用于杂货配送的先进双温区相变材料(PCM)存储：基于数值模拟的参数化研究

《Journal of Energy Storage》：Advanced dual-zone PCM storage for grocery delivery: A numerical modelling based parametric study

　　

食品配送服务需求的日益增长突显了在运输过程中创新温度控制解决方案的必要性。本研究聚焦于应用相变材料(PCM)，通过集成数值与实验分析，创建一个用于食品配送的双温区存储系统。研究人员开发了一个经过验证的三维计算流体动力学(CFD)模型来评估其热性能。研究人员分析了三种食品配送场景：冷冻与冷藏（场景1）、冷冻与热食（场景2）以及冷藏与热食（场景3）的组合，并通过改变PCM布局、两个温区之间的PCM分配以及泡沫隔热材料进行优化。研究人员提出了经济性指标以评估成本与热效率。结果表明，PCM布局对系统性能有显著影响，布局2（PCM置于四面）为最佳PCM配置。隔热材料的导热系数被确定为一个关键因素，在场景1中，将其从0.2 W/(m·K)降至0.01 W/(m·K)可使阈值存储时间延长四倍以上，在19°C的环境温度下达到15.8小时。此外，在19°C环境温度和泡沫导热系数为0.03 W/(m·K)的条件下，两个温区之间的最佳PCM厚度比被发现为50% vs 150%，这提供了8.2小时的阈值存储时间。对于PCM厚度比为50% vs 150%且泡沫导热系数为0.03 W/(m·K)的场景3，最佳经济指标为3.2美元/小时。本研究展示了一种使用PCM的被动式多温区食品配送存储系统，为减少食物浪费和提高物流效率提供了一种可持续的解决方案。

**论文解读：《用于杂货配送的先进双温区相变材料(PCM)存储：基于数值模拟的参数化研究》**

**1. 研究背景与问题**

随着全球在线食品配送市场的迅猛增长，从2022年的3437亿美元预计到2032年将达1.3万亿美元，对食品供应链中温度控制的创新提出了迫切需求。传统的冷链系统通常只维持单一温度范围，但现代多元化的食品订单（如同时包含冷冻、冷藏和热食）要求实现多温区物流，即在同一配送系统内维持不同的温度区域。这在“最后一公里”配送中尤为复杂，因为交通延误和天气等外部因素会增加温度偏差的风险，导致食物浪费和安全隐患。相变材料(PCM)因其在相变过程中吸收或释放潜热以调节温度的特性，被认为是一种有前景的解决方案。然而，文献回顾表明，现有研究缺乏针对同一系统内多温区食品配送的专门研究，尤其是在利用PCM同时维持热区和冷区方面。因此，开发一种能够主动调节配送容器内热区和冷区的被动式、节能双温区系统，对于减少食物浪费、提高物流效率和系统可持续性至关重要。

**2. 研究工作与结论**
该研究论文发表在《Journal of Energy Storage》。

研究人员开展了一项全面的数值与实验研究，以探索一种用于多温区食品配送的新型双温区PCM存储系统。通过开发并验证一个三维计算流体动力学(CFD)模型，系统评估了不同PCM布局、隔热材料导热系数、PCM厚度分配以及环境温度对系统热性能的影响，并引入了经济性指标进行成本效益分析。研究结论表明：PCM布局是影响系统性能的关键，其中将PCM布置在容器的四面（布局2）能提供最佳的热性能。隔热材料的导热系数是主导系统效能的关键因素，将其从0.2 W/(m·K)降低至0.01 W/(m·K)可使所有测试场景的阈值存储时间延长两倍以上。在固定总PCM体积下，两个温区之间的最佳PCM厚度比并非固定值，而是高度依赖于环境温度。此外，经济性分析表明，通过优化PCM厚度比和隔热材料，可以在不同场景下获得最佳的成本效益。本研究为设计适应性强的、高效的多温区配送系统提供了实用框架，有助于减少食物浪费和能耗。

**3. 主要关键技术方法**

研究人员采用了以下主要关键技术方法：首先，基于ANSYS Design Modeller建立三维数值模型，并在ANSYS FLUENT中使用**计算流体动力学(CFD)** 软件进行**瞬态热分析**，模拟域内流体流动和传热。采用**焓-孔隙率技术**（enthalpy-porosity technique）模拟PCM的熔化/凝固过程。其次，通过搭建实验系统（使用Polar Dot Box隔热容器，PCM采用4.7 wt%盐水溶液和石蜡RT37）进行**实验验证**，将实验数据与仿真结果对比，最大平均相对误差为4.9%，从而验证了数值模型的准确性。最后，应用**参数化研究**方法，通过改变PCM布局、隔热材料导热系数、PCM厚度比和环境温度等关键参数，系统分析其对系统性能的影响，并引入**经济性评价指标**（阈值存储时间与成本之比）进行成本效益分析。样本来源为通用测试条件（AS 4474.1–2007和AS 1731.4–2003）定义的M-Pack。

**4. 研究结果**

**4.1. 验证结果(Validation results)**
通过与实验数据对比，所建立的CFD模型在模拟PCM和M-Pack温度方面表现出高度一致性，最大平均相对误差为4.9%，证实了模型的有效性，为后续参数研究提供了可靠基础。

**4.2. PCM的布局(Arrangement of PCMs)**
通过比较三种PCM布局（布局1、2、3）对冷区M-Pack最高温度和热区M-Pack最低温度（即“极值温度”）的影响，发现**布局2**（PCM位于四面墙）表现最佳，能最有效地降低冷区极值温度并提升热区极值温度，从而获得最长的阈值存储时间（3.5小时）。这是因为侧壁泡沫更薄，热传递速率更高，而布局2在侧壁布置了PCM，有效缓解了此问题。

**4.3. 不同隔热材料的比较(Comparison among different insulation materials)**
在三种食品配送场景下，降低泡沫隔热材料的导热系数均能显著延长阈值存储时间。对于场景1（冷冻与冷藏食品），当导热系数从0.2 W/(m·K)降至0.01 W/(m·K)时，阈值存储时间从3.8小时大幅延长至15.8小时。场景2（冷冻与热食）和场景3（冷藏与热食）的阈值时间也分别从3.4小时和3.8小时延长至7.7小时和9.2小时。结果表明，隔热性能是系统性能的支配性因素。

**4.4. 不同PCM厚度的比较(Comparison among different PCM thickness)**
在固定总PCM体积和泡沫导热系数为0.03 W/(m·K)的条件下，对于场景3，研究发现通过调整冷热两区的PCM厚度比可以平衡两区的存储时间。当PCM厚度比为**50% vs 150%**（热区厚度为冷区三倍）时，系统获得了最长的阈值存储时间，达到8.2小时，证明了在不增加总PCM用量或使用昂贵隔热材料的情况下优化系统性能的潜力。

**4.5. 环境温度(Ambient temperature)**
环境温度显著影响最佳PCM厚度比。在低温环境（10°C）下，系统性能受限于热区，将热区PCM厚度比增至175%可获得最长阈值存储时间（7.6小时）。在高温环境（30°C）下，冷区成为限制因素，等厚度比（100% vs 100%）效果最佳（8.1小时）。而在19°C下，50% vs 150%的厚度比为最优，这表明最佳PCM分配应随环境温度变化而调整。

**4.6. 成本分析(Cost analysis)**
经济性分析显示，大多数场景下，经济指标值随泡沫导热系数降低先减小后增大，存在一个最优经济点。对于场景1（100% vs 100%厚度比），最佳经济指标为4.0美元/小时（对应导热系数0.03 W/(m·K)）；场景2最佳经济指标为6.3美元/小时（对应0.05 W/(m·K)）；场景3通过采用50% vs 150%的PCM厚度比和0.03 W/(m·K)的泡沫，获得了最佳经济指标3.2美元/小时。总体而言，场景2（冷冻与热食相邻）的成本效益最差。

**5. 讨论与结论**

**讨论部分**总结指出，本研究系统性地评估了影响双温区PCM存储系统性能的关键参数。PCM布局、隔热材料导热系数、PCM厚度分配和环境温度之间相互作用，共同决定了系统的阈值存储时间。研究结果为设计适应不同环境条件的自适应多温区系统提供了重要指导。经济性分析表明，通过优化这些参数，可以在不显著增加成本的情况下提升系统性能，其中场景3（冷藏与热食）在成本效益上表现最佳。

**结论部分**翻译如下：

本研究对一种新型的、用于多温区食品配送的、带有PCM的双温区存储系统进行了全面的数值和实验研究。关键发现表明，系统性能对PCM布局敏感。在所研究的三种布局中，布局2表现出优越的性能，其冷区M-Pack的极值温度最低，而热区M-Pack的极值温度最高，从而使系统的阈值存储时间最大化。隔热材料的导热系数被确定为控制整个系统效能的主导因素。在所有测试场景中，将泡沫导热系数从0.2 W/(m·K)降至0.01 W/(m·K)导致阈值存储时间增加两倍以上。对于导热系数为0.01 W/(m·K)的泡沫，场景1、2和3的阈值存储时间分别为15.8小时、7.7小时和9.2小时。

对固定总PCM体积且泡沫导热系数为0.03 W/(m·K)下的PCM厚度比的研究表明，两个温区之间的最佳厚度比并非固定，而是高度依赖于环境温度。在寒冷环境（10°C）中，系统性能受限于热区，热区PCM厚度比为175%时可提供7.6小时的阈值存储时间。在温暖环境（30°C）中，冷区成为限制因素，等PCM厚度比（100% vs 100%）被证明最有效，阈值存储时间为8.1小时。而在19°C环境温度下，PCM厚度比为50% vs 150%时提供了最长的阈值存储时间，为8.2小时。

最后，进行了成本指标的经济性分析。在PCM厚度比为100% vs 100%时，导热系数为0.03 W/(m·K)的泡沫为场景1提供了最佳成本效益（4美元/小时），而导热系数为0.05 W/(m·K)的泡沫是场景2最经济的选择（6.3美元/小时）。场景3的最佳经济指标（3.2美元/小时）是通过使用50% vs 150%的PCM厚度比和导热系数为0.03 W/(m·K)的泡沫实现的。

需要指出的是，经济性分析基于研究时的材料成本，未来PCM或隔热材料价格波动可能影响成本效益结果。本研究为设计使用PCM的适应性、高效的多温区配送系统提供了实用框架，有助于实现减少食物浪费和能耗的目标。未来工作将聚焦于集成生物基PCM以增强可持续性，以及各种需要双温区存储解决方案的工业应用，如药品、易腐货物和实验室样品。为提高模型保真度，将致力于纳入各向异性材料属性并量化界面热阻。