冷鏈技術(shù)簡介
——第Ⅲ部分 商用、專用及家用制冷設(shè)備

Judith EVANS（著）

（倫敦南岸大學(xué)，英國布里斯托爾 BS405DU）

邵月月**，范薇，王亞薇，田甜（譯）

（中國制冷學(xué)會，北京 100142）

0 引言

全球在食品冷鏈相關(guān)設(shè)備上的投資巨大。制冷作為食品供應(yīng)鏈中耗能最高的技術(shù)為全球帶來了大量與可持續(xù)發(fā)展相關(guān)的挑戰(zhàn)。在食品工業(yè)，制冷所用電能約占總消耗的35%。冷鏈通過直接或間接效應(yīng)排放的溫室氣體量約占全球的2.5%。

1 商用、專用和家用制冷設(shè)備概述

商用、專用和家用制冷設(shè)備一般用于商超消費者購買食品的區(qū)域和終端用戶。在超市、便利店、酒吧、餐館等區(qū)域，通常使用耗電量低于3 kW 的小型自攜冷凝機組制冷陳列柜、展示柜或遠(yuǎn)置冷凝機組大型集中制冷設(shè)備。自動售貨機、冷水機、自動飲水機和小型制冷陳列柜也屬于商用制冷設(shè)備。專用制冷設(shè)備一般應(yīng)用于餐館、咖啡廳和快餐店，用以存儲未被消費的原材料。有時超市也使用專用冷柜，通常放置在熟食店的陳列柜后，用來儲存食物。專用制冷設(shè)備大部分是用于儲存食品（冷藏或冷凍）的冷柜，也包括冷卻機和速凍機。絕大多數(shù)零售用制冷廚柜多為自攜冷凝機組冷柜，也有遠(yuǎn)置冷凝機組冷柜。在制藥領(lǐng)域還有專用的疫苗/血液/血漿制冷設(shè)備。家用制冷設(shè)備用于消費者在家中儲存冷藏或冷凍食物。家用冰箱幾乎均采用自攜冷凝機組的制冷系統(tǒng)，其耗電量約為20～150 W。

2 存在的問題及市場趨勢

2.1 溫度性能

溫度是控制食品品質(zhì)和食品中細(xì)菌生長的主要因素。通常情況下，較低的溫度可以延長食品貯藏時間，冷凍食品的最低存儲溫度取決于食品的初始冰點或發(fā)生冷害的溫度。

2.1.1 餐飲場所的溫度控制

餐飲場所溫度控制的相關(guān)資料有限。目前，歐洲已開始實施立法來限制專用冷柜的最高溫度和能耗情況。根據(jù)生態(tài)設(shè)計（指令2009/125/EC）和能效標(biāo)識（指令2010/30/EU）的指標(biāo)，除滿足條件（實驗室30 ℃的環(huán)境溫度下進(jìn)行測試時，冷藏專用冷柜的內(nèi)部溫度在-1～5 ℃，冷凍專用冷柜最高溫度低于-15 ℃）的產(chǎn)品外，其余產(chǎn)品一律不能在歐洲銷售。

2.1.2 零售超市的溫度控制

零售超市中冷柜的溫度由食品安全法規(guī)、標(biāo)準(zhǔn)和超市自身規(guī)范確定。然而冷柜在實際工作中常出現(xiàn)推薦溫度與工作溫度存在差異的情況。該情況可能是由于控制溫度的探頭位置移動、冷柜設(shè)置變化或冷柜使用變化造成的。除家庭環(huán)節(jié)外，零售陳列是食品冷藏鏈中最薄弱的環(huán)節(jié)。DERENS 等[1]發(fā)現(xiàn)，一旦食品進(jìn)入超市，溫度低于4 ℃（用于肉類）或6 ℃（用于酸奶）的樣本數(shù)量低于70%。采購回家途中，這一比例進(jìn)一步降低到16%，回家后這一比例僅恢復(fù)到34%。英國的一項研究發(fā)現(xiàn)，超市里多層冷藏柜中食品的平均溫度差異很大，其溫度變化范圍在-1～16 ℃[2]。這一溫度范圍給食品制造商在定義商品保質(zhì)期時帶來問題，可導(dǎo)致保質(zhì)期過于謹(jǐn)慎或存在潛在的食品安全風(fēng)險。自攜冷凝機組冷柜也經(jīng)常存在溫度波動范圍較大的問題，并且柜內(nèi)不同位置也會存在溫度變化[3-4]。在相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中，允許其內(nèi)部溫度在小范圍波動，其中允許溫度范圍為6～8 ℃甚至高達(dá)11 ℃。

2.1.3 家用冰箱的溫度控制

家庭食品保鮮的溫度控制十分重要。有數(shù)據(jù)表明，70%以上食物中毒的病例來源于家庭。當(dāng)食品存儲條件不佳時，則會導(dǎo)致病原微生物快速生長。

在過去的10年中，對家用冰箱內(nèi)部溫度的調(diào)查至少進(jìn)行了15 次，結(jié)果非常相似，其內(nèi)部平均溫度為4.5～6.6 ℃，最高溫度為11～14 ℃。這項結(jié)果表明，至少有50 %以上的家用冰箱平均溫度高于4.5 ℃。最近在對英國671 臺家用冰箱的溫度調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，冰箱的平均內(nèi)部溫度為5.3 ℃。其中，最高平均溫度為14.3 ℃，最低平均溫度為-4.1 ℃。調(diào)查的745 臺速凍機的平均溫度為-20.3 ℃。

2.2 能源消耗

2.2.1 餐飲業(yè)的能耗

餐飲業(yè)制冷設(shè)備能耗占該行業(yè)能耗的12%。冷藏柜的平均能耗為每年2,920 kW·h，冷凍柜的平均能耗為5,475 kW·h。目前關(guān)于專用冷柜實際使用能耗公開數(shù)據(jù)較少。從未公開實際使用數(shù)據(jù)來看，不同冷柜的能耗差異較大。相同型號的冷柜放置在不同的位置所消耗的能量也有很大的差異，這可能是由于使用的不同、局部條件不同（如環(huán)境溫度、通風(fēng)情況或靠近散熱電器）所致。

2.2.2 零售超市的能耗

在超市能耗中制冷設(shè)備能耗占比最大。超市能耗取決于商業(yè)活動、商店形式、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、購物活動以及用于店內(nèi)食物制備、保存和展示的設(shè)備。超市每年單位面積所消耗的電能從大型超市的700(kW·h)/m2到便利店的2,000(kW·h)/m2之間大幅度變化，其中制冷設(shè)備用電量占總用電量的30%～60%，照明用電量占15%～25%，剩余部分為暖通空調(diào)設(shè)備和其他公用設(shè)備用電量。天然氣通常用于取暖、生產(chǎn)生活熱水，在某些情況下還用于烹飪和烘焙。在不使用天然氣的加油站小型超市里，天然氣的使用量為零，而在大型超市中天然氣的使用每年超過250(kW·h)/m2。TASSOU 等[5]研究了不同規(guī)模超市的能源使用情況，在便利店中，自攜冷凝機組制冷設(shè)備平均電能消耗比遠(yuǎn)置冷凝機組制冷設(shè)備高出約300(kW·h)/m2。EVANS 等[4]在對市面上冷柜進(jìn)行EN23953 和EN441 測試研究中發(fā)現(xiàn)，不同類型冷柜之間以及同種冷柜之間的能耗均存在較大差異。通過在每一種類型冷柜中選擇最佳型號，并研究降低冷柜溫度范圍的方法，可以實現(xiàn)大量節(jié)能。在超市中還有許多降低能耗的方法，EVANS 等[6]研究了81 種不同的技術(shù)在超市中直接和間接減排方面的潛力。其中大部分節(jié)能措施可以應(yīng)用于已安裝的冷柜上，包括冷柜門、帶狀簾、導(dǎo)流板/導(dǎo)向裝置（均在敞開式機柜上）和改進(jìn)的風(fēng)扇。對于新冷柜還提供其他選擇，例如使用高效蒸發(fā)器和微通道換熱器優(yōu)化冷柜中的氣流。

2.2.3 家用冰箱的能耗

自1995年歐洲實施能效標(biāo)識以來，制造商一直致力于減少家用冰箱和冷柜的能耗。由于能源使用情況的評估是能效標(biāo)識的一部分，因此關(guān)于歐洲家用冰箱在測試條件下的能源使用情況存在大量資料。但因為測試均在密閉環(huán)境中進(jìn)行，所以不能完全仿照現(xiàn)實生活中的能源使用情況。英國一項關(guān)于冰箱的研究[1]共收集了665 臺冰箱的能耗數(shù)據(jù)，以7 d 為監(jiān)測周期計算，其全年平均能耗為354 kW·h。雖然家用冰箱的能效已得到改善，但仍可通過使用高效隔熱材料、改善壓縮機效率、優(yōu)化制冷系統(tǒng)的運行/控制以及改善熱交換器來降低能耗。

2.3 制冷劑（直接）泄漏

2.3.1 餐飲場所的制冷劑泄漏

餐飲用冷柜直接泄漏制冷劑的數(shù)據(jù)較少。但它可能與家用制冷設(shè)備相似，因為兩者的生產(chǎn)技術(shù)相近。有學(xué)者研究了1996—2002年德國商用制冷設(shè)備中HFC 類制冷劑的泄漏率調(diào)查結(jié)果中估計的餐飲冷柜制冷劑泄漏率為1.5%，與IPCC（政府氣候變化專門委員會）的估算值0.5%～3%相似。

2.3.2 零售超市中的制冷劑泄漏

在較大的遠(yuǎn)置冷凝機組制冷系統(tǒng)中（集中式制冷系統(tǒng)），制冷劑的直接泄漏會產(chǎn)生很大的影響。泄漏主要為HCFC 類和HFC 類制冷劑的泄漏。超市中制冷劑的泄漏情況差異較大。在工業(yè)化國家，自攜冷凝機組制冷設(shè)備的泄漏量極小（每年低于1%），而遠(yuǎn)置冷凝機組制冷設(shè)備的泄漏量較大，最佳情況為每年3%，最壞情況為每年20%～30%。研究表明通過改善管理、系統(tǒng)及技術(shù)或?qū)Σ僮鲉T和維護(hù)團(tuán)隊進(jìn)行更好的技能培訓(xùn)和資格認(rèn)證可將泄漏率降至較低水平。減少超市制冷劑直接泄漏的方法較多，EVANS 等[6]研究表明，通過減少制冷劑充注量、按照制冷工程規(guī)范、應(yīng)用低全球變暖潛能值（Global Warming Potential，GWP）制冷劑等可以顯著實現(xiàn)節(jié)能。為了持續(xù)減少制冷劑泄漏，要更準(zhǔn)確地了解系統(tǒng)泄漏的位置及原因。良好的維修記錄可以幫助操作員實現(xiàn)對高風(fēng)險區(qū)域和組件的快速識別，并判斷維護(hù)工作的先后次序。

2.3.3 家用冰箱的制冷劑泄漏

相關(guān)數(shù)據(jù)表明，家用冰箱中的制冷劑泄漏率極低（每年小于1%）。有學(xué)者在假設(shè)制冷劑在設(shè)備停用時被移除的前提下，研究了1996—2002年德國家用冰箱中的HFC 類制冷劑的泄漏率為0.3%，與IPCC 的估算值0.1%～0.5%相似。對于發(fā)展中國家，道路條件較差可能導(dǎo)致管道破裂、斷開，及存在缺乏監(jiān)管、維修不善，所以泄漏率更高。據(jù)估計，發(fā)展中國家，在設(shè)備使用壽命內(nèi)的泄漏率約為27%。

3 當(dāng)前使用的制冷劑和潛在的替代品

3.1 餐飲業(yè)用制冷劑

餐飲冷柜傳統(tǒng)上常用HFC 類制冷劑。最近許多 制造商開始改用R290（丙烷），R290 的GWP較低，且是一種高效的替代品。

3.2 超市用制冷劑

目前，超市用制冷劑中R744（CO2）和HC 類制冷劑的使用量正在增加，但目前超市制冷系統(tǒng)仍以HCFC 類和HFC 類制冷劑為主。在北歐國家，超市通常使用替代系統(tǒng)（如間接制冷系統(tǒng)）。在間接制冷系統(tǒng)中，載冷劑（如乙二醇）通過一次制冷系統(tǒng)冷卻，再用泵送到冷柜中。其他系統(tǒng)包括使用水來冷卻自攜式冷柜的冷凝器，或者在機房制造冷空氣來直接冷卻陳列柜（僅限冷藏柜）。

3.3 家用冰箱用制冷劑

35%～40%的家用冰箱使用 R600a 制冷劑，R600a 是一種GWP 為3 的HC 類制冷劑。R600a易燃，但是一種高效的制冷劑[7]。一般情況下，采用HC 類制冷劑的冰箱在充注制冷劑之前均要進(jìn)行氦泄漏測試。事實證明，該測試具有較高的可靠性，冰箱在消費者家中幾乎不存在制冷劑泄漏的情況。歐洲、日本和中國的制造商均主要生產(chǎn)以R600a 為制冷劑的冰箱，該項技術(shù)在歐洲、日本和中國市場占據(jù)主導(dǎo)地位。2010年，技術(shù)和經(jīng)濟(jì)評估小組的進(jìn)展報告中顯示，預(yù)計10年后全球生產(chǎn)的新冰箱中至少75%使用HC 制冷劑。

4 發(fā)展前景與挑戰(zhàn)

4.1 專用制冷

在過去的20年里，專用冷柜的基本設(shè)計幾乎沒有變化，效率仍然沒有得到大幅提高。由于用戶更在意的是冷柜采購成本，而非生命期成本，因此制造商難以采用費用較高的節(jié)能組件。雖然利用現(xiàn)有技術(shù)可以實現(xiàn)較大的能源節(jié)約，但主要問題是如何說服終端用戶購買最高效節(jié)能的冷柜。

4.2 商用制冷

超市冷柜通常可以通過使用密封門、條形簾或減少空氣滲透的技術(shù)實現(xiàn)節(jié)能[6]，而通過優(yōu)化蒸發(fā)器或使用新型蒸發(fā)器技術(shù)可以進(jìn)一步降低排放。同時應(yīng)用低GWP 的替代制冷劑在節(jié)能方面也具有較大潛力。而目前主要的挑戰(zhàn)是如何低成本應(yīng)用這些技術(shù)，讓對成本敏感的超市行業(yè)實現(xiàn)投資回報。

4.3 家用制冷設(shè)備

有數(shù)據(jù)表明，家用冰箱的實際溫度高于冰箱運行的最佳溫度。在過去的30年里，研究人員對家用冰箱的內(nèi)部溫度進(jìn)行了大量調(diào)查，發(fā)現(xiàn)實際生活中家用冰箱只有少數(shù)能夠以最佳狀態(tài)運行。自20世紀(jì)90年代，家用電器開始使用能效標(biāo)識以來，家用冰箱的能耗量大幅度降低。但還需達(dá)到更理想的溫度條件（一般認(rèn)為冷藏為0～5 ℃，冷凍低于-18 ℃），才能保障食品安全和品質(zhì)，從而減少食品浪費，降低碳排放。

5 技術(shù)挑戰(zhàn)和潛力

5.1 專用制冷設(shè)備

專用機組制冷設(shè)備性能的初步初始改進(jìn)相對簡單，涉及使用最好的組件和技術(shù)。有研究表明，通過對柜體專用制冷設(shè)備的改進(jìn)，可將冷藏設(shè)備能耗降低到原來的74%、速凍設(shè)備能耗降低到原來47%（冷藏能耗由每日6.26 kW·h 降至1.62 kW·h，速凍能耗由每日8.53 kW·h 降至4.54 kW·h）。通過更換制冷劑，使用節(jié)能組件，優(yōu)化加熱器、門封和控制系統(tǒng)，可以達(dá)到很好的節(jié)能效果。其中優(yōu)化門的密封性、使用直流風(fēng)扇以及利用壓縮機排出的高溫高壓氣體融化蒸發(fā)器表面上霜層是實現(xiàn)節(jié)能的基本措施。當(dāng)然未來還需要進(jìn)一步改進(jìn)才能達(dá)到“最佳”能效標(biāo)識。如采用變頻壓縮機、更優(yōu)的除霜方法、策略及先進(jìn)的控制系統(tǒng)，拆除墊片和抗冷凝加熱器，應(yīng)用內(nèi)螺紋管和先進(jìn)的絕緣技術(shù)。這些方法都將在未來的節(jié)能策略中發(fā)揮一定作用。

5.2 商用制冷設(shè)備

商用制冷領(lǐng)域的技術(shù)挑戰(zhàn)包括采用具有替代性的低GWP 制冷劑、在改善溫度控制的同時降低能耗等。然而許多挑戰(zhàn)不僅涉及技術(shù)問題，也涉及行為問題。例如，有人認(rèn)為，購物者和食品之間的取貨障礙可能會減少銷售量，因此超市不愿為面向消費者的冷柜安裝門。

5.3 家用制冷設(shè)備

與專用和商用冷柜相同，家用冰箱在降低能耗和溫度控制方面也存在技術(shù)挑戰(zhàn)。在過去的30年中，家用冰箱的能耗已大幅減少，但仍有進(jìn)一步降低的潛力，主要挑戰(zhàn)是如何經(jīng)濟(jì)地應(yīng)用新型技術(shù)。

5.4 總體性問題

目前還存在一些與商用、專用和家用制冷設(shè)備均相關(guān)的問題。針對許多具有極低GWP 的制冷劑存在易燃或高壓下運行的情況，設(shè)計者和技術(shù)人員在采用此類制冷劑前要充分了解其相關(guān)安全問題，并確保系統(tǒng)的設(shè)計和運行能夠確保最終用戶的安全。這通常涉及到安全標(biāo)準(zhǔn)及其應(yīng)用方面的知識和培訓(xùn)。

5.5 相關(guān)推動政策

歐盟生態(tài)設(shè)計指令（指令2009/125/EC）是一項框架指令，責(zé)令能源消耗產(chǎn)品的制造商降低產(chǎn)品能耗和整個產(chǎn)品生命期中產(chǎn)生的其他負(fù)面環(huán)境影響。該指令由能效標(biāo)識指令（指令2010/30/EU）補充而成，包含家用、專用電器兩方面。就家用電器而言，幾乎所有發(fā)達(dá)國家都適用類似的立法。

6 結(jié)論

商用、專用以及家用制冷設(shè)備應(yīng)用于冷鏈的后段，在此食物先被儲存后被食用。這些環(huán)節(jié)存在溫度維護(hù)不佳、能耗不易降低等問題。商用制冷設(shè)備還存在制冷劑排放量較高的問題，該問題主要與大量使用遠(yuǎn)置冷凝機組制冷系統(tǒng)有關(guān)。綜上所述，所有環(huán)節(jié)都有顯著降低能耗的潛力。