相变储冷技术在食品冷链物流中的应用

张茜茜

（洛阳科技职业学院电子商务学院，河南 洛阳 471003）

相变储冷技术利用物质材料在相变过程中能够吸收或释放大量热能的特性，来储存或释放冷量。当电力信号处于低谷供应状态时，相变材料吸收热量并将其转化为固态形式，以便于相变蓄热器对其进行长期存储；当电力信号处于高峰供应状态时，相变材料则快速释放已被存储的冷量[1]。这种新型技术手段在冷链物流运输中具有极为可观的发展前景，例如利用集热储热装备实施对无源冷链箱的充冷，以便于长距离运输的蔬果能够一直保持冷鲜状态。基于上述背景，针对相变储冷技术在食品冷链物流中的应用展开研究。

1 相变储冷技术概述

1.1 技术方法分类

相变储冷技术是一种特殊的储能手段。在冷能使用的低峰时段，变电设备对冷能进行存储，并在冷能使用的高峰时段将其输出，以达到对能量消耗的平衡处理。现有相变储冷技术主要包括显冷储能技术、潜冷储能技术、冷化学储能技术。显冷储能技术随着温度变化而放出或吸收热量；潜冷储能技术就是通过激发冷能潜在能力达到供应能量的目的；冷化学储能技术主要基于可逆的冷化学反应，物质在化学反应过程中，大量吸收或放出热量。具体的相变储冷技术分类情况如图1所示。

图1 相变储冷技术分类Fig.1 Classification of phase change cold storage technology

不同于其他类型的储能方法，相变储冷技术以冷能资源作为存储对象，因此其所有相变反应只能在低温环境下进行，这就意味着为保证该项储能技术的顺利实施，无论是进行可逆冷化学反应还是进行冷能激发时，都要确保储能系统处于低温环境之中。

1.2 相变储冷技术内涵

相变储冷技术的内涵离不开能量的相互转化。在食品冷链物流中，低温储能系统提供大量冷能信号，且其温度水平极低。随着运输时间的延长，冷能信号温度不断提升，其所存储能量被释放出来，一部分用于提供保鲜食品所需冷能，另一部分用于维持物流运输环境的低温状态[2]。

相变储冷过程中，能量的相互转化关系参考式(1)：

式中，Wmax表示冷能供应效率的最大取值，t表示供冷时长，β表示冷能释放系数，ΔE表示单位时间内所释放的冷能信号总量，ŷ表示相变储冷技术的供冷特性，ϕ表示能量转化系数。由冷能信号到储能资源的转化，意味着能量形式发生了改变，此行为过程必然使低温储能系统中的实时储能量发生改变，因此相变储冷技术的实施，必然伴随着能源信号存储量的改变。

1.3 低温储能系统

低温储能系统是基于相变储冷技术的储能系统，所设计的储能结构，可以提供食品冷链物流所需的能量资源，并可以将外界能量收集起来，并转化为低温储能信号。液冷管的温度较低，负责对低温储能系统所收集的外界能量进行低温转化。导热硅胶垫片具有一定的隔热能力，可将液冷管与外界环境隔绝开来，以避免因温度改变，而造成储能资源的损失[3]。电芯的电力感应能力较强，可将存储起来的冷能信号，以电能资源的形式供给食品冷链物流使用。

低温储能系统主要功能设备的结构模型如图2所示。

图2 低温储能系统主要功能设备的结构模型Fig.2 Structural model of the main functional equipment of the low-temperature energy storage system

在相变储冷技术的作用下，低温储能系统可以源源不断地将外界能量转化为冷能存储信号，所以利用该项技术对食品冷链物流进行供能，不会出现供能中断的情况。

2 相变储冷技术在食品冷链物流中的应用

2.1 提高储能效率

选择合理相变材料是相变储冷技术的应用核心，其性能与质量水平都会对储能效率产生严重影响。在食品冷链物流中，要选择优质的相变材料，来保证相变温度的稳定性，从而在大量存储冷能资源的同时，确保低温储能系统可对物流体系提供稳定的能量供应[4]。要提高相变储冷技术的能量转化效率，可在相变材料、换热器等多个方面进行优化，具体实施方法如表1所示。

表1 提高相变储冷技术储能效率的方法Table 1 Methods for improving energy storage efficiency of phase change cold storage technology

对于食品冷链物流运输而言，提高相变储冷技术的储能效率，既可以保障冷链食品的运输安全性，也可以实现对相变供能总量的有效控制。

2.2 保障储能安全性

相变储冷技术的应用应确保低温储能系统具有良好的密封性能，一方面防止外界水蒸气与杂质进入系统，从而影响相变材料的储能性能，另一方面也要对储能系统的密封安全性进行定期检查，以确保及时发现泄漏问题等安全隐患。

温度是相变储冷技术最为关键的控制参数。为确保储能安全性，可以加装温度传感器等敏感性温控设备。当储能温度超过安全范围时，应采取一定措施切断低温储能系统的储能行为，以避免因温度过高使相变材料发生分解，从而造成不必要的能源浪费问题。

3 结论与展望

在食品冷链物流中，相变储冷技术具有诸多应用优势。本文在深入研究相变储冷技术的基础上，探讨了其在食品冷链物流中的应用，并得出如下结论。

（1）相变储冷技术能够较好解决冷链物流中的温度波动问题，利用相变储冷材料的相变过程，可以在较小温度范围内完成对热量的释放和吸收，从而使得运输温度的稳定性得到保障。

（2）相变储冷技术的节能减排潜力较强，相较于传统的食品冷藏方式，相变储冷材料减少了对外部电量的依赖，在控制碳排放与降低能源消耗量方面具有突出作用价值。

（3）未来相变储冷技术的发展应以注重智能化为主要方向，通过与传感器、物联网等技术手段相结合，既可以实现对食品冷链物流的智能调控与远程监控，也可以提高整个物流系统的运行效率与可靠性。