二氧化碳制冷技術在農產品冷鏈物流保鮮中的應用研究進展

張德權，徐毓謙，寧靜紅，王德寶，侯成立，任 馳，黃彩燕，王 素

二氧化碳制冷技術在農產品冷鏈物流保鮮中的應用研究進展

張德權1，徐毓謙1，寧靜紅2，王德寶1，侯成立1，任 馳1，黃彩燕1，王 素1

（1. 中國農業科學院農產品加工研究所，農業農村部農產品質量安全收貯運管控重點實驗室，北京 100193；2. 天津商業大學天津市制冷技術重點實驗室，天津 300134）

隨著中國“雙碳”政策措施的逐步落地，綠色環保的新型制冷技術成為發展重點。二氧化碳（CO2/R744）作為無色、無味、無毒、不可燃的天然工質，具有熱穩定性好、單位容積制冷量高、全球溫室效應低的特點，是一種理想的傳統制冷劑替代品。CO2制冷技術逐步應用于農產品倉儲物流、制冰、空調等領域，但當前中國農產品倉儲物流過程普遍存在能耗高的突出問題，亟需研發綠色節能制冷技術。該文闡述了CO2制冷原理與發展歷程，并從制冷系統、制冷設備及相關配件的角度，深入分析了CO2制冷技術與壓縮機、換熱器、節流裝置等CO2制冷設備的國內外研發情況；綜述了CO2制冷技術在農產品儲存和運輸環節中的應用進展，提出了亟待解決不同工況下CO2制冷設備匹配度、低溫環境下CO2壓縮效率與液化效率等技術難點；基于中國農產品冷鏈物流最先一公里和最后一公里斷鏈的突出問題，建議加快研發適宜中國農產品冷鏈物流產業特點的CO2移動式冷庫和立體智能冷庫等設施設備，提高CO2制冷設備的可靠性、系統的穩定性，滿足不同冷鏈物流業態對CO2制冷技術的強勁需求。

農產品；保鮮；二氧化碳；制冷技術；冷鏈物流

0 引 言

中國是農產品生產與消費大國，據統計，農產品產后平均損失率高達15%～25%，是發達國家的3～5倍[1]；冷庫能耗年平均水平為131 kW·h/d，遠高于日本和英國的平均水平60 kW·h/d[2]，而冷鏈物流可最大限度保持農產品品質、降低產后損耗[3]。在碳中和與碳達峰的政策背景下，綠色、低碳發展已成為中國冷鏈物流行業發展的主要趨勢，新型低碳制冷技術的研發與應用成為社會各界關注的焦點[3]。

制冷是利用人工方法，在一定時間內從一個物體或系統中移去熱量而使其低于周圍環境溫度并維持低溫的過程[4]。隨著科技的發展，制冷技術日趨成熟，已深入到人類生活、商業制造、工農業生產、生物醫學和科學研究等各個領域，其中在冷凍冷藏[5]、調節生活環境溫度等方面應用最為廣泛[4]。早期制冷劑主要包括氟氯烷烴（chlorofluorocarbon，CFC）類、氫氟氯烴（hydrochlorofluorocarbon，HCFC）類和氫氟烴（hydrofluorocarbon，HFC）類物質[6]，易造成臭氧層破壞，加劇溫室效應[7]。二氧化碳（CO2）作為一種天然制冷工質（編號R744），具有無毒、不破壞臭氧層、安全環保等優點。其制冷效率（coefficient of performance，COP）高于其他制冷劑，0 ℃時單位制冷量比常規制冷劑高5～8倍，制冷能效可提升30%，是理想的傳統制冷劑替代品。

預習是學習的一個重要環節，養成預習的習慣，重視預習工作，對于數學學習十分重要。經過調研，我們得出一個結論，凡是預習工作做得好的學生，成績都會相對出色，凡是預習工作做得不好的學生，成績一般都不會太突出。因此，在教學過程中，我們應該注重培養學生預習習慣的養成。

新課程改革全面推行素質教育，使學生的發展更為全面。政治是對學生進行德育培養的重要學科，是促進學生全面發展的一部分。高中時期的學生正處在思想與身體發展的關鍵時期，高中政治不僅是學生高考的重要學科，還是學生思維發展的指明燈。高中政治所涉范圍廣泛，不僅涵蓋經濟、文化，還涉及一定的政治與哲學知識，使學生具備一定的宏觀視野，學會辯證的思維方式，對學生的成長具有很大的影響。我們必須重視高中政治的作用，才能夠更好地使學生的發展全面、徹底，真正實現政治教育的目的。

目前，世界各國都在積極推動CO2制冷技術相關標準與規范的起草，旨在推動其在工業、商業等方面的應用[8]。當前，中國農產品倉儲物流過程中普遍存在能耗高、成本高的問題，一定程度上制約了農產品產地低溫處理和冷鏈物流流通，而CO2制冷技術為農產品冷鏈物流保鮮提供了新的選擇[9]。本文闡述了CO2制冷原理與發展歷程，介紹了CO2制冷技術與制冷設備的國內外研發情況，綜述了CO2制冷技術在農產品儲存和運輸環節中的應用進展，分析了現階段CO2制冷技術在農產品冷鏈物流中應用的技術難點，并對CO2制冷技術在農產品冷鏈物流領域應用前景進行展望，以期為CO2制冷技術在農產品冷鏈物流保鮮領域應用提供技術支撐。

1 CO2制冷技術概述

1.1 CO2制冷原理

CO2（R744）在常溫常壓下為氣態，臨界溫度和壓力分別為304.13 K和7.377 MPa。在加壓和冷卻條件下可凝結成液體或固體。當壓力撤銷后迅速蒸發（升華），帶走大量熱量，達到降溫目的。

1.2 CO2制冷劑的特點

CO2作為一種天然工質，臭氧消耗潛值（ozone depletion potential，ODP）為0，全球變暖潛值（global warming potential，GWP）為1，遠低于其他制冷劑（表 1），具有很好的應用潛力[7]。

表1 各類制冷劑的特點

注：R22：氟利昂；R134a：1,1,1,2-四氟乙烷；R410a：二氟甲烷和五氟乙烷各50%混合物；R32：二氟甲烷；R290：丙烷；R717：氨，NH3；R404a：五氟乙烷，1,1,1-三氟乙烷和四氟乙烷混合物；R744：二氧化碳。

Note：R22: Freon; R134a: 1,1,1,2-Tetrafluoroethane; R410a: Mixed with Difluoromethane (50%) and 1,1,1,2,2-Pentafluoroethane (50%); R32: Difluoromethane; R290: Propane; R717: NH3; R404a: Trifluoroacetyl fluoride, Mixed with 1,1,1,2,2-Pentafluoroethane, 1,1,1-Trifluoroethane and 1,1,1,2-Tetrafluoroethane; R744: CO2.

1.3 CO2制冷技術發展歷程

CO2制冷技術經歷了一個漫長的發展過程，由早期的活躍期、中期的沉默期轉至目前的煥發期（圖1）。

圖1 CO2制冷技術發展歷程示意圖

19世紀70年代初期至20世紀40年代，CO2制冷技術研究非常活躍，在工業制冷、商業制冷等領域占據主要地位[15]。THADDEUS首次成功地將其應用于商業制冰機，建造了制冷工廠，隨后在19世紀90年代建造了船用制冷機器，實現冷凍肉長距離輸送，這一發展標志著CO2制冷技術正式進入商業制冷階段。1882年，德國KARL VON LINDE開發了CO2制冷機，開拓了CO2制冷市場。1884年德國RAYDT設計的CO2壓縮制冰系統獲得了英國15475號專利；澳大利亞HARRISON在1884年設計建造了CO2制冷裝置，獲得了英國1890號專利；同時期FRANZ設計的CO2壓縮機獲得了英國專利，隨后被英國J&E HALL公司收購，經改進后實現產業生產；J&E HALL公司開發的新型CO2壓縮機，取代了原有的空氣壓縮機。1897年KROESCHELL BROS鍋爐公司成立了CO2壓縮機分公司，生產CO2制冷壓縮機、冷凝器、水和鹽水冷卻器、冷藏系統的閥門及零件等，這一時期CO2制冷技術得到了快速發展[16]。

20世紀中期，介于當時技術的限制，CO2制冷以亞臨界循環制冷為主，冷凝方式主要依靠海水或地下水，設備整體老舊，制冷效率較低，限制了CO2制冷技術的進一步開發和運用。以R12（二氯二氟甲烷，dichlorodifluoromethane）為代表的CFC類制冷劑很快取代了CO2在工業制冷方面的位置，此階段屬于CO2制冷技術的沉默期。隨著科學技術研究的深入，人們逐步發現CFC類、HCFC類和HFC等制冷工質具有較高的溫室效應指數，長期使用易對地球環境造成嚴重破壞，環境友好的天然制冷工質重新引起人們重視[16]。基于環保要求和R744作為天然制冷工質的獨特優勢，CO2制冷技術迎來了快速發展的歷史機遇[17]。這個階段可稱為CO2制冷技術的煥發期。目前，CO2制冷技術已在農產品倉儲物流、制冰、空調等領域得到應用，有力助推了制冷產業的高質量可持續發展。

2 CO2制冷技術設備的更新迭代

2.1 制冷系統的升級

熱敏腧穴是近年來新發現的一類對艾熱高度敏化的疾病反應點[6] 。人體腧穴存在靜息態與敏化態兩種狀態，敏化態的腧穴對外界相關刺激呈現“小刺激大反應”，熱敏化腧穴是灸療的最佳選穴[7] 。熱敏灸療法主要是通過激發人體經氣的感傳，使得氣至病所，從而提高其臨床療效的一種新型艾灸療法[8] ，具有行氣止痛，通經活絡，扶正驅邪，調整陰陽的作用。

“漸悟”思維形式，不僅是人類原始祖先們在千百萬年持續不斷的生存勞動活動模式的熔冶中，形成的普遍的思維形式之一，即便是在現代社會中，它依然是現代人類普遍的思維形式的重要組成部分。不過，人類原始祖先們的“漸悟”思維形式，是前邏輯的、前概念的思維，人類原始祖先們所借助的是直觀、猜測、暗示、情感、隱喻、移情、聯想、想象、理想、觀照等甚至幻想的思維方式，來完成“漸悟”思維形式的過程，其內容可能是荒唐幼稚的，思維的過程可能是粗糙的；而近現代人的“漸悟”思維形式，是借助于概念和邏輯，思維的內容是比較科學的，思維的過程可能是精確的。

表2 亞臨界、跨臨界、超臨界三種CO2制冷循環分類

注：為溫度，為熵，箭頭表示熱量循環形式。

Note:is temperature;is entropy, the arrow indicates the form of heat cycle.

拉丁舞是體育與藝術的結合，有體育的競技性，每一個動作都是速度與力度的完美結合，尤其是對爆發力和控制力的要求，拉丁舞的動作要求要有張力，恰恰對速度和爆發力的要求比較高；倫巴對控制力和爆發力要求較高；牛仔比較歡快，要求很好的彈跳性和速度；桑巴的節奏較快，對身體的靈活性和動作之間的銜接要求較高；斗牛舞更多的是對動作的張力和舞蹈氣勢上的要求。

表3 CO2制冷循環分類

氨（NH3）制冷劑（編號R717）是中國在冷凍方面使用最早的一種制冷劑，與R744同屬于天然工質，具有優良的熱力學性質，在制冷工業中的使用直至今日已達120 a之久。但R717具有強烈的刺激性氣味，具有中等程度的毒性并且可燃，對操作人員和貨品存在潛在危害。而NH3/CO2復疊式制冷循環系統采用R717作為高溫級制冷劑，R744作為低溫級制冷劑，制冷系統的充R717量僅為R717制冷系統的1/8，極大減少了R717制冷的泄漏隱患，提高了制冷機組的穩定性、安全性和制冷效率，降低了對大氣的影響[24]。與傳統R717制冷相比，NH3/CO2復疊式制冷實際使用效率提高10%以上，整個系統節能效果好，硬件投資也低[25]。1932年，KITZMILLER[26]首先提出了NH3/CO2復疊式制冷循環系統，將CO2在亞臨界條件下運行，發現復疊式制冷循環壓比較低，壓縮機效率較高，系統的節流損失和能耗降低，安全性提高。DOPAZO等[27]通過優化NH3/CO2復疊式制冷系統參數，證實NH3/CO2復疊式制冷系統具有較好的制冷能力。王炳明等[28]通過優化轉子和軸承的參數，提高了NH3/CO2復疊式制冷系統壓縮效率，滿足低溫工況制冷需求（圖 2a）。周子成[29]分析對比了NH3與CO2的制冷性質及其在冷庫中的應用效果，發現復疊式制冷系統在產業應用中具有明顯優勢。

此外，研究學者從工程應用的角度出發，通過對系統性能參數的計算和分析，為CO2復疊式制冷循環搭配不同的高溫級制冷劑。ZHANG等[30]提出利用R1270（制冷劑級丙烯，propylene）代替R22和R134a與R744進行復疊制冷，發現R1270具備良好的高溫制冷劑的性能，系統的COP上升（圖2b）。PATEL等[24]為提高制冷系統的經濟性，設計了NH3/CO2和R290/CO2兩種復疊式制冷系統，結果表明，R290/CO2復疊式制冷系統的組合成本低于NH3/CO2的制冷成本，最高節約成本5.33%，減少了系統年成本消耗。SáNCHEZ等[31]利用R134a與R744復疊制冷，為2 ℃和-20 ℃的冷柜提供制冷需求，結果表明，復疊式制冷系統可以較好維持兩種溫度下的冷柜恒定（圖2c）。BELLOS等[32]對比了-35、-25、-15和-5 ℃條件下不同天然制冷劑（R717、R290、R600a、R1270）與CO2復疊式制冷系統的制冷效率，結果表明均高于CO2/CO2復疊式制冷系統（圖2d）。

荷蘭某超市將NH3/CO2復疊式制冷系統應用在冷藏柜和冷凍柜中（圖5a），兩個CO2循環分別用于農產品與食品冷卻、冷凍，對比同等工況下的R404A制冷系統，可節能13%～18%，減少電力消耗的同時保護環境[65]。北京市京科倫冷凍設備有限公司研發了單一CO2制冷的低溫自動化立體冷庫，其制冷系統蒸發器采用頂排管設計，冷凝方式采用植入式地源冷凝技術，實現了高效制冷；該冷庫內溫度波動低、年耗電量低，可對農產品和食品進行冰溫保鮮，較好保持了農產品和食品品質，可顯著降低損耗，延長產品貨架期[66]。此外，對比常規制冷劑，使用R744作為制冷劑的跨臨界循環超市制冷系統可最大程度發揮其作用[67]。SAWALHA等[68]研究表明，與傳統的R404A制冷系統相比，CO2跨臨界系統具有較低的能耗，無需單獨的熱泵，在庫溫較低時，仍可滿足制冷和供暖的需求[69]。GE等[70]從制冷性能、環境影響、功耗和年運行成本等方面對比了應用在食品冷藏系統中的4種不同CO2制冷系統，結果表明，帶有氣體旁路壓縮機的CO2增壓系統在溫暖氣候下可節能5%；其次是集成級聯全CO2系統自帶運輸泵及具有蒸發功能的氣體旁路壓縮機，在溫暖氣候和中溫氣候下分別節能3.6%和2.1%。寧靜紅等[71]研發了水和CO2為循環工質的水果冷藏制冷系統（圖5b），對新疆吐魯番、哈密、庫爾勒和庫車4個地區的葡萄、哈密瓜、香梨和白杏進行冷藏，發現可節省約40%～96%的電能和運行費用。SUAMIR等[72]將CO2制冷與“熱、電、冷”三聯產的發電系統結合，實現超市制冷系統一體化（圖5c），能源消耗最高可減少30%。GULLO等[73]對比了幾個歐洲城市中超市的CO2制冷系統和R404A制冷系統，發現跨臨界CO2制冷系統可將能源效率提高25%，設備成本降低30%。CATALáN-GIL等[74]利用接近實際的熱力學模型，分析了不同溫度地區超市的CO2增壓系統節能降耗情況，發現在暖區可降低2.9%～3.4%的能耗，在熱區可降低1.3%～2.4%的能耗。GIBELHAUS等[75]設計了一種動態化CO2制冷循環，結合吸附式制冷機機組，實現了超市冷柜的高效低溫制冷，每年最高可節能22%。MITSOPOULOS等[76]對比了希臘某超市的十種CO2制冷系統，并將CO2系統與傳統的R404A系統進行了比較，結果表明，采用復合CO2系統可減少制冷系統8.5%的能耗。KARAMPOUR等[77]將跨臨界CO2制冷系統與獨立的地源熱泵結合，嘗試將超市與附近的建筑一體化，可降低年運行總成本20%～30%。BEGHI設計[78]了一種超市制冷系統的學習模型，適合CO2增壓制冷系統的學習和強化，可根據環境的變化操控CO2制冷系統及時調整，為制冷系統的檢測和管理提供一個合適的控制策略，可減少超市制冷系統中的電能消耗。葛住軍等[79]設計的CO2跨臨界制冷系統可為飲料冷卻提供冷源，實現制冷的同時對環境友好（圖5d）。此外，CO2作為制冷劑也可應用于自冷飲料罐，將液化的CO2置于自冷飲料罐的外壁中，打開飲料罐拉環時，CO2迅速揮發，吸收飲料熱量，使飲料在開啟后自動冷卻降溫，為自冷飲料的消費提供廣闊前景[80]。

課程評價新標準針對傳統的評價標準明確了三個問題：能力目標、知識目標和素質目標到底是突出哪一個目標；老師和學生在教學中誰是主體；教學內容以什么樣的形式傳遞。

2.2 制冷設備的更新

R744作為低溫級制冷劑，單位容積制冷量較高[33]。然而由于CO2臨界溫度和臨界壓力限制，跨臨界制冷循環排熱過程中壓縮機的排氣壓力與冷卻溫度各自獨立，改變高壓側壓力將影響制冷量、壓縮機耗工量及系統的能效比。因此，提高CO2壓縮機性能一直是CO2制冷技術發展的關鍵[8]。研究學者開發了諸如CO2半封閉和全封閉式壓縮機、CO2滑片式壓縮機和CO2渦旋式壓縮機等[33-36]，充分利用其耐高壓、防泄漏等優點，提高了CO2制冷系統的性能，克服了部分配件運行壓力高的問題（圖3a）。

a. NH3/CO2復疊式制冷循環平臺[28] a. NH3/CO2 cascade refrigeration cycle platformb. R1270/CO2復疊式制冷系統示意圖[30] b. Schematic diagram of R1270/CO2 cascade refrigeration systemc. 直接級聯制冷系統示意圖[3I] c. Schematic diagram of the direct cascade refrigeration systemd. 級聯裝置示意圖[32] d. Schematic diagram of the examined cascade configuration

為提高壓縮機壓縮效率，意大利DORIN公司[34]研發了新型半封閉式活塞CO2壓縮機，利用CO2運動黏度低、壓縮比低的優勢，較好克服了CO2壓縮機工作壓力高、壓差大等缺點。CAVALLINI等[35]利用中間冷卻的兩級壓縮提高循環效率，在回氣管路上增加回熱器，在氣體冷卻器后增加冷卻器，可高效實現空氣和制冷劑間的熱平衡。為解決壓比對壓縮機的影響，楊軍等[36]設計了一種全封閉旋轉式CO2壓縮機，通過減少壓縮機吸氣過熱度以及二級吸氣溫度對壓縮機效率的影響，實現壓縮機等熵效率最大化（圖3b）。郝璟瑛等[37]開發了全封閉CO2渦旋壓縮機（圖 3c），通過提高壓縮機運動的潤滑性、減小動盤與靜盤之間的徑向間隙值，獲得了與其他壓縮機同等的容積效率和等熵效率，明確改進間隙量是提高壓縮機效率的有效途徑。

然而，半封閉和全封閉式壓縮機雖提高了壓縮機的壓縮效率，但壓降損失仍限制著容積效率的提升。為減少壓縮過程能量損失，研究學者們提出系列解決方案，孫玉等[38]利用CO2螺桿壓縮機將壓縮后的CO2氣體進行分離，利用分離后的油和CO2進行熱交換，達到冷熱同時交替壓縮的目的，實現了容積效率提升。日本MYCOM公司[39]為適應冷凍系統所需的低溫條件，研發CO2單級螺桿壓縮機，排氣系統用于加熱熱水，低溫CO2用于制冷，在交替換熱的作用下達到較好的冷凍效果（圖3d）。馬旭[40]針對滑片式壓縮機進行改進設計，研發了新型外驅式滑片壓縮機，模擬其動態熱性，降低滑片摩擦損失，提高了壓縮機對工作環境的適應能力。薛衛東等[41]通過強制潤滑CO2水冷兩級活塞式壓縮機中的油泵，利用機械密封曲軸的軸伸端自身優勢，加強了對環境噪聲的控制。MA等[42]設計了半密封往復式CO2壓縮機，有效提高了小型制冷裝置的制冷效率。

2.3 制冷設備配件的優化

此外，由于高壓側壓力決定系統性能，在不同工況下采用合適的調節方式有利于提高系統的運行性能[49]。節流機構的設計可實現對系統冷量的控制，降低制冷系統的能耗及提升系統運行的安全性[50]。目前，節流機構主要集中在電子膨脹閥和膨脹機的研發，在一些較大的系統中應用可提高系統循環效率。HOU等針對超臨界CO2系統設計了一種新型電子膨脹閥[51]，可在一定范圍內連續調節冷量（圖 4b）。DANFOSS公司推出了新型電子膨脹閥，可通過調節工質的流動阻力嚴格把控冷量。LORENTZEN等[52]提出使用全流膨脹機替代節流閥，使節流后制冷循環的制冷劑分配均勻，提高了系統的經濟效益。方忠誠等[53]利用分段式電子膨脹閥，提高了制冷系統的降溫速率（圖4c）。天津大學熱能研究所開展了CO2制冷循環膨脹機的研究[54]，現已開發出了第二代滾動活塞膨脹機[55]，對于制冷系統的制造、運行和維護起到關鍵作用。DAI等[56]提出了一種結合熱電過冷器和膨脹器的跨臨界CO2制冷循環新結構，當膨脹機安裝在液體收集器和蒸發器之間時，性能系數的改善更為顯著，使跨臨界CO2制冷循環表現出了優異和穩定的性能。BELLOS等[57]研究表明，內部熱交換器的加入可提高CO2跨臨界系統的制冷效率（coefficient of performance，COP）值。BODYS等[58]提出了一種適合CO2制冷系統中應用的多模塊組合型固定噴射器，指出多模塊組合型模塊是優化系統運行的潛在方法（圖4d）。FERRARA等[59]對制冷循環中的徑向活塞式膨脹機進行了詳細測試，該膨脹機等熵效率約為40%，對比其他采用簡單膨脹機的制冷系統，系統的COP值潛在改善率最高可達20%（圖 4e）。ZHANG等[60]為跨臨界CO2制冷系統引入了全新的噴射式膨脹機，結果表明，當噴射器等熵效率較低和氣體冷卻器出口或蒸發器溫度較高時，噴射式膨脹機的引射比、壓力恢復率均有所提高，有助于提高CO2制冷循環的能量利用率（圖4f）。HUAI等[61]將雙節流裝置與跨臨界CO2制冷系統結合，第一膨脹閥控制高壓側壓力，第二膨脹閥利用雙相流噴射器，可提高制冷系統的COP值，最大增幅可達32.4%。

a. 新型CO2螺桿壓縮機轉子設計圖[28] a. Design drawing of new CO2 screw compressor rotorb. 兩級滾動轉子式全封閉CO2壓縮機結構示意圖[36] b. Schematic of the developed hermetic two-stage rolling piston CO2 compressorc. CO2渦旋壓縮機結構示意圖[37] c. The structure of the CO2 scroll compressor prototyped. CO2單級螺桿壓縮機[39] d. CO2 single-stage screw compressor

由于換熱形式不同，CO2換熱器分為超臨界CO2氣體冷卻器[44]、亞臨界CO2冷凝器以及CO2蒸發器[45]。超臨界CO2氣體冷卻器是指氣體冷卻換熱過程都在超臨界條件下進行；亞臨界CO2冷凝器和CO2蒸發器是指氣體冷凝和吸熱過程在亞臨界條件下進行，其中，CO2冷凝器通過冷凝形式換熱，CO2蒸發器則是以蒸發形式換熱。基于循環系統的特點，CO2的換熱器在結構和選材等方面具有獨特性，對提高整個制冷裝置的效率至關重要。第一臺氣體冷卻器由LORENTZEN和PETTERSEN于1990～1991年推出，但小管徑翅片管加工困難，成本較高[46]，1997年研究學者采用較小的管徑，設計了結構更為緊湊、管徑更小的換熱器，成為空氣冷卻器的新標準[47]。蒸發器同樣經歷了類似于氣體冷卻器的發展過程，從第一代的機械擴展管翅式結構[46]到第二代小直徑圓管的換熱器，再發展到第三代“平行流”微通道蒸發器[48]（圖4a）。“平行流”式蒸發器具有較高的熱交換性能，解決了耐壓問題和小管徑漲管等困難，成為CO2蒸發器今后的主要研發方向。

國內外對于CO2制冷系統已開展了大量研究，目前仍在不斷探索和完善。根據R744臨界溫度和外部循環條件，可將其分為亞臨界、跨臨界和超臨界3種[18]（表2）。由于R744的臨界溫度接近環境溫度，超臨界循環常用于正循環發電系統，而亞臨界和跨臨界循環常用于制冷和熱泵工況。其中，CO2亞臨界制冷，循環的吸熱和放熱過程都在亞臨界條件下進行，換熱過程主要依靠潛熱來完成[21]。而CO2跨臨界制冷中，其吸氣壓力和排氣壓力分別在臨界壓力以下及臨界壓力以上，避免熱源溫度過高帶來的系統性能下降問題，可實現更低的制冷溫度，這一模式也受到工業制冷、農產品與食品冷凍冷藏等行業的青睞。

為提高傳熱強度，降低系統運行壓力，充分發揮CO2制冷優勢，研究學者們在已有的制冷系統基礎上，優化制冷系統中的其他制冷配件，如氣體冷卻器、蒸發器以及節流閥等，改進和完善制冷循環的作用方式，減少環境因素對制冷系統的影響，實現極端工作條件下系統的正常工作，積極推進CO2制冷系統的應用[43]。

CO2制冷循環種類較多，可分為單級、與其他工質組成的兩級復疊式制冷循環、三級復疊式制冷循環等（表3）[22]。相較于單級壓縮制冷，雙級或多級壓縮制冷擴大了循環的工作溫度差，可獲得更低的制冷溫度，在制冷工況中應用較多。但當溫差達到一定程度時，由于單一制冷劑不能同時具備較高的臨界溫度和較低的沸點溫度，雙級或多級壓縮受到限制，無法實現有效制冷。而復疊式制冷循環依靠兩個獨立的制冷循環系統，利用同一個冷凝蒸發器，將高溫區和低溫區的制冷循環疊加起來，用高溫級的制冷量來承擔低溫級的冷凝負荷，從而獲取較低制冷溫度[22]。目前，CO2復疊式制冷循環在低溫倉儲、農產品與食品冷凍、快速制冰等方面廣泛應用[23]。

a. CO2蒸發器歧管（頂部）和微通道傳熱管（底部）的橫截面[48]a. Cross section of the manifold (top) and microchannel heat transfer tube (bottom) of a prototype CO2 evaporatorb. 加入電子膨脹閥的跨臨界CO2制冷系統示意圖[51] b. Schematic of the transcritical CO2 refrigeration system with electronic expansion valvec. 試驗樣機制冷系統原理[53] c. Principle of the refrigeration system of test prototype

d. 多模塊組合型固定噴射器示意圖[58] d. Schematic diagram of multi-ejector modulee. 徑向活塞式膨脹機示意圖[59] e. Schematic of radial piston the expanderf. 噴射式膨脹機制冷循環示意圖[60] f. Schematic of the ejector expansion refrigeration cycles

3 CO2制冷技術在農產品冷鏈物流保鮮中的應用

近年來，部分研究學者、企業將CO2制冷技術應用到農產品冷鏈物流保鮮的儲存環節和運輸環節中，在提高制冷效率、節能降耗等方面發揮良好作用[62]。

省委書記婁勤儉指出，建設新時代文明實踐中心，是黨中央重視和加強基層思想政治工作的戰略部署，是打通宣傳群眾、教育群眾、服務群眾“最后一公里”的重要舉措。鄉村是文明實踐的落腳點，如何更好服務鄉村全面振興，滿足農民精神文化需求，是時代賦予我們的新命題、新任務。作為基層工作者，必須在三個著力點上下功夫，培育鄉風文明，激活鄉村振興之“魂”。

3.1 儲存環節

目前，CO2制冷技術在農產品儲存環節中的應用集中在冷庫、超市制冷系統和冷藏陳列柜等。R744自身的特性有助于提高農產品儲存環節的貯藏效率，無毒不易燃的安全性減少了制冷劑泄漏對農產品以及人類的危害；R744的單位容積制冷量高，有利于減少制冷系統工質的容積循環量，從而減小制冷設備體積[25]；R744較低的流動損失，有利于提高制冷循環效率[63]，減少制冷空間的限制，在冷庫、銷售終端等設施建造等方面具有顯著優勢[64]。

總之，CO2制冷系統更新迭代正逐步向制冷性能高、安全性高、對環境友好方面發展，目的在于減少工作環境對制冷設備壓縮效率的影響，最終實現冷量壓縮效率的最大化。

a. 荷蘭某超市NH3/CO2循環冷藏冷凍柜示意圖[65] a. Schematic diagram of NH3/CO2 circulating refrigerator in a supermarket in the Netherlandsb. 水/CO2循環制冷的水果冷藏制冷系統圖[71] b. Diagram of fruit refrigeration system with water/CO2 cycle refrigerationc. 揮發性CO2/“熱、電、冷”三聯產一體化的簡化示意圖[72] c. Simplified diagram of the integrated volatile/DX CO2 refrigeration and trigenerationd. 飲料現調機制冷循環示意圖[79] d. Schematic diagram of cold cycle of beverage mixing machine

3.2 運輸環節

0 ℃時R744飽和液體的運動黏度僅為NH3的5.2%，R12的23.8%，流體的流動阻力較小，制冷系統的輸送泵功耗低，僅為傳統輸送功率的1/10，以CO2構建的制冷系統可以在冷鏈物流運輸過程中為農產品提供適宜的低溫環境，減少能源消耗，降低運輸成本，增加經濟效益[81]。有制造商已將CO2制冷系統應用于冷藏集裝箱以及冷藏運輸車。INGENIUM公司設計了4臺類似的CO2跨臨界增壓機組，搭配可24 h在線監控制冷系統的控制中心，實現了物流環節精準利用CO2制冷技術的新突破。LAWRENCE等[82]設計了一種跨臨界多溫移動式冷藏集裝箱系統，通過改善氣體冷卻器、熱交換器的性能，在環境溫度較高的情況下仍可改善系統COP值。FABRIS等[83]采用耦合兩相噴射器，模擬長途運輸場景，設計了一種適合長途運輸的CO2制冷系統，可在不同配置之間切換，以便根據內部空氣和外部環境條件最大限度地提高系統COP或制冷能力。ARTUSO等[84]研發了一種安裝在噴射器出口線上的輔助蒸發器，擴大了噴射器的工作范圍，在25 ℃的環境溫度和5 ℃的內部冷藏運輸貨倉中，均可提高CO2制冷系統的COP，最高可達21%。

綜上，前人已對CO2制冷技術在農產品儲存和運輸環節的應用進行了探索，但應用范圍還十分有限[85]。中國農產品的品類眾多，不同農產品品種、地區、季節等所需的應用場景不同，這需要研發與之相匹配的CO2制冷系統與設施設備。因此，亟待加大投入力度，開展CO2制冷技術在農產品冷鏈物流保鮮領域的應用研發和技術推廣。

4 CO2制冷技術在農產品冷鏈物流保鮮領域應用的難點

第一，在實際生產和應用中，CO2制冷系統壓縮機和換熱器的設計仍存在技術瓶頸。國內外生產商在研發壓縮機時需考慮不同工況下各配件性能系數以及匹配性，這為不同物流模式下CO2制冷系統的發展帶來困難。如海運（船）行業中，貨倉滿載后其內部空間狹小，壓縮機的位置需隨時調整，制冷劑的流動間隙大小難以控制，影響制冷工質的流動[38,86]；對于陸運（大型卡車、拖車和冷藏集裝箱），雖然已有部分制造商引入CO2制冷系統，但由于CO2制冷設備液化效率相對較低，流通管徑設計難以滿足CO2氣體較高的液化臨界壓力，嚴重影響關鍵設備研發，目前常用的制冷劑仍為R452A（R32、R125、R1234yf混合物）和R513A（R134與R1234yf混合物）等，R744的覆蓋率較低；空運（飛機）使用的制冷系統與其他領域不同，主要通過發動機、散熱器、空氣循環機、沖壓進氣道系統、再加熱器和冷凝器等設備進行機械做功和熱交換，對于制冷劑要求并不高，這也同樣遏制了R744的推廣和應用。

第二，CO2制冷系統受外部環境溫度影響較大。當環境溫度較高時，制冷系統壓縮機的排氣壓力高達12 MPa左右，遠高于常規制冷系統。中國大部分地區為亞熱帶和溫帶氣候環境，CO2制冷系統可發揮其獨特的優勢，而在溫度寒冷的地區，壓縮機的管道溫度較低，機組的外殼結露嚴重時，制冷劑易被壓縮機吸入，發生異常沖擊，制冷性能受到影響，CO2制冷系統的應用受到一定限制。

第三，農產品冷庫對溫度選擇、庫容要求多樣，適宜的小型冷庫在高溫季節運行能耗大、制冷效率低[87]。目前CO2制冷技術在中小型冷庫上應用的成本偏高，與目前已有的技術結合仍待研究[88-89]，這也給該技術的推廣應用帶來困難。因此，CO2制冷系統升級與制冷設備配件的優化成為CO2制冷技術廣泛應用的前提。

5 展 望

隨著中國冷鏈物流行業的飛速發展和“雙碳”政策的逐步落地，CO2制冷技術將得到更為廣泛的關注和應用。國內外對于CO2制冷技術的應用主要集中在空調、汽車等工業制冷，CO2制冷技術在農產品冷鏈物流保鮮領域的應用仍在探索中。2022年中央農村工作會議指出“保障糧食安全，要在增產和減損兩端同時發力”，因此如何發揮CO2制冷技術的優勢，研發符合農產品冷鏈物流要求的CO2制冷設備，大力發展基于CO2制冷的農產品綠色低碳冷鏈物流產業，降低農產品產后損耗，是保障糧食和重要農產品供給的有效途徑之一。

周圍的人七嘴八舌給他出主意給他提醒他都充耳不聞，徑直朝池塘邊走去。突然看見一個和他年紀差不多的中年男人，手握一把菜刀朝他齒牙咧嘴比劃著什么。還看見在那人背后的池塘水中，有一個小女孩水已經淹到了胸口，邊哭邊舉起雙臂，一頭拴在女孩手臂上，一頭被持刀人逮在手上的繩子正在不斷搖晃。

展望未來，為實現CO2制冷技術在農產品冷鏈物流領域的廣泛應用，一要開發和使用成本低、能源利用最大化且可持續發展的CO2制冷系統；二要提高CO2制冷設備的可靠性、系統的穩定性、建設運行成本經濟性；三要拓展CO2制冷技術應用場景，研發適宜農產品冷鏈物流保鮮特點的設施設備，如移動式冷庫、中小型冷庫、冷鏈運輸小型機組和運輸、零售中的小型設備等，滿足產地倉儲保鮮、產地冷鏈集配中心等場景需要；四要推動CO2制冷技術在大中型智能立體冷庫上的應用，研發新型CO2制冷系統與裝備，簡化系統運行的復雜性，提升系統成熟度，降低運行能耗。

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Research progress in the application of CO2refrigeration technology to agricultural product cold chain logistics preservation

ZHANG Dequan1, XU Yuqian1, NING Jinghong2, WANG Debao1, HOU Chengli1, REN Chi1, HUANG Caiyan1, WANG Su1

(1.,,-,,100193,; 2.,,300134,)

Energy-efficient, green, and environment-friendly refrigeration technology can be developed for agricultural products, particularly under the "double carbon" goal in the world. Carbon dioxide (CO2/R744) can be expected to serve as one of the ideal substitutes for traditional refrigerants, due to the colorless, tasteless, non-toxic, non-flammable natural refrigerant, and excellent thermal stability. A high per-unit refrigerating capacity of swept volume can be obtained with a low greenhouse effect. The characteristics of CO2have drawn much attention in environmental protection and efficient refrigeration after the early action and the middle silent period. Therefore, CO2has been relaunched as a natural refrigerant in various industries. The current CO2refrigeration technology has been used in the cold chain logistics of agricultural products, ice-making, and air conditioning. The refrigeration effect is better than that of the traditional. However, the high energy expenditure can be the general issue in cold chain logistics. Therefore, it is a high demand for energy-saving and green refrigeration to reduce the large post-production loss in modern agriculture. In this study, the characteristics and development history of CO2refrigeration were reviewed to compare the critical temperature, critical pressure, ODP, GWP, and per-unit refrigerating capacity of swept volume between different refrigerants. The CO2refrigeration facilities and devices were also introduced in terms of refrigeration systems, equipment, and accessories, such as compressors, heat exchangers, and throttling devices. The application of CO2refrigeration was summarized in the storage and transportation of agricultural products. The future direction was also proposed for the use of CO2 refrigeration technology in the cold chain logistics preservation of agricultural products, according to the actual agricultural products and requirements. The current difficulties were determined to improve the matching degree of equipment under different working conditions, and the efficiency of CO2compression and liquefaction under low-temperature environments. Some recommendation was also addressed to accelerate the CO2refrigeration facilities and equipment, such as CO2mobile refrigerant storage, and three-dimensional intelligent refrigerant storage suitable for the preservation of agricultural products in cold chain logistics. CO2refrigeration can be expected to integrate with the cold chain logistics of agricultural products. The reliability and stability of CO2refrigeration equipment and system should be improved to fully meet the strong demand in different industries of cold chain logistics. The finding can provide technical support to reduce the post-production losses of agricultural products in China. The product quality during storage and transportation can be improved for the energy saving of cold storage, in order to promote the cold chain logistics towards the green, low-carbon, and recyclable direction.

agricultural products; preservation; CO2; refrigeration technology; cold chain logistics

10.11975/j.issn.1002-6819.202211012

TB66

A

1002-6819(2023)-06-0012-11

張德權，徐毓謙，寧靜紅，等. 二氧化碳制冷技術在農產品冷鏈物流保鮮中的應用研究進展[J]. 農業工程學報，2023，39(6)：12-22.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.202211012 http://www.tcsae.org

ZHANG Dequan, XU Yuqian, NING Jinghong, et al. Research progress in the application of CO2refrigeration technology to agricultural product cold chain logistics preservation[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2023, 39(6): 12-22. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.202211012 http://www.tcsae.org

2022-11-01

2023-03-15

國家重點研發計劃項目（2022YFD2100500）

張德權，博士，研究員，研究方向為肉品科學與技術。Email：dequan_zhang0118@126.com