Judith EVANS（著）

（倫敦南岸大學，英國布里斯托爾 BS405DU）

邵月月**，范薇，王亞薇，田甜（譯）

（中國制冷學會，北京 100142）

0 引言

全球在食品冷鏈相關設備上的投資巨大。制冷作為食品供應鏈中耗能最高的技術為全球帶來了大量與可持續(xù)發(fā)展相關的挑戰(zhàn)。在食品工業(yè)，制冷所用電能約占總消耗的35%。冷鏈通過直接或間接效應排放的溫室氣體量約占全球的2.5%。

1 商用、專用和家用制冷設備概述

商用、專用和家用制冷設備一般用于商超消費者購買食品的區(qū)域和終端用戶。在超市、便利店、酒吧、餐館等區(qū)域，通常使用耗電量低于3 kW 的小型自攜冷凝機組制冷陳列柜、展示柜或遠置冷凝機組大型集中制冷設備。自動售貨機、冷水機、自動飲水機和小型制冷陳列柜也屬于商用制冷設備。專用制冷設備一般應用于餐館、咖啡廳和快餐店，用以存儲未被消費的原材料。有時超市也使用專用冷柜，通常放置在熟食店的陳列柜后，用來儲存食物。專用制冷設備大部分是用于儲存食品（冷藏或冷凍）的冷柜，也包括冷卻機和速凍機。絕大多數(shù)零售用制冷廚柜多為自攜冷凝機組冷柜，也有遠置冷凝機組冷柜。在制藥領域還有專用的疫苗/血液/血漿制冷設備。家用制冷設備用于消費者在家中儲存冷藏或冷凍食物。家用冰箱幾乎均采用自攜冷凝機組的制冷系統(tǒng)，其耗電量約為20～150 W。

2 存在的問題及市場趨勢

2.1 溫度性能

溫度是控制食品品質和食品中細菌生長的主要因素。通常情況下，較低的溫度可以延長食品貯藏時間，冷凍食品的最低存儲溫度取決于食品的初始冰點或發(fā)生冷害的溫度。

2.1.1 餐飲場所的溫度控制

餐飲場所溫度控制的相關資料有限。目前，歐洲已開始實施立法來限制專用冷柜的最高溫度和能耗情況。根據(jù)生態(tài)設計（指令2009/125/EC）和能效標識（指令2010/30/EU）的指標，除滿足條件（實驗室30 ℃的環(huán)境溫度下進行測試時，冷藏專用冷柜的內部溫度在-1～5 ℃，冷凍專用冷柜最高溫度低于-15 ℃）的產(chǎn)品外，其余產(chǎn)品一律不能在歐洲銷售。

2.1.2 零售超市的溫度控制

零售超市中冷柜的溫度由食品安全法規(guī)、標準和超市自身規(guī)范確定。然而冷柜在實際工作中常出現(xiàn)推薦溫度與工作溫度存在差異的情況。該情況可能是由于控制溫度的探頭位置移動、冷柜設置變化或冷柜使用變化造成的。除家庭環(huán)節(jié)外，零售陳列是食品冷藏鏈中最薄弱的環(huán)節(jié)。DERENS 等[1]發(fā)現(xiàn)，一旦食品進入超市，溫度低于4 ℃（用于肉類）或6 ℃（用于酸奶）的樣本數(shù)量低于70%。采購回家途中，這一比例進一步降低到16%，回家后這一比例僅恢復到34%。英國的一項研究發(fā)現(xiàn)，超市里多層冷藏柜中食品的平均溫度差異很大，其溫度變化范圍在-1～16 ℃[2]。這一溫度范圍給食品制造商在定義商品保質期時帶來問題，可導致保質期過于謹慎或存在潛在的食品安全風險。自攜冷凝機組冷柜也經(jīng)常存在溫度波動范圍較大的問題，并且柜內不同位置也會存在溫度變化[3-4]。在相關標準中，允許其內部溫度在小范圍波動，其中允許溫度范圍為6～8 ℃甚至高達11 ℃。

2.1.3 家用冰箱的溫度控制

家庭食品保鮮的溫度控制十分重要。有數(shù)據(jù)表明，70%以上食物中毒的病例來源于家庭。當食品存儲條件不佳時，則會導致病原微生物快速生長。

在過去的10年中，對家用冰箱內部溫度的調查至少進行了15 次，結果非常相似，其內部平均溫度為4.5～6.6 ℃，最高溫度為11～14 ℃。這項結果表明，至少有50 %以上的家用冰箱平均溫度高于4.5 ℃。最近在對英國671 臺家用冰箱的溫度調查中發(fā)現(xiàn)，冰箱的平均內部溫度為5.3 ℃。其中，最高平均溫度為14.3 ℃，最低平均溫度為-4.1 ℃。調查的745 臺速凍機的平均溫度為-20.3 ℃。

2.2 能源消耗

2.2.1 餐飲業(yè)的能耗

餐飲業(yè)制冷設備能耗占該行業(yè)能耗的12%。冷藏柜的平均能耗為每年2,920 kW·h，冷凍柜的平均能耗為5,475 kW·h。目前關于專用冷柜實際使用能耗公開數(shù)據(jù)較少。從未公開實際使用數(shù)據(jù)來看，不同冷柜的能耗差異較大。相同型號的冷柜放置在不同的位置所消耗的能量也有很大的差異，這可能是由于使用的不同、局部條件不同（如環(huán)境溫度、通風情況或靠近散熱電器）所致。

2.2.2 零售超市的能耗

在超市能耗中制冷設備能耗占比最大。超市能耗取決于商業(yè)活動、商店形式、產(chǎn)品結構、購物活動以及用于店內食物制備、保存和展示的設備。超市每年單位面積所消耗的電能從大型超市的700(kW·h)/m2到便利店的2,000(kW·h)/m2之間大幅度變化，其中制冷設備用電量占總用電量的30%～60%，照明用電量占15%～25%，剩余部分為暖通空調設備和其他公用設備用電量。天然氣通常用于取暖、生產(chǎn)生活熱水，在某些情況下還用于烹飪和烘焙。在不使用天然氣的加油站小型超市里，天然氣的使用量為零，而在大型超市中天然氣的使用每年超過250(kW·h)/m2。TASSOU 等[5]研究了不同規(guī)模超市的能源使用情況，在便利店中，自攜冷凝機組制冷設備平均電能消耗比遠置冷凝機組制冷設備高出約300(kW·h)/m2。EVANS 等[4]在對市面上冷柜進行EN23953 和EN441 測試研究中發(fā)現(xiàn)，不同類型冷柜之間以及同種冷柜之間的能耗均存在較大差異。通過在每一種類型冷柜中選擇最佳型號，并研究降低冷柜溫度范圍的方法，可以實現(xiàn)大量節(jié)能。在超市中還有許多降低能耗的方法，EVANS 等[6]研究了81 種不同的技術在超市中直接和間接減排方面的潛力。其中大部分節(jié)能措施可以應用于已安裝的冷柜上，包括冷柜門、帶狀簾、導流板/導向裝置（均在敞開式機柜上）和改進的風扇。對于新冷柜還提供其他選擇，例如使用高效蒸發(fā)器和微通道換熱器優(yōu)化冷柜中的氣流。

2.2.3 家用冰箱的能耗

自1995年歐洲實施能效標識以來，制造商一直致力于減少家用冰箱和冷柜的能耗。由于能源使用情況的評估是能效標識的一部分，因此關于歐洲家用冰箱在測試條件下的能源使用情況存在大量資料。但因為測試均在密閉環(huán)境中進行，所以不能完全仿照現(xiàn)實生活中的能源使用情況。英國一項關于冰箱的研究[1]共收集了665 臺冰箱的能耗數(shù)據(jù)，以7 d 為監(jiān)測周期計算，其全年平均能耗為354 kW·h。雖然家用冰箱的能效已得到改善，但仍可通過使用高效隔熱材料、改善壓縮機效率、優(yōu)化制冷系統(tǒng)的運行/控制以及改善熱交換器來降低能耗。

2.3 制冷劑（直接）泄漏

2.3.1 餐飲場所的制冷劑泄漏

餐飲用冷柜直接泄漏制冷劑的數(shù)據(jù)較少。但它可能與家用制冷設備相似，因為兩者的生產(chǎn)技術相近。有學者研究了1996—2002年德國商用制冷設備中HFC 類制冷劑的泄漏率調查結果中估計的餐飲冷柜制冷劑泄漏率為1.5%，與IPCC（政府氣候變化專門委員會）的估算值0.5%～3%相似。

2.3.2 零售超市中的制冷劑泄漏

在較大的遠置冷凝機組制冷系統(tǒng)中（集中式制冷系統(tǒng)），制冷劑的直接泄漏會產(chǎn)生很大的影響。泄漏主要為HCFC 類和HFC 類制冷劑的泄漏。超市中制冷劑的泄漏情況差異較大。在工業(yè)化國家，自攜冷凝機組制冷設備的泄漏量極?。磕甑陀?%），而遠置冷凝機組制冷設備的泄漏量較大，最佳情況為每年3%，最壞情況為每年20%～30%。研究表明通過改善管理、系統(tǒng)及技術或對操作員和維護團隊進行更好的技能培訓和資格認證可將泄漏率降至較低水平。減少超市制冷劑直接泄漏的方法較多，EVANS 等[6]研究表明，通過減少制冷劑充注量、按照制冷工程規(guī)范、應用低全球變暖潛能值（Global Warming Potential，GWP）制冷劑等可以顯著實現(xiàn)節(jié)能。為了持續(xù)減少制冷劑泄漏，要更準確地了解系統(tǒng)泄漏的位置及原因。良好的維修記錄可以幫助操作員實現(xiàn)對高風險區(qū)域和組件的快速識別，并判斷維護工作的先后次序。

2.3.3 家用冰箱的制冷劑泄漏

相關數(shù)據(jù)表明，家用冰箱中的制冷劑泄漏率極低（每年小于1%）。有學者在假設制冷劑在設備停用時被移除的前提下，研究了1996—2002年德國家用冰箱中的HFC 類制冷劑的泄漏率為0.3%，與IPCC 的估算值0.1%～0.5%相似。對于發(fā)展中國家，道路條件較差可能導致管道破裂、斷開，及存在缺乏監(jiān)管、維修不善，所以泄漏率更高。據(jù)估計，發(fā)展中國家，在設備使用壽命內的泄漏率約為27%。

3 當前使用的制冷劑和潛在的替代品

3.1 餐飲業(yè)用制冷劑

餐飲冷柜傳統(tǒng)上常用HFC 類制冷劑。最近許多 制造商開始改用R290（丙烷），R290 的GWP較低，且是一種高效的替代品。

3.2 超市用制冷劑

目前，超市用制冷劑中R744（CO2）和HC 類制冷劑的使用量正在增加，但目前超市制冷系統(tǒng)仍以HCFC 類和HFC 類制冷劑為主。在北歐國家，超市通常使用替代系統(tǒng)（如間接制冷系統(tǒng)）。在間接制冷系統(tǒng)中，載冷劑（如乙二醇）通過一次制冷系統(tǒng)冷卻，再用泵送到冷柜中。其他系統(tǒng)包括使用水來冷卻自攜式冷柜的冷凝器，或者在機房制造冷空氣來直接冷卻陳列柜（僅限冷藏柜）。

3.3 家用冰箱用制冷劑

35%～40%的家用冰箱使用 R600a 制冷劑，R600a 是一種GWP 為3 的HC 類制冷劑。R600a易燃，但是一種高效的制冷劑[7]。一般情況下，采用HC 類制冷劑的冰箱在充注制冷劑之前均要進行氦泄漏測試。事實證明，該測試具有較高的可靠性，冰箱在消費者家中幾乎不存在制冷劑泄漏的情況。歐洲、日本和中國的制造商均主要生產(chǎn)以R600a 為制冷劑的冰箱，該項技術在歐洲、日本和中國市場占據(jù)主導地位。2010年，技術和經(jīng)濟評估小組的進展報告中顯示，預計10年后全球生產(chǎn)的新冰箱中至少75%使用HC 制冷劑。

4 發(fā)展前景與挑戰(zhàn)

4.1 專用制冷

在過去的20年里，專用冷柜的基本設計幾乎沒有變化，效率仍然沒有得到大幅提高。由于用戶更在意的是冷柜采購成本，而非生命期成本，因此制造商難以采用費用較高的節(jié)能組件。雖然利用現(xiàn)有技術可以實現(xiàn)較大的能源節(jié)約，但主要問題是如何說服終端用戶購買最高效節(jié)能的冷柜。

4.2 商用制冷

超市冷柜通常可以通過使用密封門、條形簾或減少空氣滲透的技術實現(xiàn)節(jié)能[6]，而通過優(yōu)化蒸發(fā)器或使用新型蒸發(fā)器技術可以進一步降低排放。同時應用低GWP 的替代制冷劑在節(jié)能方面也具有較大潛力。而目前主要的挑戰(zhàn)是如何低成本應用這些技術，讓對成本敏感的超市行業(yè)實現(xiàn)投資回報。

4.3 家用制冷設備

有數(shù)據(jù)表明，家用冰箱的實際溫度高于冰箱運行的最佳溫度。在過去的30年里，研究人員對家用冰箱的內部溫度進行了大量調查，發(fā)現(xiàn)實際生活中家用冰箱只有少數(shù)能夠以最佳狀態(tài)運行。自20世紀90年代，家用電器開始使用能效標識以來，家用冰箱的能耗量大幅度降低。但還需達到更理想的溫度條件（一般認為冷藏為0～5 ℃，冷凍低于-18 ℃），才能保障食品安全和品質，從而減少食品浪費，降低碳排放。

5 技術挑戰(zhàn)和潛力

5.1 專用制冷設備

專用機組制冷設備性能的初步初始改進相對簡單，涉及使用最好的組件和技術。有研究表明，通過對柜體專用制冷設備的改進，可將冷藏設備能耗降低到原來的74%、速凍設備能耗降低到原來47%（冷藏能耗由每日6.26 kW·h 降至1.62 kW·h，速凍能耗由每日8.53 kW·h 降至4.54 kW·h）。通過更換制冷劑，使用節(jié)能組件，優(yōu)化加熱器、門封和控制系統(tǒng)，可以達到很好的節(jié)能效果。其中優(yōu)化門的密封性、使用直流風扇以及利用壓縮機排出的高溫高壓氣體融化蒸發(fā)器表面上霜層是實現(xiàn)節(jié)能的基本措施。當然未來還需要進一步改進才能達到“最佳”能效標識。如采用變頻壓縮機、更優(yōu)的除霜方法、策略及先進的控制系統(tǒng)，拆除墊片和抗冷凝加熱器，應用內螺紋管和先進的絕緣技術。這些方法都將在未來的節(jié)能策略中發(fā)揮一定作用。

5.2 商用制冷設備

商用制冷領域的技術挑戰(zhàn)包括采用具有替代性的低GWP 制冷劑、在改善溫度控制的同時降低能耗等。然而許多挑戰(zhàn)不僅涉及技術問題，也涉及行為問題。例如，有人認為，購物者和食品之間的取貨障礙可能會減少銷售量，因此超市不愿為面向消費者的冷柜安裝門。

5.3 家用制冷設備

與專用和商用冷柜相同，家用冰箱在降低能耗和溫度控制方面也存在技術挑戰(zhàn)。在過去的30年中，家用冰箱的能耗已大幅減少，但仍有進一步降低的潛力，主要挑戰(zhàn)是如何經(jīng)濟地應用新型技術。

5.4 總體性問題

目前還存在一些與商用、專用和家用制冷設備均相關的問題。針對許多具有極低GWP 的制冷劑存在易燃或高壓下運行的情況，設計者和技術人員在采用此類制冷劑前要充分了解其相關安全問題，并確保系統(tǒng)的設計和運行能夠確保最終用戶的安全。這通常涉及到安全標準及其應用方面的知識和培訓。

5.5 相關推動政策

歐盟生態(tài)設計指令（指令2009/125/EC）是一項框架指令，責令能源消耗產(chǎn)品的制造商降低產(chǎn)品能耗和整個產(chǎn)品生命期中產(chǎn)生的其他負面環(huán)境影響。該指令由能效標識指令（指令2010/30/EU）補充而成，包含家用、專用電器兩方面。就家用電器而言，幾乎所有發(fā)達國家都適用類似的立法。

6 結論

商用、專用以及家用制冷設備應用于冷鏈的后段，在此食物先被儲存后被食用。這些環(huán)節(jié)存在溫度維護不佳、能耗不易降低等問題。商用制冷設備還存在制冷劑排放量較高的問題，該問題主要與大量使用遠置冷凝機組制冷系統(tǒng)有關。綜上所述，所有環(huán)節(jié)都有顯著降低能耗的潛力。