《RENEWABLE & SUSTAINABLE ENERGY REVIEWS》：Phase change materials for low-temperature cold chain logistics: Advances, challenges, and eco-friendly solutions
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相变材料在冷链物流中的应用及挑战分析，探讨其热物理特性、系统优化策略及可持续解决方案。
Muhammad Shahzad|Rawaid Ali|Ming Li
中国云南省昆明市云南师范大学太阳能研究所，邮编650500
摘要
冷链在储存和运输过程中对保持温度敏感产品的质量和安全至关重要。然而，传统的柴油驱动的蒸汽压缩制冷系统在冷链物流中存在高能耗、环境污染和运营成本等问题。近年来，相变材料作为一种有前景的替代方案出现，有望提高能源效率并减少冷链储存中的排放。本综述全面概述了专为低温冷链物流设计的基于相变材料的储存技术，讨论了相变材料的分类和热物理特性，包括熔化潜热、导热性、过冷度、腐蚀性和易燃性。同时，还批判性地分析了使用相变材料时面临的关键挑战，如热性能、材料兼容性和成本，并提出了相应的缓解策略。此外，综述还重点介绍了在各种冷链设备中选择和集成相变材料的最新进展。最后，提出了未来研究方向，以加速基于相变材料的解决方案在可持续冷链物流中的开发和商业化。
引言
冷链物流通过在整个供应链中确保受控的环境条件，对维持温度敏感产品的安全和质量起着关键作用[1]。在食品安全和公共卫生至关重要的时代，冷链技术对于保持易腐食品的完整性和保质期至关重要[2]。暴露在高温下会加速微生物生长和变质，从而影响产品安全、营养价值和消费者信任。因此，需要有效的冷链系统来防止质量下降，确保食品在储存和运输过程中保持新鲜、安全和可食用。然而，维持冷链系统的低温需要大量的能源消耗，这对能源效率和环境可持续性构成了挑战[2]。为了解决这一问题，研究人员正在探索创新解决方案，以平衡食品安全、运营可靠性和生态责任。其中最有前景的进展之一是集成相变材料，这些材料通过吸收和释放相变过程中的潜热来实现被动热调节。相变材料越来越多地应用于冷链储存和食品分配中，以节省能源并稳定温度波动。这些材料具有多个优势，包括减少对主动冷却系统的依赖、提高热稳定性，以及在停电期间支持制冷连续性的潜力。例如，在食品物流中使用的含有相变材料的包装和冷链储存系统在实验环境中显示出高达56–58%的节能效果[[3], [4], [5]]。然而，这些节能效果的程度取决于边界条件，如环境温度、负载质量和绝缘层厚度（图1）。在昼夜温差较大的气候条件下，相变材料的冷却潜力尤为显著，因为可以充分利用其相变范围。尽管有这些优势，相变材料仍存在一些限制，如相变焓较低、过冷效应以及熔融状态下的泄漏问题，这限制了它们在大规模冷链系统中的广泛应用[6,7]。同样，热负载质量（例如冷链应用中的储存货物）也会显著影响相变材料的充放电动态，较大的热质量需要更长的固化时间，可能会降低实际效率[8]。此外，绝缘层厚度决定了被动热阻和主动相变材料缓冲之间的平衡：绝缘不足会增加热量吸收并加速相变材料的消耗，而过度绝缘则可能通过减少热流来限制相变材料的作用[9]。因此，必须根据具体的操作参数评估所报告的节能效果的普遍性，并需要标准化测试协议来比较不同集成相变材料系统的性能。
基于盐水的相变凝胶的最新发展为解决这些挑战提供了有希望的方案。通过使用超吸水性聚合物（SAP）网络来保持共晶盐水溶液，研究人员提高了相变材料的稳定性，并通过静电吸附和氢键交联等机制防止了泄漏[10]。特别是氯化钾（KCl）和氯化铵（NH4Cl）的共晶混合物，其相变温度为-21°C，在运输冷冻水产品方面显示出巨大潜力。这些配方符合相关法规标准，例如中国的GB/T 31080-2014指南，该指南规定冷冻水产品必须保持在-18°C或更低温度，运输过程中的最大允许升温为-15°C。低温相变材料在冷链物流中的应用正在迅速扩展，用于储存和运输食品、饮料和水果等易腐货物。它们能够在减少能源使用的同时保持稳定的温度，非常适合可持续的冷链运营。
然而，要充分发挥其潜力，还需要解决材料兼容性、系统集成、激活控制以及符合环境和法规标准等挑战。图2a和b显示，下一代先进相变材料的研究仍处于早期阶段，但在解决传统相变材料面临的许多限制方面显示出巨大潜力，尤其是在低温应用方面。先进相变材料在提高冷链物流的效率和可靠性方面发挥着关键作用。
如图3所示，有机相变材料、无机相变材料和共晶相变材料的集成解决了冷链储存和运输过程中常见的多个问题，包括低导热性、泄漏、过冷和相分离。该图还展示了相变材料在保存新鲜食品（如饮料、乳制品和药品）方面的应用，强调了-5°C至20°C之间的温度调节的重要性。此外，节能运输系统和模块化箱式设计进一步补充了基于相变材料的策略，确保了整个供应链中的产品稳定性。
本综述全面探讨了低温相变材料在冷链物流中的实际应用，重点关注冷藏仓库和移动式冷链储存单元。研究结果旨在建立对基于相变材料的储存技术的基本理解及其对现代物流的变革性影响。通过展示其能源效率、热可靠性和可持续性优势，本研究支持冷链系统向更具气候适应性和经济可行性的解决方案发展。
章节片段
冷链储存技术中的相变材料
用于冷链储存系统的相变材料表现出出色的储能能力，引起了全球科学家（包括国内研究人员）的广泛关注。如今，冷链物流广泛采用集成到冷链储存技术中的相变材料，用于低温仓库应用。相变材料成功解决了传统冷链储存方法在使用水和冰时面临的温度维持问题
冷链储存中相变材料技术的挑战与前景
本节讨论了过去和现在在冷链储存中使用相变材料的实际困难。这部分分为两个主要小节，分别介绍了问题及研究人员为解决这些问题所采用的方法，包括材料制备和优化技术。所有用于冷链储存应用的相变材料都面临类似的挑战
结论
相变材料在维持冷链物流中的温度稳定性方面发挥着关键作用，确保了食品、饮料和药品等易腐产品的新鲜度和安全性。通过在相变过程中吸收和释放潜热，相变材料减少了对外部制冷系统的依赖，降低了能源消耗、运营成本和温室气体排放。它们的应用涵盖了冷链的所有阶段
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
本工作得到了云南西南联合研究生院科技专项项目——基础研究与应用基础研究重大项目（202502AO070004）的财政支持。
