二氧化碳制冷技术在农产品冷链物流保鲜中的应用研究进展

张德权，徐毓谦，宁静红，王德宝，侯成立，任 驰，黄彩燕，王 素

二氧化碳制冷技术在农产品冷链物流保鲜中的应用研究进展

张德权1，徐毓谦1，宁静红2，王德宝1，侯成立1，任 驰1，黄彩燕1，王 素1

（1. 中国农业科学院农产品加工研究所，农业农村部农产品质量安全收贮运管控重点实验室，北京 100193；2. 天津商业大学天津市制冷技术重点实验室，天津 300134）

随着中国“双碳”政策措施的逐步落地，绿色环保的新型制冷技术成为发展重点。二氧化碳（CO2/R744）作为无色、无味、无毒、不可燃的天然工质，具有热稳定性好、单位容积制冷量高、全球温室效应低的特点，是一种理想的传统制冷剂替代品。CO2制冷技术逐步应用于农产品仓储物流、制冰、空调等领域，但当前中国农产品仓储物流过程普遍存在能耗高的突出问题，亟需研发绿色节能制冷技术。该文阐述了CO2制冷原理与发展历程，并从制冷系统、制冷设备及相关配件的角度，深入分析了CO2制冷技术与压缩机、换热器、节流装置等CO2制冷设备的国内外研发情况；综述了CO2制冷技术在农产品储存和运输环节中的应用进展，提出了亟待解决不同工况下CO2制冷设备匹配度、低温环境下CO2压缩效率与液化效率等技术难点；基于中国农产品冷链物流最先一公里和最后一公里断链的突出问题，建议加快研发适宜中国农产品冷链物流产业特点的CO2移动式冷库和立体智能冷库等设施设备，提高CO2制冷设备的可靠性、系统的稳定性，满足不同冷链物流业态对CO2制冷技术的强劲需求。

农产品；保鲜；二氧化碳；制冷技术；冷链物流

0 引 言

中国是农产品生产与消费大国，据统计，农产品产后平均损失率高达15%～25%，是发达国家的3～5倍[1]；冷库能耗年平均水平为131 kW·h/d，远高于日本和英国的平均水平60 kW·h/d[2]，而冷链物流可最大限度保持农产品品质、降低产后损耗[3]。在碳中和与碳达峰的政策背景下，绿色、低碳发展已成为中国冷链物流行业发展的主要趋势，新型低碳制冷技术的研发与应用成为社会各界关注的焦点[3]。

制冷是利用人工方法，在一定时间内从一个物体或系统中移去热量而使其低于周围环境温度并维持低温的过程[4]。随着科技的发展，制冷技术日趋成熟，已深入到人类生活、商业制造、工农业生产、生物医学和科学研究等各个领域，其中在冷冻冷藏[5]、调节生活环境温度等方面应用最为广泛[4]。早期制冷剂主要包括氟氯烷烃（chlorofluorocarbon，CFC）类、氢氟氯烃（hydrochlorofluorocarbon，HCFC）类和氢氟烃（hydrofluorocarbon，HFC）类物质[6]，易造成臭氧层破坏，加剧温室效应[7]。二氧化碳（CO2）作为一种天然制冷工质（编号R744），具有无毒、不破坏臭氧层、安全环保等优点。其制冷效率（coefficient of performance，COP）高于其他制冷剂，0 ℃时单位制冷量比常规制冷剂高5～8倍，制冷能效可提升30%，是理想的传统制冷剂替代品。

预习是学习的一个重要环节，养成预习的习惯，重视预习工作，对于数学学习十分重要。经过调研，我们得出一个结论，凡是预习工作做得好的学生，成绩都会相对出色，凡是预习工作做得不好的学生，成绩一般都不会太突出。因此，在教学过程中，我们应该注重培养学生预习习惯的养成。

新课程改革全面推行素质教育，使学生的发展更为全面。政治是对学生进行德育培养的重要学科，是促进学生全面发展的一部分。高中时期的学生正处在思想与身体发展的关键时期，高中政治不仅是学生高考的重要学科，还是学生思维发展的指明灯。高中政治所涉范围广泛，不仅涵盖经济、文化，还涉及一定的政治与哲学知识，使学生具备一定的宏观视野，学会辩证的思维方式，对学生的成长具有很大的影响。我们必须重视高中政治的作用，才能够更好地使学生的发展全面、彻底，真正实现政治教育的目的。

目前，世界各国都在积极推动CO2制冷技术相关标准与规范的起草，旨在推动其在工业、商业等方面的应用[8]。当前，中国农产品仓储物流过程中普遍存在能耗高、成本高的问题，一定程度上制约了农产品产地低温处理和冷链物流流通，而CO2制冷技术为农产品冷链物流保鲜提供了新的选择[9]。本文阐述了CO2制冷原理与发展历程，介绍了CO2制冷技术与制冷设备的国内外研发情况，综述了CO2制冷技术在农产品储存和运输环节中的应用进展，分析了现阶段CO2制冷技术在农产品冷链物流中应用的技术难点，并对CO2制冷技术在农产品冷链物流领域应用前景进行展望，以期为CO2制冷技术在农产品冷链物流保鲜领域应用提供技术支撑。

1 CO2制冷技术概述

1.1 CO2制冷原理

CO2（R744）在常温常压下为气态，临界温度和压力分别为304.13 K和7.377 MPa。在加压和冷却条件下可凝结成液体或固体。当压力撤销后迅速蒸发（升华），带走大量热量，达到降温目的。

1.2 CO2制冷剂的特点

CO2作为一种天然工质，臭氧消耗潜值（ozone depletion potential，ODP）为0，全球变暖潜值（global warming potential，GWP）为1，远低于其他制冷剂（表 1），具有很好的应用潜力[7]。

表1 各类制冷剂的特点

注：R22：氟利昂；R134a：1,1,1,2-四氟乙烷；R410a：二氟甲烷和五氟乙烷各50%混合物；R32：二氟甲烷；R290：丙烷；R717：氨，NH3；R404a：五氟乙烷，1,1,1-三氟乙烷和四氟乙烷混合物；R744：二氧化碳。

Note：R22: Freon; R134a: 1,1,1,2-Tetrafluoroethane; R410a: Mixed with Difluoromethane (50%) and 1,1,1,2,2-Pentafluoroethane (50%); R32: Difluoromethane; R290: Propane; R717: NH3; R404a: Trifluoroacetyl fluoride, Mixed with 1,1,1,2,2-Pentafluoroethane, 1,1,1-Trifluoroethane and 1,1,1,2-Tetrafluoroethane; R744: CO2.

1.3 CO2制冷技术发展历程

CO2制冷技术经历了一个漫长的发展过程，由早期的活跃期、中期的沉默期转至目前的焕发期（图1）。

图1 CO2制冷技术发展历程示意图

19世纪70年代初期至20世纪40年代，CO2制冷技术研究非常活跃，在工业制冷、商业制冷等领域占据主要地位[15]。THADDEUS首次成功地将其应用于商业制冰机，建造了制冷工厂，随后在19世纪90年代建造了船用制冷机器，实现冷冻肉长距离输送，这一发展标志着CO2制冷技术正式进入商业制冷阶段。1882年，德国KARL VON LINDE开发了CO2制冷机，开拓了CO2制冷市场。1884年德国RAYDT设计的CO2压缩制冰系统获得了英国15475号专利；澳大利亚HARRISON在1884年设计建造了CO2制冷装置，获得了英国1890号专利；同时期FRANZ设计的CO2压缩机获得了英国专利，随后被英国J&E HALL公司收购，经改进后实现产业生产；J&E HALL公司开发的新型CO2压缩机，取代了原有的空气压缩机。1897年KROESCHELL BROS锅炉公司成立了CO2压缩机分公司，生产CO2制冷压缩机、冷凝器、水和盐水冷却器、冷藏系统的阀门及零件等，这一时期CO2制冷技术得到了快速发展[16]。

20世纪中期，介于当时技术的限制，CO2制冷以亚临界循环制冷为主，冷凝方式主要依靠海水或地下水，设备整体老旧，制冷效率较低，限制了CO2制冷技术的进一步开发和运用。以R12（二氯二氟甲烷，dichlorodifluoromethane）为代表的CFC类制冷剂很快取代了CO2在工业制冷方面的位置，此阶段属于CO2制冷技术的沉默期。随着科学技术研究的深入，人们逐步发现CFC类、HCFC类和HFC等制冷工质具有较高的温室效应指数，长期使用易对地球环境造成严重破坏，环境友好的天然制冷工质重新引起人们重视[16]。基于环保要求和R744作为天然制冷工质的独特优势，CO2制冷技术迎来了快速发展的历史机遇[17]。这个阶段可称为CO2制冷技术的焕发期。目前，CO2制冷技术已在农产品仓储物流、制冰、空调等领域得到应用，有力助推了制冷产业的高质量可持续发展。

2 CO2制冷技术设备的更新迭代

2.1 制冷系统的升级

热敏腧穴是近年来新发现的一类对艾热高度敏化的疾病反应点[6] 。人体腧穴存在静息态与敏化态两种状态，敏化态的腧穴对外界相关刺激呈现“小刺激大反应”，热敏化腧穴是灸疗的最佳选穴[7] 。热敏灸疗法主要是通过激发人体经气的感传，使得气至病所，从而提高其临床疗效的一种新型艾灸疗法[8] ，具有行气止痛，通经活络，扶正驱邪，调整阴阳的作用。

“渐悟”思维形式，不仅是人类原始祖先们在千百万年持续不断的生存劳动活动模式的熔冶中，形成的普遍的思维形式之一，即便是在现代社会中，它依然是现代人类普遍的思维形式的重要组成部分。不过，人类原始祖先们的“渐悟”思维形式，是前逻辑的、前概念的思维，人类原始祖先们所借助的是直观、猜测、暗示、情感、隐喻、移情、联想、想象、理想、观照等甚至幻想的思维方式，来完成“渐悟”思维形式的过程，其内容可能是荒唐幼稚的，思维的过程可能是粗糙的；而近现代人的“渐悟”思维形式，是借助于概念和逻辑，思维的内容是比较科学的，思维的过程可能是精确的。

表2 亚临界、跨临界、超临界三种CO2制冷循环分类

注：为温度，为熵，箭头表示热量循环形式。

Note:is temperature;is entropy, the arrow indicates the form of heat cycle.

拉丁舞是体育与艺术的结合，有体育的竞技性，每一个动作都是速度与力度的完美结合，尤其是对爆发力和控制力的要求，拉丁舞的动作要求要有张力，恰恰对速度和爆发力的要求比较高；伦巴对控制力和爆发力要求较高；牛仔比较欢快，要求很好的弹跳性和速度；桑巴的节奏较快，对身体的灵活性和动作之间的衔接要求较高；斗牛舞更多的是对动作的张力和舞蹈气势上的要求。

表3 CO2制冷循环分类

氨（NH3）制冷剂（编号R717）是中国在冷冻方面使用最早的一种制冷剂，与R744同属于天然工质，具有优良的热力学性质，在制冷工业中的使用直至今日已达120 a之久。但R717具有强烈的刺激性气味，具有中等程度的毒性并且可燃，对操作人员和货品存在潜在危害。而NH3/CO2复叠式制冷循环系统采用R717作为高温级制冷剂，R744作为低温级制冷剂，制冷系统的充R717量仅为R717制冷系统的1/8，极大减少了R717制冷的泄漏隐患，提高了制冷机组的稳定性、安全性和制冷效率，降低了对大气的影响[24]。与传统R717制冷相比，NH3/CO2复叠式制冷实际使用效率提高10%以上，整个系统节能效果好，硬件投资也低[25]。1932年，KITZMILLER[26]首先提出了NH3/CO2复叠式制冷循环系统，将CO2在亚临界条件下运行，发现复叠式制冷循环压比较低，压缩机效率较高，系统的节流损失和能耗降低，安全性提高。DOPAZO等[27]通过优化NH3/CO2复叠式制冷系统参数，证实NH3/CO2复叠式制冷系统具有较好的制冷能力。王炳明等[28]通过优化转子和轴承的参数，提高了NH3/CO2复叠式制冷系统压缩效率，满足低温工况制冷需求（图 2a）。周子成[29]分析对比了NH3与CO2的制冷性质及其在冷库中的应用效果，发现复叠式制冷系统在产业应用中具有明显优势。

此外，研究学者从工程应用的角度出发，通过对系统性能参数的计算和分析，为CO2复叠式制冷循环搭配不同的高温级制冷剂。ZHANG等[30]提出利用R1270（制冷剂级丙烯，propylene）代替R22和R134a与R744进行复叠制冷，发现R1270具备良好的高温制冷剂的性能，系统的COP上升（图2b）。PATEL等[24]为提高制冷系统的经济性，设计了NH3/CO2和R290/CO2两种复叠式制冷系统，结果表明，R290/CO2复叠式制冷系统的组合成本低于NH3/CO2的制冷成本，最高节约成本5.33%，减少了系统年成本消耗。SÁNCHEZ等[31]利用R134a与R744复叠制冷，为2 ℃和-20 ℃的冷柜提供制冷需求，结果表明，复叠式制冷系统可以较好维持两种温度下的冷柜恒定（图2c）。BELLOS等[32]对比了-35、-25、-15和-5 ℃条件下不同天然制冷剂（R717、R290、R600a、R1270）与CO2复叠式制冷系统的制冷效率，结果表明均高于CO2/CO2复叠式制冷系统（图2d）。

荷兰某超市将NH3/CO2复叠式制冷系统应用在冷藏柜和冷冻柜中（图5a），两个CO2循环分别用于农产品与食品冷却、冷冻，对比同等工况下的R404A制冷系统，可节能13%～18%，减少电力消耗的同时保护环境[65]。北京市京科伦冷冻设备有限公司研发了单一CO2制冷的低温自动化立体冷库，其制冷系统蒸发器采用顶排管设计，冷凝方式采用植入式地源冷凝技术，实现了高效制冷；该冷库内温度波动低、年耗电量低，可对农产品和食品进行冰温保鲜，较好保持了农产品和食品品质，可显著降低损耗，延长产品货架期[66]。此外，对比常规制冷剂，使用R744作为制冷剂的跨临界循环超市制冷系统可最大程度发挥其作用[67]。SAWALHA等[68]研究表明，与传统的R404A制冷系统相比，CO2跨临界系统具有较低的能耗，无需单独的热泵，在库温较低时，仍可满足制冷和供暖的需求[69]。GE等[70]从制冷性能、环境影响、功耗和年运行成本等方面对比了应用在食品冷藏系统中的4种不同CO2制冷系统，结果表明，带有气体旁路压缩机的CO2增压系统在温暖气候下可节能5%；其次是集成级联全CO2系统自带运输泵及具有蒸发功能的气体旁路压缩机，在温暖气候和中温气候下分别节能3.6%和2.1%。宁静红等[71]研发了水和CO2为循环工质的水果冷藏制冷系统（图5b），对新疆吐鲁番、哈密、库尔勒和库车4个地区的葡萄、哈密瓜、香梨和白杏进行冷藏，发现可节省约40%～96%的电能和运行费用。SUAMIR等[72]将CO2制冷与“热、电、冷”三联产的发电系统结合，实现超市制冷系统一体化（图5c），能源消耗最高可减少30%。GULLO等[73]对比了几个欧洲城市中超市的CO2制冷系统和R404A制冷系统，发现跨临界CO2制冷系统可将能源效率提高25%，设备成本降低30%。CATALÁN-GIL等[74]利用接近实际的热力学模型，分析了不同温度地区超市的CO2增压系统节能降耗情况，发现在暖区可降低2.9%～3.4%的能耗，在热区可降低1.3%～2.4%的能耗。GIBELHAUS等[75]设计了一种动态化CO2制冷循环，结合吸附式制冷机机组，实现了超市冷柜的高效低温制冷，每年最高可节能22%。MITSOPOULOS等[76]对比了希腊某超市的十种CO2制冷系统，并将CO2系统与传统的R404A系统进行了比较，结果表明，采用复合CO2系统可减少制冷系统8.5%的能耗。KARAMPOUR等[77]将跨临界CO2制冷系统与独立的地源热泵结合，尝试将超市与附近的建筑一体化，可降低年运行总成本20%～30%。BEGHI设计[78]了一种超市制冷系统的学习模型，适合CO2增压制冷系统的学习和强化，可根据环境的变化操控CO2制冷系统及时调整，为制冷系统的检测和管理提供一个合适的控制策略，可减少超市制冷系统中的电能消耗。葛住军等[79]设计的CO2跨临界制冷系统可为饮料冷却提供冷源，实现制冷的同时对环境友好（图5d）。此外，CO2作为制冷剂也可应用于自冷饮料罐，将液化的CO2置于自冷饮料罐的外壁中，打开饮料罐拉环时，CO2迅速挥发，吸收饮料热量，使饮料在开启后自动冷却降温，为自冷饮料的消费提供广阔前景[80]。

课程评价新标准针对传统的评价标准明确了三个问题：能力目标、知识目标和素质目标到底是突出哪一个目标；老师和学生在教学中谁是主体；教学内容以什么样的形式传递。

2.2 制冷设备的更新

R744作为低温级制冷剂，单位容积制冷量较高[33]。然而由于CO2临界温度和临界压力限制，跨临界制冷循环排热过程中压缩机的排气压力与冷却温度各自独立，改变高压侧压力将影响制冷量、压缩机耗工量及系统的能效比。因此，提高CO2压缩机性能一直是CO2制冷技术发展的关键[8]。研究学者开发了诸如CO2半封闭和全封闭式压缩机、CO2滑片式压缩机和CO2涡旋式压缩机等[33-36]，充分利用其耐高压、防泄漏等优点，提高了CO2制冷系统的性能，克服了部分配件运行压力高的问题（图3a）。

a. NH3/CO2复叠式制冷循环平台[28] a. NH3/CO2 cascade refrigeration cycle platformb. R1270/CO2复叠式制冷系统示意图[30] b. Schematic diagram of R1270/CO2 cascade refrigeration systemc. 直接级联制冷系统示意图[3I] c. Schematic diagram of the direct cascade refrigeration systemd. 级联装置示意图[32] d. Schematic diagram of the examined cascade configuration

为提高压缩机压缩效率，意大利DORIN公司[34]研发了新型半封闭式活塞CO2压缩机，利用CO2运动黏度低、压缩比低的优势，较好克服了CO2压缩机工作压力高、压差大等缺点。CAVALLINI等[35]利用中间冷却的两级压缩提高循环效率，在回气管路上增加回热器，在气体冷却器后增加冷却器，可高效实现空气和制冷剂间的热平衡。为解决压比对压缩机的影响，杨军等[36]设计了一种全封闭旋转式CO2压缩机，通过减少压缩机吸气过热度以及二级吸气温度对压缩机效率的影响，实现压缩机等熵效率最大化（图3b）。郝璟瑛等[37]开发了全封闭CO2涡旋压缩机（图 3c），通过提高压缩机运动的润滑性、减小动盘与静盘之间的径向间隙值，获得了与其他压缩机同等的容积效率和等熵效率，明确改进间隙量是提高压缩机效率的有效途径。

然而，半封闭和全封闭式压缩机虽提高了压缩机的压缩效率，但压降损失仍限制着容积效率的提升。为减少压缩过程能量损失，研究学者们提出系列解决方案，孙玉等[38]利用CO2螺杆压缩机将压缩后的CO2气体进行分离，利用分离后的油和CO2进行热交换，达到冷热同时交替压缩的目的，实现了容积效率提升。日本MYCOM公司[39]为适应冷冻系统所需的低温条件，研发CO2单级螺杆压缩机，排气系统用于加热热水，低温CO2用于制冷，在交替换热的作用下达到较好的冷冻效果（图3d）。马旭[40]针对滑片式压缩机进行改进设计，研发了新型外驱式滑片压缩机，模拟其动态热性，降低滑片摩擦损失，提高了压缩机对工作环境的适应能力。薛卫东等[41]通过强制润滑CO2水冷两级活塞式压缩机中的油泵，利用机械密封曲轴的轴伸端自身优势，加强了对环境噪声的控制。MA等[42]设计了半密封往复式CO2压缩机，有效提高了小型制冷装置的制冷效率。

2.3 制冷设备配件的优化

此外，由于高压侧压力决定系统性能，在不同工况下采用合适的调节方式有利于提高系统的运行性能[49]。节流机构的设计可实现对系统冷量的控制，降低制冷系统的能耗及提升系统运行的安全性[50]。目前，节流机构主要集中在电子膨胀阀和膨胀机的研发，在一些较大的系统中应用可提高系统循环效率。HOU等针对超临界CO2系统设计了一种新型电子膨胀阀[51]，可在一定范围内连续调节冷量（图 4b）。DANFOSS公司推出了新型电子膨胀阀，可通过调节工质的流动阻力严格把控冷量。LORENTZEN等[52]提出使用全流膨胀机替代节流阀，使节流后制冷循环的制冷剂分配均匀，提高了系统的经济效益。方忠诚等[53]利用分段式电子膨胀阀，提高了制冷系统的降温速率（图4c）。天津大学热能研究所开展了CO2制冷循环膨胀机的研究[54]，现已开发出了第二代滚动活塞膨胀机[55]，对于制冷系统的制造、运行和维护起到关键作用。DAI等[56]提出了一种结合热电过冷器和膨胀器的跨临界CO2制冷循环新结构，当膨胀机安装在液体收集器和蒸发器之间时，性能系数的改善更为显著，使跨临界CO2制冷循环表现出了优异和稳定的性能。BELLOS等[57]研究表明，内部热交换器的加入可提高CO2跨临界系统的制冷效率（coefficient of performance，COP）值。BODYS等[58]提出了一种适合CO2制冷系统中应用的多模块组合型固定喷射器，指出多模块组合型模块是优化系统运行的潜在方法（图4d）。FERRARA等[59]对制冷循环中的径向活塞式膨胀机进行了详细测试，该膨胀机等熵效率约为40%，对比其他采用简单膨胀机的制冷系统，系统的COP值潜在改善率最高可达20%（图 4e）。ZHANG等[60]为跨临界CO2制冷系统引入了全新的喷射式膨胀机，结果表明，当喷射器等熵效率较低和气体冷却器出口或蒸发器温度较高时，喷射式膨胀机的引射比、压力恢复率均有所提高，有助于提高CO2制冷循环的能量利用率（图4f）。HUAI等[61]将双节流装置与跨临界CO2制冷系统结合，第一膨胀阀控制高压侧压力，第二膨胀阀利用双相流喷射器，可提高制冷系统的COP值，最大增幅可达32.4%。

a. 新型CO2螺杆压缩机转子设计图[28] a. Design drawing of new CO2 screw compressor rotorb. 两级滚动转子式全封闭CO2压缩机结构示意图[36] b. Schematic of the developed hermetic two-stage rolling piston CO2 compressorc. CO2涡旋压缩机结构示意图[37] c. The structure of the CO2 scroll compressor prototyped. CO2单级螺杆压缩机[39] d. CO2 single-stage screw compressor

由于换热形式不同，CO2换热器分为超临界CO2气体冷却器[44]、亚临界CO2冷凝器以及CO2蒸发器[45]。超临界CO2气体冷却器是指气体冷却换热过程都在超临界条件下进行；亚临界CO2冷凝器和CO2蒸发器是指气体冷凝和吸热过程在亚临界条件下进行，其中，CO2冷凝器通过冷凝形式换热，CO2蒸发器则是以蒸发形式换热。基于循环系统的特点，CO2的换热器在结构和选材等方面具有独特性，对提高整个制冷装置的效率至关重要。第一台气体冷却器由LORENTZEN和PETTERSEN于1990～1991年推出，但小管径翅片管加工困难，成本较高[46]，1997年研究学者采用较小的管径，设计了结构更为紧凑、管径更小的换热器，成为空气冷却器的新标准[47]。蒸发器同样经历了类似于气体冷却器的发展过程，从第一代的机械扩展管翅式结构[46]到第二代小直径圆管的换热器，再发展到第三代“平行流”微通道蒸发器[48]（图4a）。“平行流”式蒸发器具有较高的热交换性能，解决了耐压问题和小管径涨管等困难，成为CO2蒸发器今后的主要研发方向。

国内外对于CO2制冷系统已开展了大量研究，目前仍在不断探索和完善。根据R744临界温度和外部循环条件，可将其分为亚临界、跨临界和超临界3种[18]（表2）。由于R744的临界温度接近环境温度，超临界循环常用于正循环发电系统，而亚临界和跨临界循环常用于制冷和热泵工况。其中，CO2亚临界制冷，循环的吸热和放热过程都在亚临界条件下进行，换热过程主要依靠潜热来完成[21]。而CO2跨临界制冷中，其吸气压力和排气压力分别在临界压力以下及临界压力以上，避免热源温度过高带来的系统性能下降问题，可实现更低的制冷温度，这一模式也受到工业制冷、农产品与食品冷冻冷藏等行业的青睐。

为提高传热强度，降低系统运行压力，充分发挥CO2制冷优势，研究学者们在已有的制冷系统基础上，优化制冷系统中的其他制冷配件，如气体冷却器、蒸发器以及节流阀等，改进和完善制冷循环的作用方式，减少环境因素对制冷系统的影响，实现极端工作条件下系统的正常工作，积极推进CO2制冷系统的应用[43]。

CO2制冷循环种类较多，可分为单级、与其他工质组成的两级复叠式制冷循环、三级复叠式制冷循环等（表3）[22]。相较于单级压缩制冷，双级或多级压缩制冷扩大了循环的工作温度差，可获得更低的制冷温度，在制冷工况中应用较多。但当温差达到一定程度时，由于单一制冷剂不能同时具备较高的临界温度和较低的沸点温度，双级或多级压缩受到限制，无法实现有效制冷。而复叠式制冷循环依靠两个独立的制冷循环系统，利用同一个冷凝蒸发器，将高温区和低温区的制冷循环叠加起来，用高温级的制冷量来承担低温级的冷凝负荷，从而获取较低制冷温度[22]。目前，CO2复叠式制冷循环在低温仓储、农产品与食品冷冻、快速制冰等方面广泛应用[23]。

a. CO2蒸发器歧管（顶部）和微通道传热管（底部）的横截面[48]a. Cross section of the manifold (top) and microchannel heat transfer tube (bottom) of a prototype CO2 evaporatorb. 加入电子膨胀阀的跨临界CO2制冷系统示意图[51] b. Schematic of the transcritical CO2 refrigeration system with electronic expansion valvec. 试验样机制冷系统原理[53] c. Principle of the refrigeration system of test prototype

d. 多模块组合型固定喷射器示意图[58] d. Schematic diagram of multi-ejector modulee. 径向活塞式膨胀机示意图[59] e. Schematic of radial piston the expanderf. 喷射式膨胀机制冷循环示意图[60] f. Schematic of the ejector expansion refrigeration cycles

3 CO2制冷技术在农产品冷链物流保鲜中的应用

近年来，部分研究学者、企业将CO2制冷技术应用到农产品冷链物流保鲜的储存环节和运输环节中，在提高制冷效率、节能降耗等方面发挥良好作用[62]。

省委书记娄勤俭指出，建设新时代文明实践中心，是党中央重视和加强基层思想政治工作的战略部署，是打通宣传群众、教育群众、服务群众“最后一公里”的重要举措。乡村是文明实践的落脚点，如何更好服务乡村全面振兴，满足农民精神文化需求，是时代赋予我们的新命题、新任务。作为基层工作者，必须在三个着力点上下功夫，培育乡风文明，激活乡村振兴之“魂”。

3.1 储存环节

目前，CO2制冷技术在农产品储存环节中的应用集中在冷库、超市制冷系统和冷藏陈列柜等。R744自身的特性有助于提高农产品储存环节的贮藏效率，无毒不易燃的安全性减少了制冷剂泄漏对农产品以及人类的危害；R744的单位容积制冷量高，有利于减少制冷系统工质的容积循环量，从而减小制冷设备体积[25]；R744较低的流动损失，有利于提高制冷循环效率[63]，减少制冷空间的限制，在冷库、销售终端等设施建造等方面具有显著优势[64]。

总之，CO2制冷系统更新迭代正逐步向制冷性能高、安全性高、对环境友好方面发展，目的在于减少工作环境对制冷设备压缩效率的影响，最终实现冷量压缩效率的最大化。

a. 荷兰某超市NH3/CO2循环冷藏冷冻柜示意图[65] a. Schematic diagram of NH3/CO2 circulating refrigerator in a supermarket in the Netherlandsb. 水/CO2循环制冷的水果冷藏制冷系统图[71] b. Diagram of fruit refrigeration system with water/CO2 cycle refrigerationc. 挥发性CO2/“热、电、冷”三联产一体化的简化示意图[72] c. Simplified diagram of the integrated volatile/DX CO2 refrigeration and trigenerationd. 饮料现调机制冷循环示意图[79] d. Schematic diagram of cold cycle of beverage mixing machine

3.2 运输环节

0 ℃时R744饱和液体的运动黏度仅为NH3的5.2%，R12的23.8%，流体的流动阻力较小，制冷系统的输送泵功耗低，仅为传统输送功率的1/10，以CO2构建的制冷系统可以在冷链物流运输过程中为农产品提供适宜的低温环境，减少能源消耗，降低运输成本，增加经济效益[81]。有制造商已将CO2制冷系统应用于冷藏集装箱以及冷藏运输车。INGENIUM公司设计了4台类似的CO2跨临界增压机组，搭配可24 h在线监控制冷系统的控制中心，实现了物流环节精准利用CO2制冷技术的新突破。LAWRENCE等[82]设计了一种跨临界多温移动式冷藏集装箱系统，通过改善气体冷却器、热交换器的性能，在环境温度较高的情况下仍可改善系统COP值。FABRIS等[83]采用耦合两相喷射器，模拟长途运输场景，设计了一种适合长途运输的CO2制冷系统，可在不同配置之间切换，以便根据内部空气和外部环境条件最大限度地提高系统COP或制冷能力。ARTUSO等[84]研发了一种安装在喷射器出口线上的辅助蒸发器，扩大了喷射器的工作范围，在25 ℃的环境温度和5 ℃的内部冷藏运输货仓中，均可提高CO2制冷系统的COP，最高可达21%。

综上，前人已对CO2制冷技术在农产品储存和运输环节的应用进行了探索，但应用范围还十分有限[85]。中国农产品的品类众多，不同农产品品种、地区、季节等所需的应用场景不同，这需要研发与之相匹配的CO2制冷系统与设施设备。因此，亟待加大投入力度，开展CO2制冷技术在农产品冷链物流保鲜领域的应用研发和技术推广。

4 CO2制冷技术在农产品冷链物流保鲜领域应用的难点

第一，在实际生产和应用中，CO2制冷系统压缩机和换热器的设计仍存在技术瓶颈。国内外生产商在研发压缩机时需考虑不同工况下各配件性能系数以及匹配性，这为不同物流模式下CO2制冷系统的发展带来困难。如海运（船）行业中，货仓满载后其内部空间狭小，压缩机的位置需随时调整，制冷剂的流动间隙大小难以控制，影响制冷工质的流动[38,86]；对于陆运（大型卡车、拖车和冷藏集装箱），虽然已有部分制造商引入CO2制冷系统，但由于CO2制冷设备液化效率相对较低，流通管径设计难以满足CO2气体较高的液化临界压力，严重影响关键设备研发，目前常用的制冷剂仍为R452A（R32、R125、R1234yf混合物）和R513A（R134与R1234yf混合物）等，R744的覆盖率较低；空运（飞机）使用的制冷系统与其他领域不同，主要通过发动机、散热器、空气循环机、冲压进气道系统、再加热器和冷凝器等设备进行机械做功和热交换，对于制冷剂要求并不高，这也同样遏制了R744的推广和应用。

第二，CO2制冷系统受外部环境温度影响较大。当环境温度较高时，制冷系统压缩机的排气压力高达12 MPa左右，远高于常规制冷系统。中国大部分地区为亚热带和温带气候环境，CO2制冷系统可发挥其独特的优势，而在温度寒冷的地区，压缩机的管道温度较低，机组的外壳结露严重时，制冷剂易被压缩机吸入，发生异常冲击，制冷性能受到影响，CO2制冷系统的应用受到一定限制。

第三，农产品冷库对温度选择、库容要求多样，适宜的小型冷库在高温季节运行能耗大、制冷效率低[87]。目前CO2制冷技术在中小型冷库上应用的成本偏高，与目前已有的技术结合仍待研究[88-89]，这也给该技术的推广应用带来困难。因此，CO2制冷系统升级与制冷设备配件的优化成为CO2制冷技术广泛应用的前提。

5 展 望

随着中国冷链物流行业的飞速发展和“双碳”政策的逐步落地，CO2制冷技术将得到更为广泛的关注和应用。国内外对于CO2制冷技术的应用主要集中在空调、汽车等工业制冷，CO2制冷技术在农产品冷链物流保鲜领域的应用仍在探索中。2022年中央农村工作会议指出“保障粮食安全，要在增产和减损两端同时发力”，因此如何发挥CO2制冷技术的优势，研发符合农产品冷链物流要求的CO2制冷设备，大力发展基于CO2制冷的农产品绿色低碳冷链物流产业，降低农产品产后损耗，是保障粮食和重要农产品供给的有效途径之一。

周围的人七嘴八舌给他出主意给他提醒他都充耳不闻，径直朝池塘边走去。突然看见一个和他年纪差不多的中年男人，手握一把菜刀朝他齿牙咧嘴比划着什么。还看见在那人背后的池塘水中，有一个小女孩水已经淹到了胸口，边哭边举起双臂，一头拴在女孩手臂上，一头被持刀人逮在手上的绳子正在不断摇晃。

展望未来，为实现CO2制冷技术在农产品冷链物流领域的广泛应用，一要开发和使用成本低、能源利用最大化且可持续发展的CO2制冷系统；二要提高CO2制冷设备的可靠性、系统的稳定性、建设运行成本经济性；三要拓展CO2制冷技术应用场景，研发适宜农产品冷链物流保鲜特点的设施设备，如移动式冷库、中小型冷库、冷链运输小型机组和运输、零售中的小型设备等，满足产地仓储保鲜、产地冷链集配中心等场景需要；四要推动CO2制冷技术在大中型智能立体冷库上的应用，研发新型CO2制冷系统与装备，简化系统运行的复杂性，提升系统成熟度，降低运行能耗。

[1] 农业农村部市场与信息化司. “十四五”全国农产品产地市场体系发展规划(2022)[R]. 农业农村部市场与信息化司，[2022-03-01].

[2] 杜世春. 浅谈冷库的节能设计和运行管理[J]. 上海节能，2016(8)：429-431. DU Shichun. Study on cold storage energy saving design and operation management[J]. Shanghai Energy Saving, 2016(8): 429-431. (in Chinese with English abstract)

[3] 宁泽逵，孙立. 我国冷链物流产业发展成就、面临挑战及应对之策[J]. 物流科技，2022，45(8)：133-138. NING Zekui, SUN Li. China's cold chain logistics industry development achievements, challenges and countermeasures[J]. Logistics Sci-Tech, 2022, 45(8): 133-138. (in Chinese with English abstract)

[4] 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会. 制冷术语: GB/T 18517-2012[S]. 北京：中国标准出版社，2012.

[5] 马进. CO2复合制冷系统在国内食品冷冻冷藏行业应用技术路线[J]. 冷藏技术，2017，40(1)：5-9. MA Jin. CO2refrigeration system's application technology roadmap in the food refrigeration industry of China[J]. Journal of Refrigeration Technology, 2017, 40(1): 5-9. (in Chinese with English abstract)

[6] 吴靖，王明玉. 浅谈二氧化碳作为我国汽车空调制冷剂的应用前景[J]. 内燃机与配件，2022(21)：104-107. WU Jing, WANG Mingyu. Application prospect of carbon dioxide as automotive air conditioning refrigerant in China[J]. Internal Combustion Engine & Parts, 2022(21): 104-107.

[7] MAINA P, HUAN Z. A review of carbon dioxide as a refrigerant in refrigeration technology[J]. South African Journal of Science, 2015, 111(9/10): 1-10.

[8] 徐松，高飞，刘忠赏，等. R22、R404A与R407F制冷剂压缩机性能对比[J]. 低温与特气，2016，34(1)：7-10. XU Song, GAO Fei, LIU Zhongshang, et al. A review of carbon dioxide as a refrigerant in refrigeration technology[J]. Low Temperature and Specialty Gases, 2016, 34(1): 7-10. (in Chinese with English abstract)

[9] 刘金光，刘玉茜，王世清，等.无氟制冷剂HCR22热管低温储粮温度动态特征[J].农业工程学报，2022，38(20)：286-292. LIU Jinguang, LIU Yuqian, WANG Shiqing, et al. Temperature dynamics of the heat-pipe low-temperature grain storage with fluorine-free refrigerant HCR22[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2022, 38(20): 286-292. (in Chinese with English abstract)

[10] 何务华. R410A制冷剂在多联机应用的优缺点[J]. 制冷，2006(1)：72-74. HE Wuhua. The excellence and shortcoming of the multi-split type air conditioner with the refrigerant of R410A[J]. Refrigeration, 2006(1): 72-74. (in Chinese with English abstract)

[11] 柴硕. 空调系统中环保制冷剂的对比研究[J]. 林业科技情报，2017，49(1)：72-74. CHAI Shuo. Comparative study on environmental friendly refrigerants in air conditioning system[J]. Forestry Science and Technology Information, 2017, 49(1): 72-74. (in Chinese with English abstract)

[12] 孔祥强，杨允国，林琳，等. R410A直膨式太阳能热泵热水器制冷剂分布特性[J].农业工程学报，2014，30(12)：177-183. KONG Xiangqiang, YANG Yunguo, LIN Lin, et al. Refrigerant distribution characteristics of direct-expansion solar-assisted heat pump water heater with R410A[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2014, 30(12): 177-183. (in Chinese with English abstract)

[13] 李连生. 制冷剂替代技术研究进展及发展趋势[J]. 制冷学报，2011，32(6)：53-58. LI Liansheng. Research progress on alternative refrigerants and their development trend[J]. Journal of Refrigeration, 2011, 32(6): 53-58. (in Chinese with English abstract)

[14] 王晶，卢奇. 农产品供应链数字化发展路径研究[J]. 山西农经，2021(24)：50-51, 54.

[15] BODINUS W S. The rise and fall of carbon dioxide system[J]. ASHRAE Journal, 1999, 41(4): 37-42.

[16] 冯凯，蔡觉先. CO2制冷技术的研究发展[J]. 节能，2017，36(12)：8-14, 2. FENG Kai, CAI Juexian. The research and development of CO2refrigeration technology[J]. Energy Conservation, 2017, 36(12): 8-14, 2. (in Chinese with English abstract)

[17] BARTA R B, GROLL E A, ZIVIANI D. Review of stationary and transport CO2refrigeration and air conditioning technologies[J]. Applied Thermal Engineering, 2021, 185: 116422.

[18] 李丽霞，姬长发，赵文秀. CO2制冷系统的技术进展[J]. 能源技术，2008(5)：285-289. LI Lixia, JI Changfa, ZHAO Wenxiu. Characteristic analysis of carbon dioxide refrigeration cycle[J]. Energy Technology, 2008(5): 285-289. (in Chinese with English abstract)

[19] 陈崇辉，欧少端，苏文，等. 基于有机工质及CO2的跨临界动力循环研究进展[J]. 洁净煤技术，2022，28(22)：1-26. CHEN Chonghui, OU Shaoduan, SU Wen, et al. Recent advances on transcritical power cycles based on organic fluids and CO2[J]. Clean Coal Technology, 2022, 28(22): 1-26. (in Chinese with English abstract)

[20] 陈楠，陆志. 二氧化碳制冷循环方式分析[C]//第七届全国食品冷藏链大会论文集. 青岛：中国制冷学会，2010：227-230.

[21] SÁNCHEZ D, PATIÑO J, SANZ-KOCK C, et al. Energetic evaluation of a CO2refrigeration plant working in supercritical and subcritical conditions[J]. Applied Thermal Engineering, 2014, 66(1): 227-238.

[22] 孙炳岩，张文科，姚海清，等. 不同制冷系统应用于冷库的探讨[J]. 制冷与空调，2021，21(11)：11-15，19. SUN Bingyan, ZHANG Wenke, YAO Haiqing, et al. Discussion on application of different refrigeration systems in cold storage[J]. Refrigeration and Air-Conditioning, 2021, 21(11): 11-15, 19. (in Chinese with English abstract)

[23] LEE T S, LIU C H, CHEN T W. Thermodynamic analysis of optimal condensing temperature of cascade-condenser in CO2/NH3cascade refrigeration systems[J]. International Journal of Refrigeration, 2006, 29(7): 1100-1108.

[24] PATEL V, PANCHAL D, PRAJAPATI A, et al. An efficient optimization and comparative analysis of cascade refrigeration system using NH3/CO2and C3H8/CO2refrigerant pairs[J]. International Journal of Refrigeration, 2019, 102: 62-76.

[25] 王伟峰. 二氧化碳复叠式制冷循环在食品冷冻冷藏中的应用[C]//第六届全国食品冷藏链大会论文集. 上海：中国制冷学会、全国商业冷藏科技情报站，2008：188-191.

[26] KITZMILLER W. Advantages of CO2-Ammonia system for low-temperature refrigeration[J]. Power, 1932, 1: 92-94.

[27] DOPAZO J A, J FERNÁNDEZ-SEARA, SIERES J, et al. Theoretical analysis of a CO2–NH3cascade refrigeration system for cooling applications at low temperatures[J]. Applied Thermal Engineering, 2009, 29(8/9): 1577-1583.

[28] 王炳明，李建风，吴华根，等. NH3/CO2复叠制冷系统中CO2螺杆压缩机的研发[J]. 流体机械，2009，37(3)：16-18，63. WANG Bingming, LI Jianfeng, WU Huagen, et al. Development of twin screw CO2compressor for NH3/CO2cascade refrigeration system[J]. Fluid Machinery, 2009, 37(3): 16-18, 63. (in Chinese with English abstract)

[29] 周子成. 自然制冷剂氨与二氧化碳[J]. 制冷，2013，32(1)：31-36. ZHOU Zicheng. Natural refrigerants ammonia and carbon dioxide[J]. Refrigeration, 2013, 32(1): 31-36. (in Chinese with English abstract)

[30] ZHANG Y, HE Y, WANG Y, et al. Experimental investigation of the performance of an R1270/CO2cascade refrigerant system[J]. International Journal of Refrigeration, 2020, 114: 175-180.

[31] SÁNCHEZ D, LLOPIS R, CABELLO R, et al. Conversion of a direct to an indirect commercial (HFC134a/CO2) cascade refrigeration system: Energy impact analysis[J]. International Journal of Refrigeration, 2017, 73: 183-199.

[32] BELLOS E, TZIVANIDIS C. A theoretical comparative study of CO2cascade refrigeration systems[J]. Applied Sciences, 2019, 9(4): 790.

[33] GUILPART J，邵月月，范薇，等. 冷链技术简介：第Ⅳ部分食品生产加工中的制冷[J]. 制冷技术，2021，41(4)：102-105. GUILPART J, SHAO Yueyue, FAN Wei, et al. Cold chain technology brief: Part IV refrigeration in food production and processing[J]. Chinese Journal of Refrigeration Technology, 2021, 41(4): 102-105. (in Chinese with English abstract)

[34] 李敏霞，马一太，李丽新，等. CO2跨临界循环制冷压缩机的研究进展[J]. 压缩机技术，2004(5)：38-42. LI Minxia, MA Yitai, LI Lixin, et al. Reviews of refrigeration compressor in CO2transcritical cycle[J]. Compressor Technology, 2004(5): 38-42. (in Chinese with English abstract)

[35] CAVALLINI A, CECCHINATO L, CORRADI M, et al. Two-stage transcritical carbon dioxide cycle optimisation: A theoretical and experimental analysis[J]. International Journal of Refrigeration, 2005, 28(8): 1274-1283.

[36] 杨军，陆平，张利，等. 新型全封闭旋转式CO2压缩机的开发及性能测试[J]. 上海交通大学学报，2008(3)：426-429，435. YANG Jun, LU Ping, ZHANG Li, et al. Development and performance measurements of a new hermetic rotary CO2compressor[J]. Journal of Shanghai Jiaotong University, 2008(3): 426-429, 435. (in Chinese with English abstract)

[37] 郝璟瑛，王智忠，赵远扬，等. CO2涡旋压缩机动力学特性的研究[J]. 制冷学报，2011，32(5)：42-46. HAO Jingying, WANG Zhizhong, ZHAO Yuanyang, et al. Research on the dynamic characteristic of CO2scroll compressor[J]. Journal of Refrigeration, 2011, 32(5): 42-46. (in Chinese with English abstract)

[38] 孙玉，任晨曦，张恒，等. 二氧化碳制冷压缩机的研究进展[J]. 制冷技术，2014，34(5)：67-71. SUN Yu, REN Chenxi, ZHANG Heng, et al. Research progress of CO2compressor in refrigeration system[J]. Chinese Journal of Refrigeration Technology, 2014, 34(5): 67-71. (in Chinese with English abstract)

[39] 马飙，冀兆良. 二氧化碳制冷剂的应用研究现状及发展前景[J]. 制冷，2012，31(3)：36-43. MA Biao, JI Zhaoliang. The recent research and future application of refrigerant CO2[J]. Refrigeration, 2012, 31(3): 36-43. (in Chinese with English abstract)

[40] 马旭. 外驱动式滑片压缩机的设计与动态特性研究[D]. 南京：东南大学，2021. MA Xu. Research on the Design and Dynamic Characteristics of External Driven Sliding Vane Compressor[D]. Nanjing: Southeast University, 2021.

[41] 薛卫东，任芳. 微型二氧化碳压缩机的开发[J]. 制冷技术，2014，34(2)：55-59. XUE Weidong, REN Fang. Development of carbon dioxide micro-compressor[J]. Chinese Journal of Refrigeration Technology, 2014, 34(2): 55-59. (in Chinese with English abstract)

[42] MA Y, ZHANG B, HWANG Y H, et al. Research and development of a semi-hermetic reciprocating compressor for transcritical CO2refrigeration cycle[J]. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part A: Journal of Power and Energy, 2011, 225(1): 101-113.

[43] ITUNA-YUDONAGO J F, BELMAN-FLORES J M, ELIZALDE-BLANCAS F, et al. Numerical investigation of CO2behavior in the internal heat exchanger under variable boundary conditions of the transcritical refrigeration system[J]. Applied Thermal Engineering, 2017, 115: 1063-1078.

[44] SÁNCHEZ D, PATIÑO J, LLOPIS R, et al. New positions for an internal heat exchanger in a CO2supercritical refrigeration plant. Experimental analysis and energetic evaluation[J]. Applied Thermal Engineering, 2014, 63(1): 129-139.

[45] 张明圣，李炅，张秀平，等. CO2制冷系统用换热器及其标准化的探讨[J]. 制冷与空调，2013，13(9)：1-4. ZHANG Mingsheng, LI Jiong, ZHANG Xiuping, et al. Research on heat exchanger of CO2refrigeration system and its standardization[J]. Refrigeration and Air-Conditioning, 2013, 13(9): 1-4. (in Chinese with English abstract)

[46] LORENTZEN G, PETTERSEN J. New possibilities for non-CFC refrigeration[C]//Proc IIR International Symposium on Refrigeration, Energy and Environment, Trondheim, Norway, 1992: 22-24.

[47] KIM M H, PETTERSEN J, BULLARD C W. Fundamental process and system design issues in CO2vapor compression systems[J]. Progress in Energy and Combustion Science, 2004, 30(2): 119-174.

[48] PETTERSEN J, HAFNER A, SKAUGEN G, et al. Development of compact heat exchangers for CO2air-conditioning systems[J]. International Journal of Refrigeration, 1998, 21(3): 180-193.

[49] ZHANG Z, TIAN L, CHEN Y, et al. Effect of an internal heat exchanger on performance of the transcritical carbon dioxide refrigeration cycle with an expander[J]. Entropy, 2014, 16(11): 5919-5934.

[50] JONEYDI SHARIATZADEH O, ABOLHASSANI S S, RAHMANI M, et al. Comparison of transcritical CO2refrigeration cycle with expander and throttling valve including/excluding internal heat exchanger: Exergy and energy points of view[J]. Applied Thermal Engineering, 2016, 93: 779-787.

[51] HOU Y, LIU C H, MA J L, et al. Mass flowrate characteristics of supercritical CO2flowing through an electronic expansion valve[J]. International Journal of Refrigeration, 2014, 47: 134-140.

[52] LORENTZEN G, PETTERSEN J, BANG R R. Method and device for high side pressure regulation in transcritical vapor compression cycle: US5245836A[P]. 1989-01-09.

[53] 方忠诚，黄沈杰，鱼剑琳，等. 电子膨胀阀的分段式变增益PID控制研究：以环境试验箱为案例[J]. 制冷学报，2022，43(6)：33-40. FANG Zhongcheng, HUANG Shenjie, YU Jianlin, et al. Research on segmented variable gain PID-control of EEV-taking environmental test chamber as an example[J]. Journal of Refrigeration, 2022, 43(6): 33-40. (in Chinese with English abstract)

[54] 张美兰，马一太，李敏霞. CO2双缸滚动活塞膨胀机的实验研究[J]. 制冷学报，2012，33(3)：5-8. ZHANG Meilan, MA Yitai, LI Minxia. Experiment research of CO2two-cylinder rolling piston expander[J]. Journal of Refrigeration, 2012, 33(3): 5-8. (in Chinese with English abstract)

[55] 李代强. 内燃机余热回收CO2动力循环滚动转子膨胀机CFD模拟[D]. 天津：天津大学，2017. LI Daiqiang. CFD Simulation of CO2Power Cycle Rolling Rotor Expander for Waste Heat Recovery of Engines[D]. Tianjin: Tianjin University, 2017.

[56] DAI B, LIU S, ZHU K, et al. Thermodynamic performance evaluation of transcritical carbon dioxide refrigeration cycle integrated with thermoelectric subcooler and expander[J]. Energy, 2017, 122: 787-800.

[57] BELLOS E, TZIVANIDIS C. A comparative study of CO2refrigeration systems[J]. Energy Conversion and Management: X, 2019, 1: 100002.

[58] BODYS J, PALACZ M, HAIDA M, et al. Full-scale multi-ejector module for a carbon dioxide supermarket refrigeration system: Numerical study of performance evaluation[J]. Energy Conversion and Management, 2017, 138: 312-326.

[59] FERRARA G, FERRARI L, FIASCHI D, et al. Energy recovery by means of a radial piston expander in a CO2refrigeration system[J]. International Journal of Refrigeration, 2016, 72: 147-155.

[60] ZHANG Z Y, MA Y T, WANG H L, et al. Theoretical evaluation on effect of internal heat exchanger in ejector expansion transcritical CO2refrigeration cycle[J]. Applied Thermal Engineering, 2013, 50(1): 932-938.

[61] HUAI Y, GUO X, SHI Y. Experimental study on performance of double-throttling device transcritical CO2ejector refrigeration system[J]. Energy Procedia, 2017, 105: 5106-5113.

[62] 唐晓华，王春佳，刘艳，等. 基于区块链的生鲜农产品冷链物流信息共享模型研究[J]. 物流工程与管理，2022，44(5)：79-81. TANG Xiaohua, WANG Chunjia, LIU Yan, et al. Research on the cold chain logistics information sharing model of fresh agricultural products based on blockchain[J]. Logistics Engineering and Management, 2022, 44(5): 79-81. (in Chinese with English abstract)

[63] GULLO P, HAFNER A, BANASIAK K. Transcritical R744 refrigeration systems for supermarket applications: Current status and future perspectives[J]. International Journal of Refrigeration, 2018, 93: 269-310.

[64] 王振超，陈江平，陈洪祥，等. CO2在大、中型超市制冷系统中的应用[J]. 制冷技术，2009，29(1)：33-39. WANG Zhenchao, CHEN Jiangping, CHEN Hongxiang, et al. Application of CO2in refrigeration systems of large/medium size supermarkets[J]. Chinese Journal of Refrigeration Technology, 2009, 29(1): 33-39. (in Chinese with English abstract)

[65] ROLFSMAN L. CO2and NH3in the supermarket ICA-Fokus[C]//IIR International Conference on Applications of Natural Refrigerants. Aarhus, 1996: 219-225.

[66] 杨建国，康建慧，马越峰，等. 一种二氧化碳制冷装置结构：CN2014103624011[P]. 2019-10-1.

[67] 宁静红，李慧宇，彭苗. CO2超市制冷系统的应用与未来发展[J]. 家电科技，2011(3)：84-85.

[68] SAWALHA S. Investigation of heat recovery in CO2trans-critical solution for supermarket refrigeration[J]. International Journal of Refrigeration, 2013, 36(1): 145-156.

[69] SAWALHA S. Using CO2in supermarket refrigeration[J]. Magazine of the SAREK, 2010, 39(4): 45-50.

[70] GE Y, SANTOSA I I D, TASSOU S, et al. Energy analysis of alternative CO2refrigeration system configurations for retail food applications[J]. Energy Conversion and Management, 2017, 150: 822-829.

[71] 宁静红，刘圣春，毛力. 新疆地区水果冷藏太阳能水蒸汽喷射CO2制冷系统[J]. 上海节能，2012，282(7)：28-33. NING Jinghong, LIU Shengchun, MAO Li. CO2refrigeration system of solar energy water vapor ejector for fruit cold storage in Xinjiang region[J]. Shanghai Energy Saving, 2012, 282(7): 28-33. (in Chinese with English abstract)

[72] SUAMIR IN, TASSOU S A, MARRIOTT D. Integration of CO2refrigeration and trigeneration systems for energy and GHG emission savings in supermarkets[J]. International Journal of Refrigeration, 2012, 35(2): 407-417.

[73] GULLO P, TSAMOS K, HAFNER A, et al. State-of-the-art technologies for transcritical R744 refrigeration systems: A theoretical assessment of energy advantages for European food retail industry[J]. Energy Procedia, 2017, 123: 46-53.

[74] CATALÁN-GIL J, LLOPIS R, SÁNCHEZ D, et al. Energy analysis of dedicated and integrated mechanical subcooled CO2boosters for supermarket applications[J]. International Journal of Refrigeration, 2019, 101: 11-23.

[75] GIBELHAUS A, FIDORRA N, LANZERATH F, et al. Hybrid refrigeration by CO2vapour compression cycle and water-based adsorption chiller: An efficient combination of natural working fluids[J]. International Journal of Refrigeration, 2019, 103: 204-214.

[76] MITSOPOULOS G, SYNGOUNAS E, TSIMPOUKIS D, et al. Annual performance of a supermarket refrigeration system using different configurations with CO2refrigerant[J]. Energy Conversion and Management: X, 2019, 1: 100006.

[77] KARAMPOUR M, MATEU-ROYO C, ROGSTAM J, et al. Geothermal storage integration into a supermarket’s CO2refrigeration system[J]. International Journal of Refrigeration, 2019, 106: 492-505.

[78] BEGHI A, RAMPAZZO M, ZORZI S. Reinforcement learning control of transcritical carbon dioxide supermarket refrigeration systems[J]. IFAC-PapersOnLine, 2017, 50(1): 13754-13759.

[79] 葛住军，王培文，田立强. CO2跨临界制冷系统在饮料现调机中的实验研究[J]. 制冷，2019，38(4)：1-5. GE Zhujun, WANG Peiwen, TIAN Liqiang. Experimental study on CO2trans-critical refrigeration system for drink dispenser[J]. Refrigeration, 2019, 38(4): 1-5. (in Chinese with English abstract)

[80] 曹乐，王栋，龚小超，等. 基于液态CO2的自冷饮料罐研究[J]. 包装工程，2007，28(11)：58-59, 80. CAO Le, WANG Dong, GONG Xiaochao, et al. Research on self-cooling beverage cans based on liquid CO2[J]. Packaging Engineering, 2007, 28(11): 58-59, 80. (in Chinese with English abstract)

[81] 许伟东，陶文铨. “减碳”目标下制冷空调行业发展方向[J]. 制冷技术，2022，42(1)：71-77. XU Weidong, TAO Wenquan. Development direction of refrigeration and air-conditioning industry under ‘carbon emission reduction’ goal[J]. Chinese Journal of Refrigeration Technology, 2022, 42(1): 71-77. (in Chinese with English abstract)

[82] LAWRENCE N, ELBEL S, HRNJAK P. Design and validation of a transcritical CO2mobile refrigerated container system for military applications[C]//13th IIR Gustav Lorentzen Conference on Natural Refrigerants. International Institute of Refrigeration, Valencia, Spain, 2018: 882-890.

[83] FABRIS F, ARTUSO P, MARINETTI S, et al. Dynamic modelling of a CO2transport refrigeration unit with multiple configurations[J]. Applied Thermal Engineering, 2021, 189: 116749.

[84] ARTUSO P, MARINETTI S, MINETTO S, et al. Modelling the performance of a new cooling unit for refrigerated transport using carbon dioxide as the refrigerant[J]. International Journal of Refrigeration, 2020, 115: 158-171.

[85] 田亚军，张正佳，迟亮，等. 我国农产品冷链物流发展现状、问题与建议[J]. 中国食物与营养，2023，29(28)：5-8. TIAN Yajun, ZHANG Zhengjia, CHI Liang, et al. Status, problems and suggestion of agriculture products’ cold chain logistics in China[J]. Food Nutrition in China, 2023, 29(28): 5-8. (in Chinese with English abstract)

[86] BODYS J, HAFNER A, BANASIAK K, et al. Design and simulations of refrigerated sea water chillers with CO2ejector pumps for marine applications in hot climates[J]. Energy, 2018, 161: 90-103.

[87] 刘晓辉，鲁墨森，王淑贞，等. 小型冷库多效冷凝制冷机组的能耗及节能分析[J].农业工程学报，2010，26(6)：103-108. LIU Xiaohui, LU Mosen, WANG Shuzhen, et al. Analysis of energy consumption and energy conservation of multi-effect condensed refrigeration unit in small cold storage[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2010, 26(6): 103-108. (in Chinese with English abstract)

[88] 陆定宇，章学来，丁兴江，等. 蓄冷式多温区冷藏车箱体温度场模拟与试验验证[J]. 流体机械，2022，50(12)：35-41.LU Dingyu, ZHANG Xuelai, DING Xingjiang, et al. Simulation and experimental verification of temperature field on storage type multi-temperature zone refrigerator truck[J]. Fluid Machinery, 2022, 50(12): 35-41. (in Chinese with English abstract)

[89] 刘广海，马平川，李庆庭，等. 冷链专用蓄冷托盘设计与控温运输性能测试[J]. 农业工程学报，2021，37(16)：295-302.LIU Guanghai, MA Pingchuan, LI Qingting, et al. Design of special cold chain pallet and its temperature-controlled transport performance test[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2021,37(16),295-302. (in Chinese with English abstract)

Research progress in the application of CO2refrigeration technology to agricultural product cold chain logistics preservation

ZHANG Dequan1, XU Yuqian1, NING Jinghong2, WANG Debao1, HOU Chengli1, REN Chi1, HUANG Caiyan1, WANG Su1

(1.,,-,,100193,; 2.,,300134,)

Energy-efficient, green, and environment-friendly refrigeration technology can be developed for agricultural products, particularly under the "double carbon" goal in the world. Carbon dioxide (CO2/R744) can be expected to serve as one of the ideal substitutes for traditional refrigerants, due to the colorless, tasteless, non-toxic, non-flammable natural refrigerant, and excellent thermal stability. A high per-unit refrigerating capacity of swept volume can be obtained with a low greenhouse effect. The characteristics of CO2have drawn much attention in environmental protection and efficient refrigeration after the early action and the middle silent period. Therefore, CO2has been relaunched as a natural refrigerant in various industries. The current CO2refrigeration technology has been used in the cold chain logistics of agricultural products, ice-making, and air conditioning. The refrigeration effect is better than that of the traditional. However, the high energy expenditure can be the general issue in cold chain logistics. Therefore, it is a high demand for energy-saving and green refrigeration to reduce the large post-production loss in modern agriculture. In this study, the characteristics and development history of CO2refrigeration were reviewed to compare the critical temperature, critical pressure, ODP, GWP, and per-unit refrigerating capacity of swept volume between different refrigerants. The CO2refrigeration facilities and devices were also introduced in terms of refrigeration systems, equipment, and accessories, such as compressors, heat exchangers, and throttling devices. The application of CO2refrigeration was summarized in the storage and transportation of agricultural products. The future direction was also proposed for the use of CO2 refrigeration technology in the cold chain logistics preservation of agricultural products, according to the actual agricultural products and requirements. The current difficulties were determined to improve the matching degree of equipment under different working conditions, and the efficiency of CO2compression and liquefaction under low-temperature environments. Some recommendation was also addressed to accelerate the CO2refrigeration facilities and equipment, such as CO2mobile refrigerant storage, and three-dimensional intelligent refrigerant storage suitable for the preservation of agricultural products in cold chain logistics. CO2refrigeration can be expected to integrate with the cold chain logistics of agricultural products. The reliability and stability of CO2refrigeration equipment and system should be improved to fully meet the strong demand in different industries of cold chain logistics. The finding can provide technical support to reduce the post-production losses of agricultural products in China. The product quality during storage and transportation can be improved for the energy saving of cold storage, in order to promote the cold chain logistics towards the green, low-carbon, and recyclable direction.

agricultural products; preservation; CO2; refrigeration technology; cold chain logistics

10.11975/j.issn.1002-6819.202211012

TB66

A

1002-6819(2023)-06-0012-11

张德权，徐毓谦，宁静红，等. 二氧化碳制冷技术在农产品冷链物流保鲜中的应用研究进展[J]. 农业工程学报，2023，39(6)：12-22.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.202211012 http://www.tcsae.org

ZHANG Dequan, XU Yuqian, NING Jinghong, et al. Research progress in the application of CO2refrigeration technology to agricultural product cold chain logistics preservation[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2023, 39(6): 12-22. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.202211012 http://www.tcsae.org

2022-11-01

2023-03-15

国家重点研发计划项目（2022YFD2100500）

张德权，博士，研究员，研究方向为肉品科学与技术。Email：dequan_zhang0118@126.com