　王小建　李麗晶

隨著人們對生鮮物流的要求越來越高，冷鏈物流的最后100米問題成為生鮮產(chǎn)品銷售的重要環(huán)節(jié)。目前大部分物流企業(yè)沒有采取特殊保鮮措施，僅靠銷售商使用“保溫箱+制冷劑”的包裝為生鮮品保鮮。目前順豐速運會對保鮮要求高的產(chǎn)品，采用外加泡沫保溫箱的辦法進行二次保溫。但是，外加的泡沫箱也只能做到保溫而無法降溫。同時，上班族便當?shù)谋ｕr和加熱也成了各個公司提高員工幸福指數(shù)必須要解決的問題，外賣業(yè)迅猛發(fā)展也使保溫存儲產(chǎn)生了很大的市場空間。針對這些問題，我們經(jīng)過了兩個階段的系列研究，最終提出了“真空絕熱板+半導體制冷片”為核心的恒溫存儲節(jié)能系統(tǒng)。

一、制冷、加熱方法和保溫材料的研究

制冷方法的選擇上，本項目研究的第一階段主要對國內(nèi)外當前主流的制冷劑進行調(diào)研和對比。當前，國內(nèi)不少的制冷設(shè)備還在使用典型HCFCs制冷劑R22（二氟一氯甲烷），此制冷劑雖對生物無毒無害，但對臭氧層有很大危害，已經(jīng)被《蒙特利爾議定書》國際公約列為需加速淘汰的制冷劑之一。因此，選用了對環(huán)境相對友好的HFCs制冷劑（R161），此制冷劑可以滿足環(huán)保要求，而且R161制冷劑在小型制冷裝置中的循環(huán)性能更具優(yōu)勢；本項目研究的第二階段研究團隊發(fā)現(xiàn)了一種可以迅速制冷并且能夠回收利用制冷副產(chǎn)品（熱能）的器件——半導體制冷片，能量基本零損失，超出項目預(yù)期的節(jié)能效果，可以更好地為環(huán)境保護做出貢獻。

加熱方法的選擇上，本項目第一階段使用石墨烯加熱技術(shù)，此技術(shù)節(jié)能環(huán)保、加熱效率高、成本低、安全可靠、穩(wěn)定性強。石墨烯是一種由碳原子構(gòu)成的二維晶體，它作為一種新材料，具有出色的導電性、熱導性和力學性能，這幾年在市場上比較熱銷，是迄今為止熱導率最高的碳材料。石墨烯具有出色的導電性能、熱導性能和力學性能。石墨烯的本質(zhì)是涂層，需要搭配金屬加熱器和鋁片散熱器一起使用，目的是增強發(fā)熱體的散熱效果，使發(fā)熱體的發(fā)熱速度更快，石墨烯電熱膜具有制熱速度快、導熱均勻、壽命長等優(yōu)點。因石墨烯電熱膜工作時需要通電，恒溫系統(tǒng)提出一種安全性能高的石墨烯電熱膜智能溫控電路。簡單來說，石墨烯節(jié)能的主要原因有二，其一石墨烯具有高電熱轉(zhuǎn)化率，石墨烯電熱膜可以將電能的99%以上轉(zhuǎn)化為熱量，普通加熱產(chǎn)品只能將電能的70%左右轉(zhuǎn)化為熱量；其二是石墨烯電熱膜加熱速度快，可以在極短的時間內(nèi)迅速達到預(yù)設(shè)溫度，減少加熱過程中散熱的能量損失。第二階段發(fā)現(xiàn)了半導體制冷片，這一器件的發(fā)現(xiàn)可以一次性解決制冷和制熱的問題，是本系統(tǒng)理想的解決方案，經(jīng)過對比，最終確定選用此方案進行系統(tǒng)設(shè)計。

保溫材料的選擇上，本項目所用的保溫材料為真空絕熱板。真空絕熱板可以有效避免空氣對流引起的熱傳遞，使導熱系數(shù)大幅度降低。其主要由芯材、阻隔膜和吸氣劑構(gòu)成，通過提高板內(nèi)真空度和內(nèi)充芯層絕熱材料，達到減少對流和輻射換熱的效果。真空絕熱板具有高效保溫、尺寸穩(wěn)定、綠色環(huán)保等特點，主要用于工業(yè)領(lǐng)域（例如：冰箱、遠洋運輸冷藏箱等）和建筑領(lǐng)域（例如：歐洲高能效建筑、既有建筑節(jié)能改造項目等）。采用真空絕熱板隔熱，除了經(jīng)濟意義外，還能有效減輕保溫箱重量、增加保溫腔空間，更易實現(xiàn)質(zhì)輕、壁薄的效果，具有較大的技術(shù)經(jīng)濟意義。

二、節(jié)能方式的研究

本項目根據(jù)國家發(fā)改委2019年6月印發(fā)的《綠色高效制冷行動方案》，提出對標制冷產(chǎn)品能效一級能效指標水平，達到國際領(lǐng)先。項目研究的第二階段運用能量回收利用理念，將半導體制冷片制冷后產(chǎn)生的熱量用于加熱，同時實現(xiàn)高低溫的保溫；加之新型保溫材料的使用和保溫箱結(jié)構(gòu)的設(shè)計，最大限度減少能量損失，達到節(jié)能的目的。

根據(jù)機械式冷凍箱區(qū)隔的機制，提出“機械式冷凍箱區(qū)隔多溫共配模型”；根據(jù)蓄冷保溫箱的特性，提出“蓄冷式蓄熱式多溫共配模型”。綜合考慮多溫共配中產(chǎn)品的腐敗成本、時間窗的懲罰成本、配送車輛固定成本、能耗成本、路線成本等，構(gòu)建多溫共配的多目標函數(shù)；將仿真與優(yōu)化環(huán)節(jié)有機融合，對相關(guān)參數(shù)進行定義，優(yōu)化兩種多溫共配模型的最優(yōu)解。通過算例驗證機械式冷凍箱區(qū)隔多溫共配和蓄冷式蓄熱式多溫共配的改善程度，優(yōu)化多溫共配，將兩種組織形式進行成本對比分析。實例結(jié)果表明，相對于機械式冷凍區(qū)隔多溫共配，蓄冷式蓄熱式多溫共配模式在保溫、節(jié)能等方面有較明顯的效益優(yōu)勢。

三、系統(tǒng)方案的設(shè)計

互聯(lián)網(wǎng)+共享保溫存儲系統(tǒng)由半導體制冷片、保溫箱箱體、溫控系統(tǒng)、顯示系統(tǒng)、遠程控制系統(tǒng)組成。其中箱體劃分冷、熱2個區(qū)域：蓄冷區(qū)和蓄熱區(qū)，保溫的溫度可以通過面板和app遠程控制。半導體制冷片，是一種新型節(jié)能制冷設(shè)備，它的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)緊湊、能耗低、不使用制冷劑、沒有滑動部件，應(yīng)用在一些空間受到限制、可靠性要求高的場合，其無制冷劑污染是理想的環(huán)保制冷方法。利用半導體材料的Peltier效應(yīng)，當直流電通過兩種不同半導體材料串聯(lián)成的電偶時，在電偶的兩端即可分別吸收熱量和放出熱量，可以實現(xiàn)制冷的目的，是一種產(chǎn)生負熱阻的制冷技術(shù)，其特點是無運動部件，可靠性較高。從而令保溫箱具備快遞柜、恒溫代保管，實現(xiàn)冷凍存儲、冷藏存儲、自制售賣散裝食用冰塊等功能。將半導體制冷片制冷產(chǎn)生的熱能收集應(yīng)用于另一個隔區(qū)的制熱，實現(xiàn)保溫和節(jié)能效果，同時制熱區(qū)域?qū)崿F(xiàn)保溫箱功能，使該系統(tǒng)具備適用于快遞柜、恒溫代保管，保溫存儲等功能。

最后通過設(shè)計軟件app，進行實地操作和遠程監(jiān)控，適應(yīng)用戶使用習慣的變化，滿足其使用需求，充分發(fā)揮自主研發(fā)技術(shù)優(yōu)勢進行個性定制。

四、系統(tǒng)特點總結(jié)

1.節(jié)能環(huán)保。本項目采用優(yōu)質(zhì)保溫材料，具有良好的保溫性能，利用半導體制冷片同時進行蓄冷蓄熱，即制冷的同時收集其產(chǎn)生的熱能進行利用。能夠大幅減少能源浪費，電能利用率最高可達近100%。同時，電子制冷片不需要制冷劑，使該恒溫系統(tǒng)具有良好的環(huán)保性，不會對環(huán)境造成污染。

2.高效便捷。采用半導體制冷片智能溫控設(shè)計，實現(xiàn)通過預(yù)設(shè)溫度和箱內(nèi)溫度比較，自動啟動半導體制冷片進行蓄冷蓄熱。該系統(tǒng)還具有快速加熱、快速制冷，重量小、移動靈活，遠程操作監(jiān)控方便等特點，能夠滿足更多用戶的需求。

3.安全可靠。本項目采用優(yōu)質(zhì)材料和先進技術(shù)，具有較高的安全性和可靠性。同時該系統(tǒng)還具有過熱保護、過流保護等功能，能夠確保設(shè)備的安全運行。

4.靈活多樣。本系統(tǒng)可以根據(jù)不同用戶的需求進行定制，滿足用戶的個性化需求。同時，該系統(tǒng)還具有多種控制方式，如遠程監(jiān)控溫度、手機APP操作等，方便用戶操作和管理。

5.易于維護。模塊化設(shè)計可自行更換半導體制冷片和電源，方便進行維護和保養(yǎng)。設(shè)備出現(xiàn)故障，恒溫箱自動關(guān)機保護，并向手機端發(fā)送報警提示信息，保護設(shè)備的同時提高了維護效率，降低了維護成本。

【參考文獻】

1.莫坤賢，戶外便攜式太陽能半導體制冷小冰箱設(shè)計，節(jié)能，2022，41（10）；

2.張雨浩 李權(quán) 何仁旺 劉天健 陳佳輝 一種循環(huán)水冷式半導體制冷箱的設(shè)計與實現(xiàn) 科技風. 2022（29）；

3.顏慶偉.基于二維填料微結(jié)構(gòu)/界面調(diào)控的高導熱復合材料制備及其熱管理性能研究[D].湖南大學，2021.

4.虞茹芳 洪興華 祝成炎 金子敏 萬軍民 還原氧化石墨烯涂層織物的電加熱性能 紡織學報. 2021，42（10）；

5.史琳 安青松 戴曉業(yè) 閆若雪 論我國受控制冷劑銷毀的緊迫性及潛在新技術(shù)開發(fā)的重要性 制冷與空調(diào). 2021，21（07）

6.劉玉峰 飛機配餐小型冷庫保鮮技術(shù)與節(jié)能方式 冷藏技術(shù). 2022，45（03）；

7.張敏 景傳峰 高建華 金曉平 舒麟 鐵路機械冷藏車運輸果蔬的理論與實踐 冷藏技術(shù). 2022，45（01）。

基金項目：2022 年度河北省高等學?？茖W技術(shù)研究自籌經(jīng)費項目“互聯(lián)網(wǎng)十共享保溫存儲系統(tǒng)的研究”（項目編號：ZC2022062）。