易腐食品冷藏鏈節(jié)能減排新技術(shù)研究進(jìn)展

申 江 宋 燁 齊含飛 劉興華

(1 天津商業(yè)大學(xué) 天津市制冷技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(zhì)的重要手段，食品在運(yùn)輸、貯藏、零售分銷過(guò)程中始終需要保持低溫環(huán)境，所以在整個(gè)食品冷藏鏈過(guò)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(dāng)前，資源與環(huán)境是整個(gè)社會(huì)都面臨的最重要問(wèn)題，食品冷鏈也必須走可持續(xù)發(fā)展道路[1]。

冷藏鏈?zhǔn)请S著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步、制冷技術(shù)的發(fā)展而建立起來(lái)，是以食品冷凍工藝學(xué)為基礎(chǔ)，以制冷技術(shù)為手段，在低溫條件下的物流現(xiàn)象，是一項(xiàng)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(fù)荷、使用高效低能耗的設(shè)備、制冷設(shè)備的合理運(yùn)行管理以及不斷研究新的節(jié)能環(huán)保型制冷技術(shù)和冷藏保鮮技術(shù)等問(wèn)題集中起來(lái)考慮，協(xié)調(diào)處理以確保實(shí)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(jì)有限，具體在冷藏鏈某一環(huán)節(jié)能源消耗比例并不詳細(xì)。但在已做的工作中，已經(jīng)確定了冷藏鏈過(guò)程中各環(huán)節(jié)潛在節(jié)能量的排名[2]，見(jiàn)表1。

表1 冷鏈過(guò)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(fèi)最大也是最容易節(jié)約的環(huán)節(jié)，Mitchell[3]通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)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(jìn)一步分析因照明每年制冷系統(tǒng)多浪費(fèi)能源11800kWh，總體估計(jì)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(yùn)輸環(huán)節(jié)

一項(xiàng)關(guān)于食品冷藏運(yùn)輸?shù)恼{(diào)查(Tassou et al,2008)[5]結(jié)果表明冷藏運(yùn)輸制冷系統(tǒng)的COP較低，在0.5～1.75之間，且運(yùn)輸過(guò)程中40%的柴油消耗用于制冷系統(tǒng)，如果能提高冷藏運(yùn)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(kù)中停留時(shí)間最長(zhǎng)，所以對(duì)冷庫(kù)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化可有效的減少能源損耗。在整個(gè)冷庫(kù)系統(tǒng)中功耗最大的是壓縮機(jī)，所以正確計(jì)算冷庫(kù)負(fù)荷，合理選用壓縮機(jī)是減少冷庫(kù)能耗的最佳途徑，其次對(duì)冷庫(kù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，如庫(kù)門進(jìn)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(yīng)用

自從第一個(gè)鹵代烴制冷劑R21發(fā)明后的近70年， 世界面臨著過(guò)去幾十年來(lái)在制冷科技領(lǐng)域未曾經(jīng)歷過(guò)的最大挑戰(zhàn)，這就是全球的環(huán)境問(wèn)題。為了應(yīng)對(duì)全球變暖引起的“制冷劑戰(zhàn)爭(zhēng)”的挑戰(zhàn)，目前國(guó)外對(duì)于冷藏鏈工質(zhì)的研究重點(diǎn)主要集中在自然工質(zhì)方面，自然工質(zhì)擁有不造成全球變暖的優(yōu)勢(shì)，但對(duì)于自然制冷劑應(yīng)用于制冷系統(tǒng)綜合的效應(yīng)研究不夠，基于此，歐洲提出了一種新的制冷工質(zhì)評(píng)價(jià)體系，該評(píng)價(jià)體系是將制冷系統(tǒng)和制冷工質(zhì)的整個(gè)性能與當(dāng)?shù)貙?shí)際條件聯(lián)系起來(lái)進(jìn)行綜合的評(píng)價(jià)，該體系的評(píng)價(jià)軟件包含920個(gè)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(zhì)時(shí)可根據(jù)當(dāng)?shù)貙?shí)際的氣候條件或者接近當(dāng)?shù)氐臍夂驐l件選擇。評(píng)價(jià)軟件可以提供自然工質(zhì)(二氧化碳、氨以及R290等)與現(xiàn)有制冷工質(zhì)的比較，可以評(píng)價(jià)的系統(tǒng)也包含單級(jí)制冷系統(tǒng)和復(fù)疊式制冷系統(tǒng)，評(píng)價(jià)指標(biāo)同時(shí)包括生命周期成本的評(píng)估和TEWI等。各地使用自然工質(zhì)代替現(xiàn)有的制冷劑后節(jié)能情況效果明顯，最高可達(dá)28%[7]。

3 冷藏鏈節(jié)能新技術(shù)

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

3.1 尾氣驅(qū)動(dòng)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(jī)排除的廢氣能量平均可達(dá)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(shè)計(jì)制造了一套冷藏車用尾氣驅(qū)動(dòng)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(qū)動(dòng)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(nèi)冷藏溫度為-20～0℃，環(huán)境溫度為20～30℃的條件下對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果顯示：進(jìn)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(shè)計(jì)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(qū)動(dòng)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(qū)動(dòng)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(qū)動(dòng)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?xì)鉁u輪機(jī)的大型工廠，美國(guó)、英國(guó)等少數(shù)發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)應(yīng)用于超市制冷系統(tǒng)當(dāng)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(guó)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?xì)?88136kWh。能源系統(tǒng)經(jīng)過(guò)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(yīng)系統(tǒng)如圖5所示。超市能源供應(yīng)采用兩種方案，方案1由CO2亞臨界制冷系統(tǒng)與微型燃?xì)廨啓C(jī)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?xì)鈾C(jī)回收的熱量驅(qū)動(dòng)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(dāng)CO2制冷系統(tǒng)的制冷能力是不夠時(shí)。輔助的制冷機(jī)組可以滿足超市所需要的制冷量，當(dāng)回收的熱量不足時(shí)啟動(dòng)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?xì)廨啓C(jī)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?xì)鈾C(jī)回收的熱量用于驅(qū)動(dòng)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(shí)，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(yù)計(jì)的節(jié)能情況與減少CO2排放情況見(jiàn)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(jì)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(shù)

CO2作為一種天然制冷劑在制冷領(lǐng)域吸引了越來(lái)越多的關(guān)注，與常規(guī)制冷劑相比其ODP為0，其制冷循環(huán)系統(tǒng)簡(jiǎn)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(guò)熱回收裝置驅(qū)動(dòng)吸收、吸附式制冷機(jī)組[12]等。下圖為超市用帶回?zé)嵫b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(guò)兩個(gè)換熱器進(jìn)行回收。夏季時(shí)，熱回收的熱量(Q1)可用于驅(qū)動(dòng)吸收/吸附式制冷機(jī)組供應(yīng)超市空調(diào)系統(tǒng)；冬季時(shí)，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(yīng)，一部分熱量(Q4)可在冬季時(shí)供應(yīng)地板采暖系統(tǒng)。經(jīng)過(guò)運(yùn)行測(cè)試，熱回收系統(tǒng)各部分回收的熱量以及對(duì)應(yīng)所節(jié)約的能量見(jiàn)表4所示。

表4 熱回收系統(tǒng)各部分回收的熱量以及對(duì)應(yīng)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(guò)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(gè)諧振器里振動(dòng)來(lái)進(jìn)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(zhì)和兩個(gè)熱交換器。如圖7所示，通過(guò)聲源發(fā)出的聲波引起氣體共振，氣體前后震蕩時(shí)會(huì)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(guò)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(kāi)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(kāi)發(fā)階段的熱聲冰箱，溫度范圍可覆蓋整個(gè)低溫帶?？蓱?yīng)用于家庭和商用冰箱以及陳列柜，其優(yōu)勢(shì)在于完全摒棄了傳統(tǒng)的制冷劑，減少對(duì)環(huán)境的破壞。

熱電制冷原理為帕爾帖效應(yīng)，當(dāng)電流經(jīng)過(guò)導(dǎo)電材料交界面時(shí)可以引起交界面的冷卻或加熱，以目前的技術(shù)制冷量范圍從幾毫瓦到數(shù)十千瓦[16]，可以應(yīng)用于冰箱、酒柜等小型冷藏裝置，目前已開(kāi)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(duì)環(huán)境完全沒(méi)有破壞，沒(méi)有噪音和振動(dòng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，質(zhì)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(shè)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(shù)

冰溫技術(shù)應(yīng)用于食品貯藏領(lǐng)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(chǔ)藏

冰點(diǎn)調(diào)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(diǎn)調(diào)節(jié)劑中，果蔬吸收冰點(diǎn)調(diào)節(jié)劑可達(dá)到降低冰點(diǎn)的目的，經(jīng)過(guò)冰點(diǎn)調(diào)節(jié)劑處理的果蔬不僅增強(qiáng)了自身的低溫適應(yīng)性而且擴(kuò)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(nèi)。過(guò)低的貯藏溫度將危及一些低糖含量的果蔬貯藏品質(zhì)，造成嚴(yán)重低溫冷害及低溫凍結(jié)。為將低糖含量果蔬安全貯藏于冰溫環(huán)境中，技術(shù)人員成功地開(kāi)發(fā)出冰膜貯藏技術(shù)[20]，即通過(guò)在果蔬表面涂抹一層類似人工冰或人工雪的冰膜，來(lái)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(diǎn)調(diào)節(jié)劑貯藏法同樣適用于加工品的冰溫貯藏，通過(guò)向加工品添加冰點(diǎn)調(diào)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(shí)現(xiàn)。其中，冰點(diǎn)調(diào)節(jié)劑的濃度及種類會(huì)影響冰點(diǎn)調(diào)節(jié)的效果，環(huán)境溫度也是影響因素之一。

4 結(jié)論

當(dāng)前，我國(guó)節(jié)能減排形勢(shì)十分嚴(yán)峻，2009年國(guó)際氣候大會(huì)中國(guó)承諾，到2020年中國(guó)單位國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值CO2排放比2005年下降40%～45%。面對(duì)艱巨的節(jié)能減排任務(wù)，食品冷藏鏈也是義不容辭。這里探討了當(dāng)前食品冷藏鏈中的耗能情況及節(jié)能措施，并在此基礎(chǔ)上提出一些適合于冷藏鏈節(jié)能和發(fā)展的新技術(shù)，如冷藏車尾氣回收制冷技術(shù)、冷熱電三聯(lián)產(chǎn)、CO2制冷技術(shù)、熱聲制冷技術(shù)等。希望對(duì)食品冷藏鏈技術(shù)、設(shè)備以及管理方面的提高有所幫助，使我國(guó)食品冷藏鏈技術(shù)以及設(shè)備方面進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化與國(guó)際接軌，確保我國(guó)食品冷藏鏈?zhǔn)聵I(yè)能夠?qū)崿F(xiàn)科學(xué)發(fā)展，走可持續(xù)發(fā)展的道路。

[1]邱嘉昌,劉龍昌.食品冷藏鏈的節(jié)能[C]//第2屆中國(guó)食品冷藏鏈新設(shè)備、新技術(shù)論壇文集, 2004:25-26.

[2]James S J ,James C.Improving energy efficiency within the food cold-chain[C]// The 23rd IIR International Congress of Refrigeration,885:2-3.

[3]Mitchell S.Fiber optic lighting in low temperature reachin refrigerated display cases[J]. Design&Engineering Services report, 2006.

[4]James SJ,Swain MJ,Brown T, et al. Improving the energy efficiency of food refrigeration operations[C]// Institute of Refrigeration, London Chamber of Commerce and Industry, London, 2009.

[5]Tassou SA, De-Lille G, Ge YT. Food transport refrigeration-Approaches to reduce energy consumption and environmental impacts of road transport[J]. Thermal Eng., 2008(8-9): 1467-1477.

[6]申江,李圓圓.冷藏庫(kù)的節(jié)能途徑[J].農(nóng)產(chǎn)品加工, 2006,(4):59-61.(Shen Jiang,Li Yuanyuan. The research on the energy saving of cold storage[J]. Academic Periodical of Farm Products Processing,2006,(4):59-61.)

[7]A C Pachai, M A Jones.Using natural refrigerants in the cold chain[C].1st IIR International Cold Chain Conference,Cambridge UK,2010.

[8]J Koehler,W J Tegethoff, et al. Absorption refrigeration system for mobile applications utilizing exhaust gases[J].Heat and Mass Transfer, 1996,(5):333-340.

[9]S A Tassou, J S Lewis, et al. A review of emerging technologies for food refrigeration applications[J].Applied Thermal Engineering,2010(30):263-276.

[10]S A Tassou, I Chaer, N Sugiartha, et al. Application of trigeneration systems to the food retail industry[C]//Energy Conversion and Management, 2007: 2988-2995.

[11]I Sumir,S A Tassou,A Hadawey,et al.Integration of CO2refrigeration and trigeneration systems for supermarket applications[C]//1st IIR International Cold Chain Conference,Cambridge UK, 2010.

[12]O Finckh,R Schrey,M Wozny.Energy and efficiency comparison between standardized hfc and CO2transcritical systems for supermarket applications[C]//The 23rd IIR International Congress of Refrigeration, 357:2.

[13]I Colombo, L Jordan, G Maidment, et al. A R744 transcritical system with heat recovery for a supermarket[C]// 1st IIR International Cold Chain Conference,Cambridge UK, 2010.

[14]D L Gardner,G W Swift.A cascade thermoacoustic engine[J]. Journal of the Acoustical Society of America,2003:1905-1919.

[15]Ben and Jerry's [EB/OL].http://www.acs.psu.edu/thermoacoustics/refrigeration/ benandjerrys.htm.

[16]J G Stockholm.Current state of Peltier cooling[C]//Proceedings of 16th International Conference on Thermoelectrics, 1997: 37-46.

[17]G Min, D M Rowe.Experimental evaluation of prototype thermoelectric domestic-refrigerators[J].Applied Energy,2006:133-152.

[18]山根昭美,松本通夫,山下昭道,等.鳥(niǎo)取縣食品加工研究所研究報(bào)告[J]. 1984(21):13.(Akira Yamane, Michio Matsumoto, et al. The research of Tottori food processing[J]. 1984(21):13.)

[19]Akira Yamane.フドパッケジ[J]. 1983, 27(5):81.

[20]日本冰溫研究所.冰溫[P].1991.(Japan Institute of ice temperature,ice temperature,1991.)