冷鏈技術(shù)簡介
——第Ⅰ部分 冷藏庫和冷凍庫

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

經(jīng)過一次或二次加工（食品冷卻/冷凍或加工成副產(chǎn)品如飯菜）的食品進(jìn)入冷鏈的儲存和分配環(huán)節(jié)后應(yīng)保持在其所需的恒定溫度下。而實(shí)際情況并非如此，因?yàn)槭称吠ǔＴ趦Σ厥抑欣洳鼗蚶鋬觯皇抢洳鼗蚶鋬鲈趯Ｓ玫睦洳貛旎蚶鋬鰩熘?。冷庫是工業(yè)制冷的環(huán)節(jié)，通常作為冷藏庫或冷凍庫運(yùn)行，其排熱量高達(dá)10 MW。冷凍庫的一般運(yùn)行溫度在-26～-22 ℃[1]，對于特殊冰淇淋和某些小眾產(chǎn)品，如壽司，可在-60 ℃下儲存，食品可能會在冷凍庫中保存幾個(gè)月。某些水果和蔬菜，在冷藏庫中的存儲時(shí)間可能從數(shù)小時(shí)、數(shù)天到一年不等。冷藏庫的工作溫度通常為-1～4 ℃，一些水果、面包和蔬菜產(chǎn)品的儲存溫度為8～12 ℃。

1 冷鏈

“冷鏈”包含冷藏產(chǎn)品流通的各個(gè)環(huán)節(jié)。果蔬或動(dòng)物從采摘/宰殺的那一刻就開始面臨變質(zhì)的風(fēng)險(xiǎn)。通過降低這些食品的儲存溫度，可以減緩食品變質(zhì)的速度。降低水果和蔬菜的儲存溫度會減慢其新陳代謝的過程，進(jìn)而減慢腐敗。降低宰后動(dòng)物的儲存溫度可以減緩其潛在有害細(xì)菌的生長速度，使它們能夠以最小的食品安全風(fēng)險(xiǎn)運(yùn)往世界各地。所以使食品盡快降低到適宜溫度，并盡可能維持該溫度直至消費(fèi)終端十分重要。食品可以按照所需溫度在不同的冷藏運(yùn)輸設(shè)施中保持幾天、幾周乃至幾個(gè)月，最大限度地延長食品的儲存壽命和品質(zhì)。

圖1 冷藏鏈及其組成

冷鏈系統(tǒng)較為復(fù)雜，目前全球約有4 億噸食品使用冷藏保存，全球冷庫總量約為6 億 m3。據(jù)國際制冷學(xué)會（International Institute of Refrigeration，IIR）估算，全球運(yùn)行的制冷、空調(diào)和熱泵設(shè)備總數(shù)約為30 億臺，包括15 億臺家用冰箱。全球有9,000萬臺商用冷藏冷凍設(shè)備（包括自攜冷凝機(jī)組和遠(yuǎn)置冷凝機(jī)組）正在運(yùn)行，還有400 萬輛冷藏車（貨車、卡車、半掛車或掛車），120 萬臺冷藏集裝箱（冷藏箱）和47.7 萬個(gè)營業(yè)面積在500～20,000 m3的超市。所有制冷設(shè)備消耗的電量占總用電量的45%。

2 冷藏庫和冷凍庫概述

從生產(chǎn)到消費(fèi)者消費(fèi)的整個(gè)過程中，所有冷藏和冷凍的食品至少要在冷庫中保存一次。冷藏庫通常將產(chǎn)品的溫度保持在-1～12 ℃之間，而冷凍庫通常將產(chǎn)品的溫度保持在-18 ℃以下。冷庫形式具有多樣性，如圖2所示，從容量為10～20 m3的小型冷庫到數(shù)10萬m3的大型冷庫。任何形式的冷庫均可以使食品存放在適宜的溫度下，并盡可能保障食品的品質(zhì)。

圖2 典型的冷庫

冷藏庫中，溫度的控制關(guān)乎食品安全，溫度升高可能會破壞食品的安全性。在冷凍庫中，食品安全問題較??；假設(shè)冷庫內(nèi)的溫度保持在-10 ℃以下，此時(shí)微生物生長速度緩慢。然而食品品質(zhì)仍會發(fā)生變化，因?yàn)樵诖蠖鄶?shù)情況下，食品被儲存在其玻璃化轉(zhuǎn)變溫度之上。大多數(shù)食品的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度低于-30 ℃，而大多數(shù)冷凍庫的運(yùn)行溫度介于-18～-22 ℃。DERENS 等[2]研究表明，相比于冷鏈的其他環(huán)節(jié)，冷庫的溫度控制效果較好。

3 當(dāng)前的問題和市場趨勢

如何降低冷庫成本非常重要，可以通過降低能耗或在能源價(jià)格較低的時(shí)期運(yùn)行（通常稱為“負(fù)荷轉(zhuǎn)移”）來實(shí)現(xiàn)。冷庫的設(shè)計(jì)及其使用與維護(hù)是減少能耗至關(guān)重要的兩方面。冷庫還可能存在制冷劑泄漏問題，因此使用低全球變暖潛能值（Global Warming Potential，GWP）環(huán)保制冷劑也非常重要。

3.1 間接排放

間接排放受到熱負(fù)荷、發(fā)電燃料混合和電廠效率等因素的影響。如圖3所示，冷庫熱負(fù)荷主要由以下因素構(gòu)成：傳熱（通過墻壁和天花板）、門的滲透、固定負(fù)荷（如風(fēng)機(jī)和地板傳熱）以及來自人員和機(jī)器的熱負(fù)荷。理想情況是，在最常見的運(yùn)行工況下將設(shè)備設(shè)計(jì)為最高效率。這要求設(shè)計(jì)時(shí)需要了解當(dāng)?shù)丶竟?jié)性環(huán)境條件（溫度和濕度）以控制冷凝溫度（制冷系統(tǒng)冷凝器通常位于建筑物外部）、使用模式以及冷庫的熱負(fù)荷。冷庫能耗較高，庫內(nèi)設(shè)施所消耗的60%～70%電能用于制冷。IIR 在2002年估計(jì)，冷庫每年用電量為30～50(kW·h)/m3。最近對部分冷庫的調(diào)查結(jié)果表明，實(shí)際能源消耗量遠(yuǎn)大于估計(jì)數(shù)字，通常為一倍以上[3]，另外通過優(yōu)化冷庫的使用方法、維修現(xiàn)有設(shè)備以及節(jié)能設(shè)備的改造升級，可以實(shí)現(xiàn)30%～40%的節(jié)能。然而冷庫經(jīng)營者往往不愿安裝新設(shè)備，因?yàn)樗麄儾⒉磺宄梢怨?jié)省的具體費(fèi)用。

圖3 冷庫中的熱負(fù)荷

對相當(dāng)數(shù)量冷庫性能比較的研究很少公開發(fā)表。EVANS[4]匯總了來自23 個(gè)國家的429 個(gè)冷庫（167 個(gè)冷藏庫、187 個(gè)冷凍庫和75 個(gè)混合庫）數(shù)據(jù)。調(diào)查結(jié)果如表1所示，各冷庫之間的能耗存在較大差異。在許多情況下，性能最好的冷庫其每立方米能耗（也稱單位能量消耗，SEC）約為最差冷庫的一半。造成這種情況的原因很多，不僅是效率低。例如，較高SEC 冷庫可能比較低SEC 冷庫具有更高的使用率和更豐富的功能。

表1 冷庫的單位能量消耗SEC 值范圍[4]

3.2 直接泄漏

不同類型的制冷設(shè)備以及不同的國家，制冷劑泄漏的數(shù)值差異很大。表2所示為基于2007年英國溫室氣體清單[5]所列的EU-15 地區(qū)典型泄漏率，得到不同類型的設(shè)備泄漏率有顯著差異，工業(yè)制冷（包括冷庫）每年制冷劑泄漏率為8%。關(guān)于發(fā)展中國家制冷劑泄漏的數(shù)據(jù)很少，但有數(shù)據(jù)表明，發(fā)展中國家的制冷劑泄漏率可能是發(fā)達(dá)國家的兩倍。

表2 RAC 環(huán)節(jié)的典型制冷劑排放量[5]

4 當(dāng)前使用的制冷劑和潛在替代品

制冷劑的選擇是關(guān)于環(huán)境、安全和可持續(xù)發(fā)展的重要問題。在食品工業(yè)中，大多數(shù)冷藏/冷凍庫使用直接膨脹式制冷系統(tǒng)。該系統(tǒng)由兩個(gè)熱交換器（冷凝器、蒸發(fā)器）、一個(gè)泵、提高制冷劑壓力的裝置（壓縮機(jī)）、膨脹裝置及相關(guān)的控制裝置、儲存容器和安全裝置組成。在大型設(shè)備中，泵再循環(huán)系統(tǒng)較為常見，通常使用氨（R717）作為制冷劑，在該系統(tǒng)中，制冷劑先存儲在大型的低壓貯液器中，然后通過泵或重力輸送到蒸發(fā)器。

目前，許多冷庫使用氨作為制冷劑，氨的GWP可以忽略不計(jì)，但具有輕微的易燃性和毒性。為了確保安全操作，在使用時(shí)必須進(jìn)行安全培訓(xùn)并遵循安全規(guī)范。

成本是冷庫運(yùn)營時(shí)考慮的主要因素。當(dāng)充分考慮生命期成本時(shí)，往往有利于投資方選擇那些具有較高的初始和維護(hù)成本，但具有較低能耗的系統(tǒng)。

在某些情況下，可以采用復(fù)疊系統(tǒng)。最常見的CO2復(fù)疊系統(tǒng)，低溫側(cè)采用在臨界溫度下工作的CO2，高溫側(cè)采用氨。這種設(shè)計(jì)可以讓系統(tǒng)提供低溫?zé)崴?，但不適合提供高溫?zé)崴?/p>

聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署的數(shù)據(jù)顯示，工業(yè)制冷中HFCS的消費(fèi)量占HFCS總消費(fèi)量的2%。在2015—2050年間，工業(yè)制冷中HFCS的消費(fèi)量預(yù)計(jì)每年將增長約6.7%。近年來，一些發(fā)生過事故或較為謹(jǐn)慎的國家，有將氨轉(zhuǎn)向HFCS的傾向。在各國本地法規(guī)條例、ISO（國際標(biāo)準(zhǔn)化組織）、IEC（I-E-C）和區(qū)域規(guī)范（如歐洲規(guī)范，EN）中，均有相關(guān)安全標(biāo)準(zhǔn)。其中ISO 5149（2014）、EN 378（2008/2012）涵蓋了工業(yè)制冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)、建造和安全條款。

大型和小型冷庫系統(tǒng)潛在替代制冷劑情況如表3所示。其中小型冷庫以多種HFO 類制冷劑及HFO 混合類制冷劑為主；大型冷庫中一些較新的冷庫使用天然制冷劑（主要為CO2）；此外，還有使用市場占比較小的載冷劑（例如水、鹽水、乙二醇、硅油或浮冰?），這些載冷劑由集中式制冷系統(tǒng)冷卻，然后用泵送至冷庫吸取熱量。該系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是可以在一次回路中使用易揮發(fā)或有毒的制冷劑，制冷劑用量可降至最低。對于當(dāng)前冷庫制冷系統(tǒng)使用的制冷劑主要為：HFC-134a、HFC-404A、HCFC-22、HFC-410A、HFC-407C、HFC-507A 和HFC-422D。

表3 潛在替代制冷劑

熱電聯(lián)產(chǎn)、多聯(lián)發(fā)電和三聯(lián)發(fā)電技術(shù)可以利用多種能源輸入來提供多種能源輸出。如果這些輸出能源可投入使用就可能降低能耗。這類系統(tǒng)的一次能源包括化石燃料、生物燃料和可再生能源，能源輸出包括熱、電和冷。對于只有冷藏功能的傳統(tǒng)冷庫，通常設(shè)置在能從周邊生產(chǎn)設(shè)施能源輸出中獲益的位置。

如果周圍有可用來驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的余熱，則冷庫可以采用吸收式系統(tǒng)。吸收式系統(tǒng)通過將制冷劑與另一種流體結(jié)合來改變制冷劑的沸點(diǎn)。用于冷凍的通常是氨水。在未來，會有更多的熱能回收、能源網(wǎng)和區(qū)域供熱系統(tǒng)被采用，因?yàn)槠渚哂幸欢ǖ慕?jīng)濟(jì)性和吸引力。雖然全球科學(xué)家正在研究一些新的制冷技術(shù)（如磁熱、熱電和熱聲），但這些技術(shù)用于冷庫的機(jī)會顯然有限。這些新技術(shù)中的大多數(shù)都是針對商用和小型制冷系統(tǒng)。

5 發(fā)展前景和挑戰(zhàn)

有多種操作或控制方法可以節(jié)省用于食物冷藏的能源。許多冷庫操作員利用控制策略來節(jié)省能源，包括對蒸發(fā)器風(fēng)機(jī)、制冷系統(tǒng)或冷庫內(nèi)溫度的控制等。減少冷庫能耗應(yīng)集中在以下3 個(gè)方面：減少冷庫的熱負(fù)荷、加強(qiáng)維護(hù)和規(guī)范操作、改善制冷系統(tǒng)的運(yùn)行效率。提高制冷系統(tǒng)的蒸發(fā)溫度或降低系統(tǒng)冷凝溫度都會節(jié)約能源。在許多情況下（特別是在冷凍庫中），庫內(nèi)實(shí)際溫度低于所需水平，便于在設(shè)備發(fā)生故障時(shí)提供安全余量。

冷庫經(jīng)營者通常會采用一定策略來控制成本（不一定是能源方面），在能源需求高峰期（此時(shí)能源價(jià)格較高，能源價(jià)格可能為低需求時(shí)期的4 倍）關(guān)閉制冷系統(tǒng)。在此期間，允許庫內(nèi)溫度上升，當(dāng)能源成本回到較低水平時(shí)再開機(jī)進(jìn)行降溫。

在未來，風(fēng)能、海浪能和太陽能等可再生能源的使用可能會減少冷庫用能對環(huán)境的影響。太陽能電池板具有屏蔽太陽直接光照的優(yōu)勢，并能實(shí)現(xiàn)電力生產(chǎn)。

5.1 技術(shù)挑戰(zhàn)與潛力

能耗是食品冷庫運(yùn)營中的主要成本。多項(xiàng)能源審計(jì)的結(jié)果表明，在冷庫中可節(jié)能的數(shù)值比較可觀。EVANS 等[6]研究表明通過優(yōu)化冷庫的使用方法、維修現(xiàn)有設(shè)備以及節(jié)能設(shè)備的改造升級，可以減小能耗，通常這些改進(jìn)的投資回收期短于1年。為了減少制冷劑泄漏，英國已開展了大量研究，研究工作現(xiàn)已擴(kuò)展到整個(gè)歐洲COWAN 等[7-8]。立法、財(cái)政措施、新技術(shù)、替代制冷劑及其他舉措都有助于改善制冷劑泄漏問題。歐洲F-Gas 法規(guī)（第842/2006號法規(guī)）規(guī)定，安裝、維護(hù)、調(diào)試、拆卸或設(shè)計(jì)包含HFCs 的制冷系統(tǒng)只能由經(jīng)過認(rèn)證的專業(yè)人員來完成。該規(guī)定還要求由受過培訓(xùn)的專業(yè)人員定期對系統(tǒng)進(jìn)行泄漏檢查。自2009年7月以來，這些規(guī)定一直被沿用。F-Gas 法規(guī)意在引導(dǎo)向低GWP 制冷劑發(fā)展。氨是冷庫中廣泛使用的低GWP 制冷劑，由于其具有較高的安全要求，因此需對相關(guān)制冷技術(shù)人員進(jìn)行全面培訓(xùn)。許多可供選擇的低GWP 制冷劑都存在與高壓或可燃性相關(guān)的問題。隨著系統(tǒng)安全問題的增多，需加強(qiáng)對制冷技術(shù)人員的培訓(xùn)來確保系統(tǒng)正常運(yùn)行。

未來通過在冷庫中使用熱回收裝置，以及提高冷庫與“本地”設(shè)施之間的整合程度可能會進(jìn)一步提升冷庫經(jīng)濟(jì)性。從壓縮機(jī)的油冷卻器中可以回收相對低品位的熱量，最多提取壓縮機(jī)電機(jī)功率的60%。利用壓縮機(jī)排氣或壓縮機(jī)油冷卻器的熱量來預(yù)熱鍋爐水的系統(tǒng)已經(jīng)開發(fā)出來。

5.2 相關(guān)驅(qū)動(dòng)政策

在過去的30年里，制冷和空調(diào)工業(yè)經(jīng)歷了長足的發(fā)展和現(xiàn)代化轉(zhuǎn)型。但許多使用了幾十年的制冷劑造成了臭氧層破壞和全球變暖?！睹商乩麪栕h定書》規(guī)定臭氧消耗物質(zhì)（Ozone Depleting Substances，ODSs）將逐步淘汰，這促使工業(yè)界向零臭氧消耗潛力值（Ozone Depletion Potential，ODP）替代制冷劑和相關(guān)技術(shù)發(fā)展。2016年10月《基加利修正案》為《蒙特利爾議定書》賦予了另一個(gè)維度上的意義，增加了對HFCs 制冷劑生產(chǎn)和消費(fèi)的控制，這項(xiàng)規(guī)定將會為氣候變化做出重大貢獻(xiàn)。

通過逐步淘汰HCFCs 和CFCs 等對臭氧層具有破壞作用的制冷劑，以及控制HFCs 制冷劑的生產(chǎn)和消費(fèi)，將會進(jìn)一步加速實(shí)現(xiàn)《蒙特利爾議定書》的預(yù)定目標(biāo)。在與氣候有關(guān)的公約中（《巴黎協(xié)定》和《京都議定書》），HFCs 制冷劑也被列為溫室氣體。但是只有UNFCCC（《聯(lián)合國氣候變化框架公約》）提出此項(xiàng)要求，尚未發(fā)現(xiàn)其他專門控制HFCs 制冷劑排放的行動(dòng)。制冷劑對氣候的影響分為直接影響和間接影響。直接影響源自其GWP 和排放到大氣中的制冷劑量（泄漏、事故、處理或處置不當(dāng)所致）。間接影響與設(shè)備運(yùn)行過程中消耗的能源（化石燃料發(fā)電產(chǎn)生的CO2（CH4程度較輕））有關(guān)，通常比直接影響更大。通過改進(jìn)設(shè)計(jì)、優(yōu)化現(xiàn)場調(diào)試和維護(hù)措施以及遵守當(dāng)?shù)叵嚓P(guān)標(biāo)準(zhǔn)和法規(guī)，可有效減少制冷劑直接或間接排放造成的影響。

目前，多個(gè)重要組織正在制定與制冷和空調(diào)行業(yè)有關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)。聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署發(fā)布的《制冷和空調(diào)國際標(biāo)準(zhǔn)手冊》[9]中總結(jié)了由國際標(biāo)準(zhǔn)化組織和部分國家和地區(qū)標(biāo)準(zhǔn)組織制定的制冷與空調(diào)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

整體而言，冷鏈?zhǔn)亲钪匾秩菀妆缓鲆暤臉I(yè)務(wù)領(lǐng)域之一。這是由于它與經(jīng)濟(jì)、社會和技術(shù)等不同領(lǐng)域相互交叉，如食品、健康、運(yùn)輸和旅游等。當(dāng)選擇使用環(huán)境影響較小、能源效率高、經(jīng)濟(jì)性好的冷鏈技術(shù)時(shí)，往往涉及同一國家不同團(tuán)體和組織的標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范。2015年9月，國際社會通過了《2030年可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)》（SDGs），其中目標(biāo)2（零饑餓）是到2030年必須實(shí)現(xiàn)的第二個(gè)全球目標(biāo)。這意味著需要快速有效地解決食品安全與食品浪費(fèi)這兩大問題，而這兩大問題均取決于冷鏈流通能力。除了與冷鏈直接相關(guān)的目標(biāo)2（零饑餓），其他目標(biāo)也與冷鏈業(yè)務(wù)相關(guān)，例如目標(biāo)3（健康與幸福）、目標(biāo)9（行業(yè)創(chuàng)新與基礎(chǔ)設(shè)施）、目標(biāo)12（負(fù)責(zé)任的消費(fèi)與生產(chǎn)）、目標(biāo)13（氣候行動(dòng)）。因此，應(yīng)對冷鏈挑戰(zhàn)的綜合方案可帶來多種社會經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益。

6 結(jié)論

冷庫環(huán)節(jié)是食品冷鏈中溫度控制最佳的環(huán)節(jié)之一。大多數(shù)冷庫使用低GWP 制冷劑，因此碳排放主要是由能源消耗產(chǎn)生的。冷庫的能源使用情況差異很大，許多冷庫通過采用良好措施或節(jié)能設(shè)備和組件來減少能源消耗。