冷链技术简介——第Ⅲ部分 商用、专用及家用制冷设备

Judith EVANS（著）

（伦敦南岸大学，英国布里斯托尔 BS405DU）

邵月月**，范薇，王亚薇，田甜（译）

（中国制冷学会，北京 100142）

0 引言

全球在食品冷链相关设备上的投资巨大。制冷作为食品供应链中耗能最高的技术为全球带来了大量与可持续发展相关的挑战。在食品工业，制冷所用电能约占总消耗的35%。冷链通过直接或间接效应排放的温室气体量约占全球的2.5%。

1 商用、专用和家用制冷设备概述

商用、专用和家用制冷设备一般用于商超消费者购买食品的区域和终端用户。在超市、便利店、酒吧、餐馆等区域，通常使用耗电量低于3 kW 的小型自携冷凝机组制冷陈列柜、展示柜或远置冷凝机组大型集中制冷设备。自动售货机、冷水机、自动饮水机和小型制冷陈列柜也属于商用制冷设备。专用制冷设备一般应用于餐馆、咖啡厅和快餐店，用以存储未被消费的原材料。有时超市也使用专用冷柜，通常放置在熟食店的陈列柜后，用来储存食物。专用制冷设备大部分是用于储存食品（冷藏或冷冻）的冷柜，也包括冷却机和速冻机。绝大多数零售用制冷厨柜多为自携冷凝机组冷柜，也有远置冷凝机组冷柜。在制药领域还有专用的疫苗/血液/血浆制冷设备。家用制冷设备用于消费者在家中储存冷藏或冷冻食物。家用冰箱几乎均采用自携冷凝机组的制冷系统，其耗电量约为20～150 W。

2 存在的问题及市场趋势

2.1 温度性能

温度是控制食品品质和食品中细菌生长的主要因素。通常情况下，较低的温度可以延长食品贮藏时间，冷冻食品的最低存储温度取决于食品的初始冰点或发生冷害的温度。

2.1.1 餐饮场所的温度控制

餐饮场所温度控制的相关资料有限。目前，欧洲已开始实施立法来限制专用冷柜的最高温度和能耗情况。根据生态设计（指令2009/125/EC）和能效标识（指令2010/30/EU）的指标，除满足条件（实验室30 ℃的环境温度下进行测试时，冷藏专用冷柜的内部温度在-1～5 ℃，冷冻专用冷柜最高温度低于-15 ℃）的产品外，其余产品一律不能在欧洲销售。

2.1.2 零售超市的温度控制

零售超市中冷柜的温度由食品安全法规、标准和超市自身规范确定。然而冷柜在实际工作中常出现推荐温度与工作温度存在差异的情况。该情况可能是由于控制温度的探头位置移动、冷柜设置变化或冷柜使用变化造成的。除家庭环节外，零售陈列是食品冷藏链中最薄弱的环节。DERENS 等[1]发现，一旦食品进入超市，温度低于4 ℃（用于肉类）或6 ℃（用于酸奶）的样本数量低于70%。采购回家途中，这一比例进一步降低到16%，回家后这一比例仅恢复到34%。英国的一项研究发现，超市里多层冷藏柜中食品的平均温度差异很大，其温度变化范围在-1～16 ℃[2]。这一温度范围给食品制造商在定义商品保质期时带来问题，可导致保质期过于谨慎或存在潜在的食品安全风险。自携冷凝机组冷柜也经常存在温度波动范围较大的问题，并且柜内不同位置也会存在温度变化[3-4]。在相关标准中，允许其内部温度在小范围波动，其中允许温度范围为6～8 ℃甚至高达11 ℃。

2.1.3 家用冰箱的温度控制

家庭食品保鲜的温度控制十分重要。有数据表明，70%以上食物中毒的病例来源于家庭。当食品存储条件不佳时，则会导致病原微生物快速生长。

在过去的10年中，对家用冰箱内部温度的调查至少进行了15 次，结果非常相似，其内部平均温度为4.5～6.6 ℃，最高温度为11～14 ℃。这项结果表明，至少有50 %以上的家用冰箱平均温度高于4.5 ℃。最近在对英国671 台家用冰箱的温度调查中发现，冰箱的平均内部温度为5.3 ℃。其中，最高平均温度为14.3 ℃，最低平均温度为-4.1 ℃。调查的745 台速冻机的平均温度为-20.3 ℃。

2.2 能源消耗

2.2.1 餐饮业的能耗

餐饮业制冷设备能耗占该行业能耗的12%。冷藏柜的平均能耗为每年2,920 kW·h，冷冻柜的平均能耗为5,475 kW·h。目前关于专用冷柜实际使用能耗公开数据较少。从未公开实际使用数据来看，不同冷柜的能耗差异较大。相同型号的冷柜放置在不同的位置所消耗的能量也有很大的差异，这可能是由于使用的不同、局部条件不同（如环境温度、通风情况或靠近散热电器）所致。

2.2.2 零售超市的能耗

在超市能耗中制冷设备能耗占比最大。超市能耗取决于商业活动、商店形式、产品结构、购物活动以及用于店内食物制备、保存和展示的设备。超市每年单位面积所消耗的电能从大型超市的700(kW·h)/m2到便利店的2,000(kW·h)/m2之间大幅度变化，其中制冷设备用电量占总用电量的30%～60%，照明用电量占15%～25%，剩余部分为暖通空调设备和其他公用设备用电量。天然气通常用于取暖、生产生活热水，在某些情况下还用于烹饪和烘焙。在不使用天然气的加油站小型超市里，天然气的使用量为零，而在大型超市中天然气的使用每年超过250(kW·h)/m2。TASSOU 等[5]研究了不同规模超市的能源使用情况，在便利店中，自携冷凝机组制冷设备平均电能消耗比远置冷凝机组制冷设备高出约300(kW·h)/m2。EVANS 等[4]在对市面上冷柜进行EN23953 和EN441 测试研究中发现，不同类型冷柜之间以及同种冷柜之间的能耗均存在较大差异。通过在每一种类型冷柜中选择最佳型号，并研究降低冷柜温度范围的方法，可以实现大量节能。在超市中还有许多降低能耗的方法，EVANS 等[6]研究了81 种不同的技术在超市中直接和间接减排方面的潜力。其中大部分节能措施可以应用于已安装的冷柜上，包括冷柜门、带状帘、导流板/导向装置（均在敞开式机柜上）和改进的风扇。对于新冷柜还提供其他选择，例如使用高效蒸发器和微通道换热器优化冷柜中的气流。

2.2.3 家用冰箱的能耗

自1995年欧洲实施能效标识以来，制造商一直致力于减少家用冰箱和冷柜的能耗。由于能源使用情况的评估是能效标识的一部分，因此关于欧洲家用冰箱在测试条件下的能源使用情况存在大量资料。但因为测试均在密闭环境中进行，所以不能完全仿照现实生活中的能源使用情况。英国一项关于冰箱的研究[1]共收集了665 台冰箱的能耗数据，以7 d 为监测周期计算，其全年平均能耗为354 kW·h。虽然家用冰箱的能效已得到改善，但仍可通过使用高效隔热材料、改善压缩机效率、优化制冷系统的运行/控制以及改善热交换器来降低能耗。

2.3 制冷剂（直接）泄漏

2.3.1 餐饮场所的制冷剂泄漏

餐饮用冷柜直接泄漏制冷剂的数据较少。但它可能与家用制冷设备相似，因为两者的生产技术相近。有学者研究了1996—2002年德国商用制冷设备中HFC 类制冷剂的泄漏率调查结果中估计的餐饮冷柜制冷剂泄漏率为1.5%，与IPCC（政府气候变化专门委员会）的估算值0.5%～3%相似。

2.3.2 零售超市中的制冷剂泄漏

在较大的远置冷凝机组制冷系统中（集中式制冷系统），制冷剂的直接泄漏会产生很大的影响。泄漏主要为HCFC 类和HFC 类制冷剂的泄漏。超市中制冷剂的泄漏情况差异较大。在工业化国家，自携冷凝机组制冷设备的泄漏量极小（每年低于1%），而远置冷凝机组制冷设备的泄漏量较大，最佳情况为每年3%，最坏情况为每年20%～30%。研究表明通过改善管理、系统及技术或对操作员和维护团队进行更好的技能培训和资格认证可将泄漏率降至较低水平。减少超市制冷剂直接泄漏的方法较多，EVANS 等[6]研究表明，通过减少制冷剂充注量、按照制冷工程规范、应用低全球变暖潜能值（Global Warming Potential，GWP）制冷剂等可以显着实现节能。为了持续减少制冷剂泄漏，要更准确地了解系统泄漏的位置及原因。良好的维修记录可以帮助操作员实现对高风险区域和组件的快速识别，并判断维护工作的先后次序。

2.3.3 家用冰箱的制冷剂泄漏

相关数据表明，家用冰箱中的制冷剂泄漏率极低（每年小于1%）。有学者在假设制冷剂在设备停用时被移除的前提下，研究了1996—2002年德国家用冰箱中的HFC 类制冷剂的泄漏率为0.3%，与IPCC 的估算值0.1%～0.5%相似。对于发展中国家，道路条件较差可能导致管道破裂、断开，及存在缺乏监管、维修不善，所以泄漏率更高。据估计，发展中国家，在设备使用寿命内的泄漏率约为27%。

3 当前使用的制冷剂和潜在的替代品

3.1 餐饮业用制冷剂

餐饮冷柜传统上常用HFC 类制冷剂。最近许多 制造商开始改用R290（丙烷），R290 的GWP较低，且是一种高效的替代品。

3.2 超市用制冷剂

目前，超市用制冷剂中R744（CO2）和HC 类制冷剂的使用量正在增加，但目前超市制冷系统仍以HCFC 类和HFC 类制冷剂为主。在北欧国家，超市通常使用替代系统（如间接制冷系统）。在间接制冷系统中，载冷剂（如乙二醇）通过一次制冷系统冷却，再用泵送到冷柜中。其他系统包括使用水来冷却自携式冷柜的冷凝器，或者在机房制造冷空气来直接冷却陈列柜（仅限冷藏柜）。

3.3 家用冰箱用制冷剂

35%～40%的家用冰箱使用 R600a 制冷剂，R600a 是一种GWP 为3 的HC 类制冷剂。R600a易燃，但是一种高效的制冷剂[7]。一般情况下，采用HC 类制冷剂的冰箱在充注制冷剂之前均要进行氦泄漏测试。事实证明，该测试具有较高的可靠性，冰箱在消费者家中几乎不存在制冷剂泄漏的情况。欧洲、日本和中国的制造商均主要生产以R600a 为制冷剂的冰箱，该项技术在欧洲、日本和中国市场占据主导地位。2010年，技术和经济评估小组的进展报告中显示，预计10年后全球生产的新冰箱中至少75%使用HC 制冷剂。

4 发展前景与挑战

4.1 专用制冷

在过去的20年里，专用冷柜的基本设计几乎没有变化，效率仍然没有得到大幅提高。由于用户更在意的是冷柜采购成本，而非生命期成本，因此制造商难以采用费用较高的节能组件。虽然利用现有技术可以实现较大的能源节约，但主要问题是如何说服终端用户购买最高效节能的冷柜。

4.2 商用制冷

超市冷柜通常可以通过使用密封门、条形帘或减少空气渗透的技术实现节能[6]，而通过优化蒸发器或使用新型蒸发器技术可以进一步降低排放。同时应用低GWP 的替代制冷剂在节能方面也具有较大潜力。而目前主要的挑战是如何低成本应用这些技术，让对成本敏感的超市行业实现投资回报。

4.3 家用制冷设备

有数据表明，家用冰箱的实际温度高于冰箱运行的最佳温度。在过去的30年里，研究人员对家用冰箱的内部温度进行了大量调查，发现实际生活中家用冰箱只有少数能够以最佳状态运行。自20世纪90年代，家用电器开始使用能效标识以来，家用冰箱的能耗量大幅度降低。但还需达到更理想的温度条件（一般认为冷藏为0～5 ℃，冷冻低于-18 ℃），才能保障食品安全和品质，从而减少食品浪费，降低碳排放。

5 技术挑战和潜力

5.1 专用制冷设备

专用机组制冷设备性能的初步初始改进相对简单，涉及使用最好的组件和技术。有研究表明，通过对柜体专用制冷设备的改进，可将冷藏设备能耗降低到原来的74%、速冻设备能耗降低到原来47%（冷藏能耗由每日6.26 kW·h 降至1.62 kW·h，速冻能耗由每日8.53 kW·h 降至4.54 kW·h）。通过更换制冷剂，使用节能组件，优化加热器、门封和控制系统，可以达到很好的节能效果。其中优化门的密封性、使用直流风扇以及利用压缩机排出的高温高压气体融化蒸发器表面上霜层是实现节能的基本措施。当然未来还需要进一步改进才能达到“最佳”能效标识。如采用变频压缩机、更优的除霜方法、策略及先进的控制系统，拆除垫片和抗冷凝加热器，应用内螺纹管和先进的绝缘技术。这些方法都将在未来的节能策略中发挥一定作用。

5.2 商用制冷设备

商用制冷领域的技术挑战包括采用具有替代性的低GWP 制冷剂、在改善温度控制的同时降低能耗等。然而许多挑战不仅涉及技术问题，也涉及行为问题。例如，有人认为，购物者和食品之间的取货障碍可能会减少销售量，因此超市不愿为面向消费者的冷柜安装门。

5.3 家用制冷设备

与专用和商用冷柜相同，家用冰箱在降低能耗和温度控制方面也存在技术挑战。在过去的30年中，家用冰箱的能耗已大幅减少，但仍有进一步降低的潜力，主要挑战是如何经济地应用新型技术。

5.4 总体性问题

目前还存在一些与商用、专用和家用制冷设备均相关的问题。针对许多具有极低GWP 的制冷剂存在易燃或高压下运行的情况，设计者和技术人员在采用此类制冷剂前要充分了解其相关安全问题，并确保系统的设计和运行能够确保最终用户的安全。这通常涉及到安全标准及其应用方面的知识和培训。

5.5 相关推动政策

欧盟生态设计指令（指令2009/125/EC）是一项框架指令，责令能源消耗产品的制造商降低产品能耗和整个产品生命期中产生的其他负面环境影响。该指令由能效标识指令（指令2010/30/EU）补充而成，包含家用、专用电器两方面。就家用电器而言，几乎所有发达国家都适用类似的立法。

6 结论

商用、专用以及家用制冷设备应用于冷链的后段，在此食物先被储存后被食用。这些环节存在温度维护不佳、能耗不易降低等问题。商用制冷设备还存在制冷剂排放量较高的问题，该问题主要与大量使用远置冷凝机组制冷系统有关。综上所述，所有环节都有显着降低能耗的潜力。