趙俊宏，陸華忠，魏鑫鈺，余喬東，周星星，李 斌

（1.廣東省農(nóng)業(yè)科學院設施農(nóng)業(yè)研究所，廣東 廣州 510640；2.嶺南現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科學與技術廣東省實驗室，廣東 廣州 510640；3.廣東省農(nóng)業(yè)科學院，廣東 廣州 510640；4.華南農(nóng)業(yè)大學南方農(nóng)業(yè)機械與裝備關鍵技術教育部重點實驗室，廣東 廣州 510642）

【研究意義】菜心由于其營養(yǎng)價值高、適口性好等優(yōu)點，在我國廣泛種植，是亞洲重要的經(jīng)濟作物［1-2］。由于采后旺盛的呼吸和蒸騰作用，菜心會迅速失水和衰老，大大地縮短了保鮮期［3］，造成較大的經(jīng)濟損失，因此需通過保鮮的方式以降低菜心的失水速率并延長其銷售時間。溫度和相對濕度是影響菜心銷售期的重要因素，而低溫則是確保采后品質最有效的方法［4-5］。目前菜心的銷售方式主要有常溫銷售和冷藏陳列柜銷售，前者幾乎無保鮮作用，后者具有一定的保鮮效果但電耗高，且冷風加速了菜心的失水速率，因此設計一種節(jié)能且能有效降低失水速率的保鮮裝備具有重大意義?！厩叭搜芯窟M展】目前，低溫保鮮設備維持低溫的方式主要有壓縮機制冷［6-10］、相變蓄冷材料放冷［11-15］和自然冷源供冷［16-20］。采用壓縮機制冷的陳列柜具有便捷快速等優(yōu)點，但其也存在能耗偏高、柜內溫度分布不均、融霜期間食品溫度回升和波動以及占用空間較大等缺點［21］，影響食品品質。敞開式陳列柜等66%～77%的冷柜熱負荷通過風幕卷吸周圍的暖濕空氣滲透入柜內，導致冷藏陳列柜在運行過程中出現(xiàn)溫度分布不均勻和電耗高的問題。相變蓄冷材料的出現(xiàn)，解決了壓縮機制冷所帶來的溫度分布不均和溫度波動等問題［7］。Lu 等［12］將水和硼砂作為復合相變蓄冷材料填充到擱架中，研究了在融霜期間相變材料對柜內食品溫度波動的影響，結果表明，融霜時食品溫度降低約1.5 ℃，并改善了食品溫度的均勻性。但相變蓄冷材料存在占用空間大、過冷和相變蓄冷材料泄露的問題［21］。自然冷源型陳列柜在北方地區(qū)使用較多，且存在季節(jié)性，不適合在南方地區(qū)使用。

【本研究切入點】半導體制冷又稱熱電制冷，是建立在帕爾貼效應原理上的一種制冷技術。隨著熱管技術在半導體制冷領域的應用和CFCs（Chloro-Fluoro-Carbons，氯氟碳化物）的禁用，半導體制冷憑借其靜音、無制冷劑、無壓縮機、可控性好［22-23］的特點在家電領域得以廣泛應用［24-29］。姜坪等［26］研究了熱端蒸發(fā)冷卻條件下半導體制冷裝置的制冷性能，發(fā)現(xiàn)增加強制對流強度、加裝超聲波加濕器和噴水器均可有效提高半導體制冷裝置的制冷量和COP（Coefficient of Performance，能效比）。張曉芳等［29］建立了水冷式半導體冰箱的制冷模型，并通過試驗驗證了模型的準確性?！緮M解決的關鍵問題】基于菜心的儲存和銷售設計循環(huán)風幕式半導體制冷展示柜，并建立菜心在銷售過程中的傳熱模型。通過對比3 種不同展銷方式對菜心品質的影響，驗證展示柜的保鮮效果。該研究對減少菜心萎焉、提高菜心品質和延長貨架期具有一定的意義。

1 循環(huán)風幕式半導體制冷展示柜原理與結構

1.1 保鮮原理

保持菜心展銷品質的關鍵在于有效地減少菜心溫度波動和表面的水蒸氣壓力分差。循環(huán)風幕式半導體制冷展示柜通過循環(huán)風幕結構和半導體制冷變頻調控，形成與菜心溫度相近的低風速冷風，沿柜壁循環(huán)，減少菜心與環(huán)境因溫度差和壓力差發(fā)生的傳熱傳質現(xiàn)象。同時，菜心生理活動產(chǎn)生水蒸氣，為減少菜心表面與環(huán)境空氣中水蒸氣分壓力梯度，使菜心個體處于溫濕度相對穩(wěn)定的微環(huán)境中，從而延長菜心貨架周期。循環(huán)風幕式半導體制冷展示柜避免了因風冷降溫造成菜心風干、因開關控制溫度波動和結露等問題，提高了展銷環(huán)境溫度、濕度穩(wěn)定性，維持菜心保鮮品質、減少能耗。

根據(jù)菜心保鮮要求，循環(huán)風幕式半導體制冷展示柜需滿足以下要求：（1）實時監(jiān)控柜體內溫度。（2）柜體菜心展銷區(qū)域風速小，減少因空氣流動造成的菜心間空氣水蒸氣分壓力波動。（3）根據(jù)環(huán)境及貯藏溫度，變頻調控風機，降低柜體整體能耗。（4）變頻控制半導體制冷片，防止冷端結霜，減少環(huán)境溫度波動，減少相對濕度耦合影響，減少能耗，提高制冷片工作效率。

1.2 結構設計

循環(huán)風幕式半導體制冷展示柜由循環(huán)風幕柜體、真空玻璃翻蓋、半導體制冷系統(tǒng)、控制系統(tǒng)組成，整體結構圖如圖1 所示。循環(huán)風幕柜體包括變速風道、導風槽，用于引導冷空氣沿柜壁循環(huán)形成風幕，減小菜心與外界因溫度差發(fā)生的熱傳導強度，實現(xiàn)菜心保鮮環(huán)境與外熱環(huán)境隔離。其中，變速風道實現(xiàn)風速調節(jié)，減小柜內風速，降低菜心表面因氣體流動造成的水蒸氣分壓力變化。真空玻璃翻蓋方便用戶選購菜心，并減少柜內與外界傳熱。半導體制冷系統(tǒng)共2 套，各包含2 個半導體制冷片、冷端換熱片、制冷風機及水冷散熱系統(tǒng)，以實現(xiàn)柜內制冷。水冷散熱系統(tǒng)由水冷頭、水泵、冷卻液傳輸管、冷卻液、散熱器和散熱風機組成?？刂葡到y(tǒng)實現(xiàn)循環(huán)風溫度、制冷片冷端溫度監(jiān)測，制冷片、冷端風機、熱端風機及水泵變頻控制。

圖1 循環(huán)風幕式半導體制冷展示柜結構Fig.1 Structure of display cabinet with cyclic air curtain semiconductor refrigeration

柜體為旋轉對稱結構，俯視圖見圖2A。導風槽與變速風道組成風幕區(qū)，柜體中心為菜心區(qū)。變速風道結構見圖2B，主要分為加速風道、換熱風道、減速風道。

圖2 循環(huán)風幕式半導體制冷展示柜柜體結構Fig.2 Cabinet structure of display cabinet with cyclic air curtain semiconductor refrigeration

離心風機工作時，入風口形成低壓，高溫低壓低速空氣由入風口進入加速區(qū)，隨變速風道腔體橫截面減小，氣流加速，再經(jīng)過離心風機加速射入換熱區(qū)。在換熱器區(qū)，空氣與冷端換熱器進行熱交換，實現(xiàn)降溫，形成低溫高速高壓氣流并流入減速風道。在減速風道，隨變速風道腔體橫截面增大，風速減小，出風口處變?yōu)楦邏旱退俚蜏乜諝狻Ｒ虼?，入風口處形成低壓，出風口處形成高壓，導風槽兩側產(chǎn)生壓力差，出風口空氣沿壁面Y 軸流向入風口，實現(xiàn)風幕區(qū)空氣沿柜壁循環(huán)流動。菜心和導風槽組成風道，形成低溫低速風幕，部分氣體經(jīng)導流板吹向底面與翻蓋，實現(xiàn)底面與翻蓋降溫。循環(huán)風幕結構減少菜心與外界熱傳遞，減緩了由于溫差、風機造成的空氣流動，降低菜心表面菜心區(qū)水蒸氣分壓力變化，從而減少菜心失水。

1.3 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)采用STM32 控制芯片。系統(tǒng)分為人機交互模塊、執(zhí)行機構控制模塊、傳感器變送模塊3 部分（圖3）。人機模塊由觸摸控制屏、LED 燈和蜂鳴器組成；執(zhí)行機構控制模塊分為10路變頻控制電路，分別控制2 個散熱風機、2 個冷端風機、4 片半導體制冷片、2 個水泵；傳感器變送電路為5 路Pt100 變送電路，分別檢測冷端溫度、熱端溫度、變速風道入風口溫度、變速風道出風口處溫度和環(huán)境溫度。控制系統(tǒng)采用多點測溫，綜合調控策略。箱內溫度通過變速風道出入口溫度權重融合獲取，半導體制冷片及水泵采用PID 控制實現(xiàn)變頻控制。根據(jù)環(huán)境溫度與熱端溫度溫差熱端風機采用變頻控制。

圖3 控制系統(tǒng)框架Fig.3 Control system frame chart

2 循環(huán)風幕式半導體制冷展示柜熱負荷計算與選型

菜心展銷過程中，為保持菜心貯藏溫度相對穩(wěn)定，半導體制冷片制冷量須與內外熱負荷保持平衡（圖4）。通過建立保鮮柜體的傳熱模型，得到半導體制冷片冷負荷。系統(tǒng)中制冷片帶走柜體內熱量，而通過菜心耗冷、開門傳熱、縫隙漏熱、箱體傳熱、風機產(chǎn)熱等方式增加系統(tǒng)內能。柜體熱平衡公式為：

圖4 循環(huán)風幕式半導體菜心展示柜傳熱模型Fig.4 Heat transfer model of display cabinet with cyclic air curtain semiconductor refrigeration for flowering cabbage

式中，Q1 為制冷片制冷量（kJ），Q2 為柜體傳熱量（kJ），Q3 為開門傳熱量（kJ），Q4 為縫隙漏熱量（kJ），Q5 為菜心耗冷量（kJ），Q6為風機產(chǎn)熱量（kJ）。由于展示柜使用環(huán)境一般處于室內，外界輻射能量較小故忽略不計。

2.1 制冷片制冷量

制冷片總制冷量為

式中，n1為制冷片個數(shù)，η1為半導體制冷片工作效率，P1為半導體制冷片功率（W），ts為工作時長（h）。

2.2 柜體傳熱量

菜心展銷過程中柜體傳熱總量為5 個有機玻璃聚氨酯面?zhèn)鳠岷? 個真空玻璃門傳熱總和：

式中，K1為有機玻璃聚氨酯面總體傳熱系數(shù)，W/(m2·℃)；K2為真空玻璃面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，W/(m2·℃)；S1為有機玻璃聚氨酯面面積總和，m2；S2為真空玻璃門面積，m2；Tw為柜臺外部環(huán)境溫度，℃；Tn為菜心貯藏溫度，℃。

2.3 開門傳熱量

開門傳熱總量采用開門頻度系數(shù)法計算，計算公式為：

式中，f為開門頻度系數(shù)，展銷過程中不開門f取值0.25，開門1～5 次取0.5，開門6～10 次取0.75，開門11～15 次取1。

2.4 縫隙漏熱量

縫隙漏熱總量計算公式為

2.5 菜心耗冷量

菜心耗冷包括菜心降溫耗冷總量和菜心呼吸耗冷總量。菜心降溫耗冷總量為菜心每次開箱升溫后，降回設定溫度范圍所釋放的熱量總和，計算公式為：

式中，n2為開門次數(shù)；mc為展銷菜心總質量，kg；Cc為展銷菜心比熱容，kJ/(kg·℃)；Tc為菜心上升后溫度，℃；Tn為菜心貯藏溫度，℃。菜心呼吸耗冷總量為展銷過程中因菜心呼吸和蒸騰作用釋放的熱量總和，計算公式為：

式中，QB為菜心呼吸熱總量，kJ；qc為菜心呼吸熱，kJ/(K·kg·s)。

2.6 風機產(chǎn)熱量

柜體內兩個循環(huán)風機產(chǎn)熱，風機產(chǎn)熱總量為：

式中，η2為風機工作效率；P2為風機功率，W。

2.7 制冷片功率

根據(jù)上述各式聯(lián)立計算所需參數(shù)，柜體整體設計參數(shù)見表1，制冷片功率計算公式為：

表1 熱負荷模型設計參數(shù)Table 1 Design parameters of thermal load model

由此，可選用CP14.127.045 半導體制冷片（美國萊爾德科技集團，額定工作電壓12 V、電流6 A，額定功率72 W，最大功率81.5 W）。

3 應用效果研究

根據(jù)設計方案制作循環(huán)風幕式半導體制冷展示柜樣機，并以菜心為物料，通過循環(huán)風幕式半導體制冷展示柜與敞開式制冷陳列柜和常溫陳列3 種展銷方式，進行貨架期試驗，對比3 種展銷方式對菜心保鮮品質影響。

3.1 試驗設置

3.1.1 試驗平臺 循環(huán)風幕式半導體制冷展示柜，根據(jù)上述結構，柜體采用有機玻璃制作，中間層用發(fā)泡劑填充作保溫層。敞開式陳列柜（壓縮機功率1470 W，廣州市廣翔電器有限公司，圖5）自上而下依次分為第1、2、3、4 層，通風系統(tǒng)冷空氣通過陳列柜背部隔板通風口，將冷空氣吹入陳列區(qū)，出口處有自上向下的冷風風幕［30-31］。

圖5 敞開式陳列柜Fig.5 Open display cabinet

3.1.2 試驗材料 試驗物料選擇廣州本地菜心，清晨采摘，購于廣州市長湴市場。去除傷菜、病菜、折菜，選取根部直徑在6～10 mm 左右的菜心，放入冷庫（8～10 ℃）預冷3 h，將菜心預冷至8～10 ℃，擦干后備用。

3.1.3 試驗方法 將菜心隨機放入9 個塑料筐（長×寬×高為430 mm×300 mm×130 mm），每筐菜重1 000（±50）g。循環(huán)風幕式半導體制冷展示柜內分層放入3 筐，敞開式陳列柜在第2、3、4層中間，分別放置1 筐，室內分層陳列3 筐。通過空調調節(jié)室內溫度為25（±2）℃。試驗共進行27 h，指標檢測周期3 h。

3.2 測定項目及方法

3.2.1 質量損失率 采用電子稱（量程0～8 200 g，精度0.1 g，北京賽多利斯科學儀器有限公司）稱量菜心的質量。

質量損失率（%）［32］=(儲藏前菜心質量-儲藏后菜心質量)/儲藏前菜心質量×100

3.2.2 好菜率 稱重后隨機選取20 根菜心根據(jù)莖部切口腐爛程度進行分級評定，重復3 次。莖部切口腐爛指刀口中央處失水引起凹陷、顏色較深，嚴重的有腐爛。莖部切口腐爛分級標準：1 級＜5%，2 級5%～10%，3 級10%～15%，4 級＞15%［33］。腐爛程度1～2 級評為好菜。

好菜率（%）=好菜質量/總質量×100

3.2.3 葉綠素SPAD 值 葉綠素相對含量通過葉綠素儀（柯尼卡美能達公司，SPAD-502 型）測定的SPAD 值表示。隨機選取5 株菜心，每株菜心選2 個葉片進行SPAD 值測量，每個葉片測量2 次以上。測量數(shù)據(jù)取平均值作為該組試驗菜心的葉綠素SPAD 值。

3.2.4 感官評定 主要對菜心的色澤、形態(tài)和氣味3 項指標進行評分，每項指標以0～4 分評分，4 分最好，0 分最差，3 項指標平均分作為感官評定值（表2）［32,34］。

表2 菜心感官評定標準Table 2 Standard of sensory evaluation for flowering cabbage

每組試驗重復3 次，采用SPSS 21.0 進行數(shù)據(jù)分析，利用Duncan法進行處理間的差異顯著性分析。

3.3 結果與分析

3.3.1 菜心質量損失率的變化 3 種展銷方式的菜心質量損失率變化如表3 所示。隨展銷時間延長，常溫及敞開式陳列柜2 種方式展銷菜心質量損失率變化速率先快后減緩，常溫變化速率大于敞開式陳列柜。循環(huán)風幕式半導體制冷展示柜，變化速率最小，近似線性，展銷3 h 后與另外兩種展銷方式差異顯著；展銷27 h 后質量損失率為9.3%，低于敞開式陳列柜展銷9 h 質量損失率。展銷27 h 后3 種陳列方式的質量損失率分別為34.8%、20.6%、9.3%，常溫展銷和敞開式陳列柜菜心的質量損失分別是循環(huán)風幕式展示柜展銷的4.1 倍和2.2 倍，說明循環(huán)風幕式展示柜結構減少了菜心失水。

表3 菜心質量損失率（%）的變化Table 3 Change of mass loss rate (%) of flowering cabbage

3.3.2 菜心好菜率的變化 3 種展銷方式菜心好菜率的變化如圖6 所示。從圖6 可以看出，隨著展銷時間的延長，3 種方式下的菜心好菜率均呈現(xiàn)出下降的趨勢，但循環(huán)風幕式半導體展示柜好菜率變化速率最小，展銷27 h 好菜率仍有35.8%；展銷6 h 后，循環(huán)風幕式半導體制冷展示柜與另外2 種陳列方式差異性顯著；循環(huán)風幕式半導體展示柜展銷9 h 好菜率92.0%，而敞開式陳列柜和常溫陳列9 h 后好菜率分別為44.9%、10.6%；展示柜展銷27 h 菜心好菜率品質和陳列柜展銷9 h 相當，與常溫展銷6 h 相當。常溫展銷變化最快，展銷18 h 后好菜率為0；敞開式陳列柜次之，展銷27 h 好菜率為2%。試驗3 h 循環(huán)風幕式半導體制冷展示柜與另外兩種展銷方式差異顯著，說明循環(huán)風幕式展示柜可以有效延長菜心貨架期，提高蔬菜好菜率。

圖6 不同展銷方式菜心好菜率變化Fig.6 Changes of good vegetable rates of flowering cabbage with different display modes

3.3.3 葉綠素SPAD 值 菜心展銷葉綠素SPAD值變化曲線如圖7 所示。3 種展銷方式葉綠素SPAD 值均呈現(xiàn)波動上升趨勢，其原因可能是由于菜心貨架銷售期間，主要發(fā)生失水，菜葉萎蔫、卷曲和收縮，單位面積葉綠素含量增加，導致SPAD 值上升。3 種展銷方式在展銷0～27 h 期間，其SPAD 值變化區(qū)間范圍在46～54 之間，由于多次開關門減少了乙烯含量，減輕菜心衰老，因此菜心沒有發(fā)生黃化。

圖7 不同展銷方式菜心葉綠素SPAD 值變化Fig.7 Changes of chlorophyll SPAD value of flowering cabbage with different display modes

3.3.4 菜心感官評定 菜心展銷27 h 后，感官評定分數(shù)變化如圖8 所示。菜心貨架期品質越好，其感官評定分數(shù)越高。3 種展銷方式的感官評定平均分值整體呈現(xiàn)下降的趨勢，但下降速率不一，其中常溫陳列組下降最快，敞開式陳列柜組次之，循環(huán)風幕式展示柜最慢。3 種展銷方式在展銷6 h后差異顯著，其中敞開式陳列柜及常溫陳列方式展銷3 h 后就發(fā)生萎蔫，而循環(huán)風幕式菜心展示柜展銷9 h 后才發(fā)生萎蔫；常溫展銷菜心品質劣變最快，展銷24 h 后常溫陳列感官評定分值為0，循環(huán)風幕式菜心展示柜品質變化最慢，展銷27 h常溫陳列感官評定分值為2.17。

圖8 不同展銷方式菜心感官評定值的變化Fig.8 Changes of sensory evaluation values of flowering cabbage with different display modes

從圖9 可以看出，菜心展銷27 h 后，常溫及陳列柜菜心失水嚴重，葉面萎蔫卷曲，失去光澤，莖部切口失水、凹陷嚴重，大量中空發(fā)白。循環(huán)風幕式展示柜中菜心失水較少，顏色鮮綠富有光澤，莖部切口部分凹陷、中空發(fā)白。因此，展銷方式對菜心貨架期品質影響較大，循環(huán)風幕式展銷柜可以顯著提高菜心貨架期品質。

圖9 不同展銷方式菜心對比（27 h）Fig.9 Comparison of flowering cabbage with different display modes (27 h)

4 討論

半導體制冷憑借其靜音、無制冷劑、無壓縮機、可控性好等特點廣泛應用于家電領域［22］，是繼壓縮機制冷后的一大突破。本研究設計的循環(huán)風幕式半導體制冷展示柜，填補了國內半導體循環(huán)風幕式半導體制冷展示柜的空白，并建立了菜心在銷售過程中的傳熱模型。通過對比常溫陳列、敞開式陳列柜和循環(huán)風幕式半導體制冷展示柜3 種不同展銷方式對菜心品質的影響，表明循環(huán)風幕式半導體制冷展示柜對菜心質量損失率、好菜率和菜心感官評價等指標均有較好的提升效果，因為低溫貯藏可以有效抑制菜心的呼吸強度，降低其新陳代謝，保持菜心的水分和硬度，但對于葉綠素含量的維持效果一般。李露露［35］研究了不同溫度對菜心失重率的影響，結果表明從貯藏1 d 開始，不同貯藏溫度的菜心出現(xiàn)不同程度的失重現(xiàn)象，且隨著貨架期的延長差異不斷增大，其中10、15、20、25 ℃貯藏溫度處理菜心貯藏1 d失重率分別為0.06%、0.16%、0.4%和0.6%，而本研究中展銷情況下的質量損失率均高于李露露［35］的試驗結果，可能是由于菜心的品種不同所致。菜心葉綠素的試驗結果與徐桂燕等［1］的研究結果相似。徐桂燕等研究了不同溫度對菜心葉綠素含量的影響，結果表明，貯藏1 d 不同溫度處理間無差異，貯藏2～5 d 溫度對葉綠素的影響才有所顯現(xiàn)，即隨著溫度升高，葉綠素含量逐漸下降。

對比3 種不同展銷方式對菜心外觀的影響，可以看出用敞開式陳列柜展銷時的表層菜心萎焉較嚴重，這一方面可能是由于陳列柜頻繁的溫度波動，另一方面則可能是由于風速較大，菜心表面的蒸騰作用更強，導致表層菜心的失水較嚴重，但整體失水率仍低于常溫展銷，具體原因還有待進一步探明。本研究從宏觀上研究了不同展銷方式對菜心品質的影響，但未從微觀上挖掘對菜心品質影響最大的因素，未總結出適宜菜心不同展銷方式的適宜溫度和風速，這將是課題組下一步的的工作計劃?；诖?，課題組還將進一步優(yōu)化循環(huán)風幕式半導體制冷展示柜的結構參數(shù)以獲得更均勻的溫度場、濕度場和風速場，以保證展銷期間柜內各個位置菜心品質的一致性，并降低制造和使用成本。循環(huán)風幕式半導體制冷展示柜具有體積小、靈活性好等優(yōu)點，未來還將應用于各類農(nóng)產(chǎn)品保鮮展銷的應用場景，如葡萄、荔枝、鮮肉等，提高農(nóng)產(chǎn)品的保鮮效果，滿足人們對更高質量食品品質的需求。

5 結論

本研究設計了循環(huán)風幕式半導體制冷展示柜，并建立了菜心在銷售過程中的傳熱模型。通過對比常溫陳列、敞開式陳列柜和循環(huán)風幕式半導體制冷展示柜3 種不同展銷方式對菜心品質的影響，驗證展示柜的保鮮效果，結果表明：（1）菜心采用常溫、敞開式陳列柜及循環(huán)風幕式半導體制冷展示柜3 種展銷方式，質量損失率分別為37.8%、20.6%、9.3%，菜心質量損失率最高可降低28.5 個百分點。（2）循環(huán)風幕式展示柜可以減緩菜心貨架期品質變化速率，循環(huán)風幕式半導體制冷展示柜展銷27 h 后好菜率仍有35.8%，外觀較好，而其余兩種方式幾乎為0，葉面萎蔫卷曲。（3）菜心展銷過程中，葉綠素SPAD 值呈上升趨勢，但沒有發(fā)生黃化現(xiàn)象。

本研究對菜心展銷裝備設計及優(yōu)化、半導體制冷片選型和材料參數(shù)選擇具有一定的參考意義，保證菜心展銷期間的食品品質。