申 江 宋 燁 齊含飛 劉興華

(1 天津商業(yè)大學 天津市制冷技術重點實驗室 天津 300134；2 浙江省工程物探勘察院 杭州 310005)

食品冷藏是保證食品品質的重要手段，食品在運輸、貯藏、零售分銷過程中始終需要保持低溫環(huán)境，所以在整個食品冷藏鏈過程中需要消耗大量能源。全球40%食品需要冷藏，其中15%的能源用于制冷。當前，資源與環(huán)境是整個社會都面臨的最重要問題，食品冷鏈也必須走可持續(xù)發(fā)展道路[1]。

冷藏鏈是隨著科學技術的進步、制冷技術的發(fā)展而建立起來，是以食品冷凍工藝學為基礎，以制冷技術為手段，在低溫條件下的物流現(xiàn)象，是一項系統(tǒng)性工程。因此，研究食品冷藏鏈節(jié)能要把所涉及的減少熱負荷、使用高效低能耗的設備、制冷設備的合理運行管理以及不斷研究新的節(jié)能環(huán)保型制冷技術和冷藏保鮮技術等問題集中起來考慮，協(xié)調處理以確保實現(xiàn)冷藏鏈的節(jié)能減排。

1 冷藏鏈潛在節(jié)能環(huán)節(jié)

全球11%的電力消耗用于食品冷藏鏈，然而由于數(shù)據(jù)統(tǒng)計有限，具體在冷藏鏈某一環(huán)節(jié)能源消耗比例并不詳細。但在已做的工作中，已經(jīng)確定了冷藏鏈過程中各環(huán)節(jié)潛在節(jié)能量的排名[2]，見表1。

表1 冷鏈過程中潛在節(jié)能量排名Tab.1 Estimate of the food refrigeration processes ranked in terms of their potential for total energy saving

1.1 零售環(huán)節(jié)

超市冷藏展示柜是能源浪費最大也是最容易節(jié)約的環(huán)節(jié)，Mitchell[3]通過實驗對比零售展柜安裝光纖燈前后能源的消耗，從數(shù)據(jù)推算每年光照明部分就可節(jié)約11200kWh，進一步分析因照明每年制冷系統(tǒng)多浪費能源11800kWh，總體估計每年可節(jié)約能源23000kWh。

1.2 家用環(huán)節(jié)

家庭用戶只需要更換目前能效比最好的冷柜，每年平均可節(jié)約能源1000GWh[4]，能耗降低10%～53%不等。

1.3 運輸環(huán)節(jié)

一項關于食品冷藏運輸?shù)恼{查(Tassou et al,2008)[5]結果表明冷藏運輸制冷系統(tǒng)的COP較低，在0.5～1.75之間，且運輸過程中40%的柴油消耗用于制冷系統(tǒng)，如果能提高冷藏運輸中制冷系統(tǒng)的能效比，將大大的減少能源的消耗。

1.4 貯藏環(huán)節(jié)

食品在冷庫中停留時間最長，所以對冷庫系統(tǒng)進行優(yōu)化可有效的減少能源損耗。在整個冷庫系統(tǒng)中功耗最大的是壓縮機，所以正確計算冷庫負荷，合理選用壓縮機是減少冷庫能耗的最佳途徑，其次對冷庫結構進行優(yōu)化，如庫門進行優(yōu)化改造，減少與外界換熱量，照明控制合理[6]等。

2 自然制冷劑在食品冷鏈中的應用

自從第一個鹵代烴制冷劑R21發(fā)明后的近70年， 世界面臨著過去幾十年來在制冷科技領域未曾經(jīng)歷過的最大挑戰(zhàn)，這就是全球的環(huán)境問題。為了應對全球變暖引起的“制冷劑戰(zhàn)爭”的挑戰(zhàn)，目前國外對于冷藏鏈工質的研究重點主要集中在自然工質方面，自然工質擁有不造成全球變暖的優(yōu)勢，但對于自然制冷劑應用于制冷系統(tǒng)綜合的效應研究不夠，基于此，歐洲提出了一種新的制冷工質評價體系，該評價體系是將制冷系統(tǒng)和制冷工質的整個性能與當?shù)貙嶋H條件聯(lián)系起來進行綜合的評價，該體系的評價軟件包含920個城市及地區(qū)的全年氣候參數(shù)，可以保證使用者在選擇制冷系統(tǒng)和工質時可根據(jù)當?shù)貙嶋H的氣候條件或者接近當?shù)氐臍夂驐l件選擇。評價軟件可以提供自然工質(二氧化碳、氨以及R290等)與現(xiàn)有制冷工質的比較，可以評價的系統(tǒng)也包含單級制冷系統(tǒng)和復疊式制冷系統(tǒng)，評價指標同時包括生命周期成本的評估和TEWI等。各地使用自然工質代替現(xiàn)有的制冷劑后節(jié)能情況效果明顯，最高可達28%[7]。

3 冷藏鏈節(jié)能新技術

隨著氣候和能源問題的凸顯，如何確保食品冷藏鏈的節(jié)能以及減少對環(huán)境的影響，相關專家學者在食品冷藏鏈技術方面做了大量嘗試，取得了一些成果，介紹如下。

3.1 尾氣驅動冷藏車制冷系統(tǒng)

冷藏車制冷系統(tǒng)的效率通常較低，但是柴油機排除的廢氣能量平均可達到21250kJ/L，如果能回收這部分熱量采用吸收式制冷的方式，則可提高冷藏車制冷系統(tǒng)的效率。Koehler等人[8]設計制造了一套冷藏車用尾氣驅動的氨-水吸收式制冷系統(tǒng)，系統(tǒng)原理圖如圖1所示。

圖1汽車尾氣驅動氨-水吸收式制冷系統(tǒng)原理圖Fig.1 The diagram of ammonia - water absorption refrigeration system drived by car exhaust

在車內冷藏溫度為-20～0℃，環(huán)境溫度為20～30℃的條件下對系統(tǒng)進行測試，結果顯示：進入系統(tǒng)發(fā)生器的廢氣溫度為440～490℃，廢氣流量為360kg/h，制冷量為6～10kW，COP在0.23～0.3之間。設計者同樣也指出系統(tǒng)的COP還有很大的提升空間，此外，尾氣驅動冷藏車制冷系統(tǒng)與原有的制冷系統(tǒng)相比，節(jié)能情況與CO2排放量的情況如圖2、3所示。

圖2 尾氣驅動制冷系統(tǒng)與常規(guī)制冷系統(tǒng)耗能比較Fig.2 Refrigeration system drived by exhaust compared with conventional refrigeration system in energy consumption

圖3 尾氣驅動制冷系統(tǒng)與常規(guī)制冷系統(tǒng)CO2排放量比較Fig.3 Refrigeration system drived by exhaust compared with conventional refrigeration system in CO2 emissions

3.2 冷熱電三聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)

三聯(lián)產(chǎn)(Trigeneration Systems)系統(tǒng)多數(shù)用于有燃氣渦輪機的大型工廠，美國、英國等少數(shù)發(fā)達國家已經(jīng)應用于超市制冷系統(tǒng)當中。系統(tǒng)圖如圖4所示[9]。

圖4 熱冷電三聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)原理圖Fig.4 The diagram of trigeneration system

英國一家超市，售貨面積為2800m2，采用常規(guī)的制冷系統(tǒng)及采暖系統(tǒng)，年最大消耗電能3495346 kWh，消耗燃氣988136kWh。能源系統(tǒng)經(jīng)過改造采用了冷熱電三聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)，改造后超市能源供應系統(tǒng)如圖5所示。超市能源供應采用兩種方案，方案1由CO2亞臨界制冷系統(tǒng)與微型燃氣輪機以及氨-水吸收式制冷系統(tǒng)組成的冷熱電三聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)，微型燃氣機回收的熱量驅動氨-水制冷系統(tǒng)，用于生產(chǎn)-10℃鹽水，系統(tǒng)配有輔助的電制冷系統(tǒng)與電加熱系統(tǒng)，當CO2制冷系統(tǒng)的制冷能力是不夠時。輔助的制冷機組可以滿足超市所需要的制冷量，當回收的熱量不足時啟動電鍋爐輔助加熱[10]。方案2由CO2亞臨界制冷系統(tǒng)與微型燃氣輪機以及溴化鋰-水吸收式制冷系統(tǒng)組成的冷熱電三聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)，微型燃氣機回收的熱量用于驅動溴化鋰-水吸收式制冷系統(tǒng)，用于生產(chǎn)6℃的鹽水，系統(tǒng)配有輔助的電加熱鍋爐以備熱回收系統(tǒng)的熱量不足時，用于生產(chǎn)生活熱水及加熱溴化鋰-水吸收式制冷系統(tǒng)所需要的熱水[11]。

兩種改造方案預計的節(jié)能情況與減少CO2排放情況見表2、3。

表2 兩種方案耗能情況分析Tab.2 The analysis of two schemes energy-consumption

表3 三聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)與傳統(tǒng)系統(tǒng)的CO2排放情況比較Tab.3 Compare with trigeneration system and the traditional system in CO2 emissions

圖5 超市能源系統(tǒng)流程圖Fig.5 The diagram of energy system in supermarket

CO2排放形式 單位 制冷劑年泄漏率為30%常規(guī)系統(tǒng) 方案1 方案2直接排放 t //年 2094 2455 2458間接排放 t //年 - - -制冷劑泄漏 t //年 2194 136 0.3制冷劑回收損失 t //年 146 9 0年總計排放量 t //年 4434 2600 2458減少排放凈量 t //年 1834 1976減少排放比 % 41.4 44.6

3.3 CO2 跨臨界循環(huán)制冷技術

CO2作為一種天然制冷劑在制冷領域吸引了越來越多的關注，與常規(guī)制冷劑相比其ODP為0，其制冷循環(huán)系統(tǒng)簡單，且跨臨界CO2制冷循環(huán)系統(tǒng)能提供較高的排氣溫度，具有很高的熱回收潛力，可以通過熱回收裝置驅動吸收、吸附式制冷機組[12]等。下圖為超市用帶回熱裝置CO2跨臨界循環(huán)制冷系統(tǒng)[13]，系統(tǒng)原理圖如圖6所示。

圖6 具備熱回收裝置的CO2跨臨界循環(huán)制冷系統(tǒng)原理圖Fig.6 The diagram of CO2 transcritical cycle with regenerator

系統(tǒng)的熱量通過兩個換熱器進行回收。夏季時，熱回收的熱量(Q1)可用于驅動吸收/吸附式制冷機組供應超市空調系統(tǒng)；冬季時，回收的熱量(Q2)可直接供給超市采暖系統(tǒng)，其中一部分回收的熱量(Q3)可用于超市熱水供應，一部分熱量(Q4)可在冬季時供應地板采暖系統(tǒng)。經(jīng)過運行測試，熱回收系統(tǒng)各部分回收的熱量以及對應所節(jié)約的能量見表4所示。

表4 熱回收系統(tǒng)各部分回收的熱量以及對應所節(jié)約的能量Tab.4 The heat of recovery during every pant of the heat recovery system and the energy saved corresponding

3.4 熱聲制冷、熱電制冷

熱聲制冷是通過聲波和不可燃性惰性氣體混合物(氦、氬、空氣)或氣體混合物在一個諧振器里振動來進行制冷。熱聲裝置的主要組成部分有：封閉的空間、聲源、多孔介質和兩個熱交換器。如圖7所示，通過聲源發(fā)出的聲波引起氣體共振，氣體前后震蕩時會沿著疊層方向產(chǎn)生溫差，從而引起氣體和疊層之間連續(xù)的傳熱過程[14]。

圖7 熱聲制冷原理圖Fig.7 The schematics of thermoacoustic refrigeration

目前Ben和Jerry's[15]，已開發(fā)出熱聲制冷系統(tǒng)的冰激凌陳列柜，其制冷量為119W，溫度-24.6℃，如圖8所示，還有正在開發(fā)階段的熱聲冰箱，溫度范圍可覆蓋整個低溫帶?？蓱糜诩彝ズ蜕逃帽湟约瓣惲泄?，其優(yōu)勢在于完全摒棄了傳統(tǒng)的制冷劑，減少對環(huán)境的破壞。

熱電制冷原理為帕爾帖效應，當電流經(jīng)過導電材料交界面時可以引起交界面的冷卻或加熱，以目前的技術制冷量范圍從幾毫瓦到數(shù)十千瓦[16]，可以應用于冰箱、酒柜等小型冷藏裝置，目前已開發(fā)出大容量熱電冰箱(115L和250L),COP為1.2[17]，發(fā)展的主要障礙是效率較低，但其對環(huán)境完全沒有破壞，沒有噪音和振動，結構簡單，質量小，且控溫精度高。若能找到比Bi2Te3更好的新型熱電材料，提高COP，將大大減少目前小型冷藏設備HFCs的使用。

圖8 行波熱聲制冷裝置Fig.8 Travelling wave thermoacoustic device

3.5 冰溫技術

冰溫技術應用于食品貯藏領域主要分為生鮮食品冰溫貯藏及加工品冰溫貯藏。

1)生鮮食品冰溫儲藏

冰點調節(jié)貯藏：貯藏前將果蔬浸泡于維生素C溶液以及尿素溶液的冰點調節(jié)劑中，果蔬吸收冰點調節(jié)劑可達到降低冰點的目的，經(jīng)過冰點調節(jié)劑處理的果蔬不僅增強了自身的低溫適應性而且擴大了冰溫貯藏帶的范圍[18-19]；

冰膜貯藏：通常將冰溫貯藏果蔬保存在0℃以下的冰溫帶范圍內。過低的貯藏溫度將危及一些低糖含量的果蔬貯藏品質，造成嚴重低溫冷害及低溫凍結。為將低糖含量果蔬安全貯藏于冰溫環(huán)境中，技術人員成功地開發(fā)出冰膜貯藏技術[20]，即通過在果蔬表面涂抹一層類似人工冰或人工雪的冰膜，來提高果蔬的耐寒性，避免果蔬低溫凍害的發(fā)生。

2)加工品的冰溫貯藏

冰點調節(jié)劑貯藏法同樣適用于加工品的冰溫貯藏，通過向加工品添加冰點調節(jié)劑，增大加工品自身的冰溫帶范圍，有利于加工品冰溫貯藏的實現(xiàn)。其中，冰點調節(jié)劑的濃度及種類會影響冰點調節(jié)的效果，環(huán)境溫度也是影響因素之一。

4 結論

當前，我國節(jié)能減排形勢十分嚴峻，2009年國際氣候大會中國承諾，到2020年中國單位國內生產(chǎn)總值CO2排放比2005年下降40%～45%。面對艱巨的節(jié)能減排任務，食品冷藏鏈也是義不容辭。這里探討了當前食品冷藏鏈中的耗能情況及節(jié)能措施，并在此基礎上提出一些適合于冷藏鏈節(jié)能和發(fā)展的新技術，如冷藏車尾氣回收制冷技術、冷熱電三聯(lián)產(chǎn)、CO2制冷技術、熱聲制冷技術等。希望對食品冷藏鏈技術、設備以及管理方面的提高有所幫助，使我國食品冷藏鏈技術以及設備方面進一步實現(xiàn)現(xiàn)代化與國際接軌，確保我國食品冷藏鏈事業(yè)能夠實現(xiàn)科學發(fā)展，走可持續(xù)發(fā)展的道路。

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