冷链技术简介<br/>——第Ⅰ部分冷藏库和冷冻库

冷链技术简介
——第Ⅰ部分冷藏库和冷冻库

2021-10-30JudithEVANS

制冷技术 2021年4期

关键词：冷藏库冷库制冷系统

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

经过一次或二次加工（食品冷却/冷冻或加工成副产品如饭菜）的食品进入冷链的储存和分配环节后应保持在其所需的恒定温度下。而实际情况并非如此，因为食品通常在储藏室中冷藏或冷冻，而不是冷藏或冷冻在专用的冷藏库或冷冻库中。冷库是工业制冷的环节，通常作为冷藏库或冷冻库运行，其排热量高达10 MW。冷冻库的一般运行温度在-26～-22 ℃[1]，对于特殊冰淇淋和某些小众产品，如寿司，可在-60 ℃下储存，食品可能会在冷冻库中保存几个月。某些水果和蔬菜，在冷藏库中的存储时间可能从数小时、数天到一年不等。冷藏库的工作温度通常为-1～4 ℃，一些水果、面包和蔬菜产品的储存温度为8～12 ℃。

1 冷链

“冷链”包含冷藏产品流通的各个环节。果蔬或动物从采摘/宰杀的那一刻就开始面临变质的风险。通过降低这些食品的储存温度，可以减缓食品变质的速度。降低水果和蔬菜的储存温度会减慢其新陈代谢的过程，进而减慢腐败。降低宰后动物的储存温度可以减缓其潜在有害细菌的生长速度，使它们能够以最小的食品安全风险运往世界各地。所以使食品尽快降低到适宜温度，并尽可能维持该温度直至消费终端十分重要。食品可以按照所需温度在不同的冷藏运输设施中保持几天、几周乃至几个月，最大限度地延长食品的储存寿命和品质。

图1 冷藏链及其组成

冷链系统较为复杂，目前全球约有4 亿吨食品使用冷藏保存，全球冷库总量约为6 亿 m3。据国际制冷学会（International Institute of Refrigeration，IIR）估算，全球运行的制冷、空调和热泵设备总数约为30 亿台，包括15 亿台家用冰箱。全球有9,000万台商用冷藏冷冻设备（包括自携冷凝机组和远置冷凝机组）正在运行，还有400 万辆冷藏车（货车、卡车、半挂车或挂车），120 万台冷藏集装箱（冷藏箱）和47.7 万个营业面积在500～20,000 m3的超市。所有制冷设备消耗的电量占总用电量的45%。

2 冷藏库和冷冻库概述

从生产到消费者消费的整个过程中，所有冷藏和冷冻的食品至少要在冷库中保存一次。冷藏库通常将产品的温度保持在-1～12 ℃之间，而冷冻库通常将产品的温度保持在-18 ℃以下。冷库形式具有多样性，如图2所示，从容量为10～20 m3的小型冷库到数10万m3的大型冷库。任何形式的冷库均可以使食品存放在适宜的温度下，并尽可能保障食品的品质。

图2 典型的冷库

冷藏库中，温度的控制关乎食品安全，温度升高可能会破坏食品的安全性。在冷冻库中，食品安全问题较小；假设冷库内的温度保持在-10 ℃以下，此时微生物生长速度缓慢。然而食品品质仍会发生变化，因为在大多数情况下，食品被储存在其玻璃化转变温度之上。大多数食品的玻璃化转变温度低于-30 ℃，而大多数冷冻库的运行温度介于-18～-22 ℃。DERENS 等[2]研究表明，相比于冷链的其他环节，冷库的温度控制效果较好。

3 当前的问题和市场趋势

如何降低冷库成本非常重要，可以通过降低能耗或在能源价格较低的时期运行（通常称为“负荷转移”）来实现。冷库的设计及其使用与维护是减少能耗至关重要的两方面。冷库还可能存在制冷剂泄漏问题，因此使用低全球变暖潜能值（Global Warming Potential，GWP）环保制冷剂也非常重要。

3.1 间接排放

间接排放受到热负荷、发电燃料混合和电厂效率等因素的影响。如图3所示，冷库热负荷主要由以下因素构成：传热（通过墙壁和天花板）、门的渗透、固定负荷（如风机和地板传热）以及来自人员和机器的热负荷。理想情况是，在最常见的运行工况下将设备设计为最高效率。这要求设计时需要了解当地季节性环境条件（温度和湿度）以控制冷凝温度（制冷系统冷凝器通常位于建筑物外部）、使用模式以及冷库的热负荷。冷库能耗较高，库内设施所消耗的60%～70%电能用于制冷。IIR 在2002年估计，冷库每年用电量为30～50(kW·h)/m3。最近对部分冷库的调查结果表明，实际能源消耗量远大于估计数字，通常为一倍以上[3]，另外通过优化冷库的使用方法、维修现有设备以及节能设备的改造升级，可以实现30%～40%的节能。然而冷库经营者往往不愿安装新设备，因为他们并不清楚可以节省的具体费用。

图3 冷库中的热负荷

对相当数量冷库性能比较的研究很少公开发表。EVANS[4]汇总了来自23 个国家的429 个冷库（167 个冷藏库、187 个冷冻库和75 个混合库）数据。调查结果如表1所示，各冷库之间的能耗存在较大差异。在许多情况下，性能最好的冷库其每立方米能耗（也称单位能量消耗，SEC）约为最差冷库的一半。造成这种情况的原因很多，不仅是效率低。例如，较高SEC 冷库可能比较低SEC 冷库具有更高的使用率和更丰富的功能。

表1 冷库的单位能量消耗SEC 值范围[4]

3.2 直接泄漏

不同类型的制冷设备以及不同的国家，制冷剂泄漏的数值差异很大。表2所示为基于2007年英国温室气体清单[5]所列的EU-15 地区典型泄漏率，得到不同类型的设备泄漏率有显著差异，工业制冷（包括冷库）每年制冷剂泄漏率为8%。关于发展中国家制冷剂泄漏的数据很少，但有数据表明，发展中国家的制冷剂泄漏率可能是发达国家的两倍。

表2 RAC 环节的典型制冷剂排放量[5]

4 当前使用的制冷剂和潜在替代品

制冷剂的选择是关于环境、安全和可持续发展的重要问题。在食品工业中，大多数冷藏/冷冻库使用直接膨胀式制冷系统。该系统由两个热交换器（冷凝器、蒸发器）、一个泵、提高制冷剂压力的装置（压缩机）、膨胀装置及相关的控制装置、储存容器和安全装置组成。在大型设备中，泵再循环系统较为常见，通常使用氨（R717）作为制冷剂，在该系统中，制冷剂先存储在大型的低压贮液器中，然后通过泵或重力输送到蒸发器。

目前，许多冷库使用氨作为制冷剂，氨的GWP可以忽略不计，但具有轻微的易燃性和毒性。为了确保安全操作，在使用时必须进行安全培训并遵循安全规范。

成本是冷库运营时考虑的主要因素。当充分考虑生命期成本时，往往有利于投资方选择那些具有较高的初始和维护成本，但具有较低能耗的系统。

在某些情况下，可以采用复叠系统。最常见的CO2复叠系统，低温侧采用在临界温度下工作的CO2，高温侧采用氨。这种设计可以让系统提供低温热水，但不适合提供高温热水。

联合国环境规划署的数据显示，工业制冷中HFCS的消费量占HFCS总消费量的2%。在2015—2050年间，工业制冷中HFCS的消费量预计每年将增长约6.7%。近年来，一些发生过事故或较为谨慎的国家，有将氨转向HFCS的倾向。在各国本地法规条例、ISO（国际标准化组织）、IEC（I-E-C）和区域规范（如欧洲规范，EN）中，均有相关安全标准。其中ISO 5149（2014）、EN 378（2008/2012）涵盖了工业制冷系统设计、建造和安全条款。

大型和小型冷库系统潜在替代制冷剂情况如表3所示。其中小型冷库以多种HFO 类制冷剂及HFO 混合类制冷剂为主；大型冷库中一些较新的冷库使用天然制冷剂（主要为CO2）；此外，还有使用市场占比较小的载冷剂（例如水、盐水、乙二醇、硅油或浮冰™），这些载冷剂由集中式制冷系统冷却，然后用泵送至冷库吸取热量。该系统的优点是可以在一次回路中使用易挥发或有毒的制冷剂，制冷剂用量可降至最低。对于当前冷库制冷系统使用的制冷剂主要为：HFC-134a、HFC-404A、HCFC-22、HFC-410A、HFC-407C、HFC-507A 和HFC-422D。

表3 潜在替代制冷剂

热电联产、多联发电和三联发电技术可以利用多种能源输入来提供多种能源输出。如果这些输出能源可投入使用就可能降低能耗。这类系统的一次能源包括化石燃料、生物燃料和可再生能源，能源输出包括热、电和冷。对于只有冷藏功能的传统冷库，通常设置在能从周边生产设施能源输出中获益的位置。

如果周围有可用来驱动系统的余热，则冷库可以采用吸收式系统。吸收式系统通过将制冷剂与另一种流体结合来改变制冷剂的沸点。用于冷冻的通常是氨水。在未来，会有更多的热能回收、能源网和区域供热系统被采用，因为其具有一定的经济性和吸引力。虽然全球科学家正在研究一些新的制冷技术（如磁热、热电和热声），但这些技术用于冷库的机会显然有限。这些新技术中的大多数都是针对商用和小型制冷系统。

5 发展前景和挑战

有多种操作或控制方法可以节省用于食物冷藏的能源。许多冷库操作员利用控制策略来节省能源，包括对蒸发器风机、制冷系统或冷库内温度的控制等。减少冷库能耗应集中在以下3 个方面：减少冷库的热负荷、加强维护和规范操作、改善制冷系统的运行效率。提高制冷系统的蒸发温度或降低系统冷凝温度都会节约能源。在许多情况下（特别是在冷冻库中），库内实际温度低于所需水平，便于在设备发生故障时提供安全余量。

冷库经营者通常会采用一定策略来控制成本（不一定是能源方面），在能源需求高峰期（此时能源价格较高，能源价格可能为低需求时期的4 倍）关闭制冷系统。在此期间，允许库内温度上升，当能源成本回到较低水平时再开机进行降温。

在未来，风能、海浪能和太阳能等可再生能源的使用可能会减少冷库用能对环境的影响。太阳能电池板具有屏蔽太阳直接光照的优势，并能实现电力生产。

5.1 技术挑战与潜力

能耗是食品冷库运营中的主要成本。多项能源审计的结果表明，在冷库中可节能的数值比较可观。EVANS 等[6]研究表明通过优化冷库的使用方法、维修现有设备以及节能设备的改造升级，可以减小能耗，通常这些改进的投资回收期短于1年。为了减少制冷剂泄漏，英国已开展了大量研究，研究工作现已扩展到整个欧洲COWAN 等[7-8]。立法、财政措施、新技术、替代制冷剂及其他举措都有助于改善制冷剂泄漏问题。欧洲F-Gas 法规（第842/2006号法规）规定，安装、维护、调试、拆卸或设计包含HFCs 的制冷系统只能由经过认证的专业人员来完成。该规定还要求由受过培训的专业人员定期对系统进行泄漏检查。自2009年7月以来，这些规定一直被沿用。F-Gas 法规意在引导向低GWP 制冷剂发展。氨是冷库中广泛使用的低GWP 制冷剂，由于其具有较高的安全要求，因此需对相关制冷技术人员进行全面培训。许多可供选择的低GWP 制冷剂都存在与高压或可燃性相关的问题。随着系统安全问题的增多，需加强对制冷技术人员的培训来确保系统正常运行。

未来通过在冷库中使用热回收装置，以及提高冷库与“本地”设施之间的整合程度可能会进一步提升冷库经济性。从压缩机的油冷却器中可以回收相对低品位的热量，最多提取压缩机电机功率的60%。利用压缩机排气或压缩机油冷却器的热量来预热锅炉水的系统已经开发出来。

5.2 相关驱动政策

在过去的30年里，制冷和空调工业经历了长足的发展和现代化转型。但许多使用了几十年的制冷剂造成了臭氧层破坏和全球变暖。《蒙特利尔议定书》规定臭氧消耗物质（Ozone Depleting Substances，ODSs）将逐步淘汰，这促使工业界向零臭氧消耗潜力值（Ozone Depletion Potential，ODP）替代制冷剂和相关技术发展。2016年10月《基加利修正案》为《蒙特利尔议定书》赋予了另一个维度上的意义，增加了对HFCs 制冷剂生产和消费的控制，这项规定将会为气候变化做出重大贡献。

通过逐步淘汰HCFCs 和CFCs 等对臭氧层具有破坏作用的制冷剂，以及控制HFCs 制冷剂的生产和消费，将会进一步加速实现《蒙特利尔议定书》的预定目标。在与气候有关的公约中（《巴黎协定》和《京都议定书》），HFCs 制冷剂也被列为温室气体。但是只有UNFCCC（《联合国气候变化框架公约》）提出此项要求，尚未发现其他专门控制HFCs 制冷剂排放的行动。制冷剂对气候的影响分为直接影响和间接影响。直接影响源自其GWP 和排放到大气中的制冷剂量（泄漏、事故、处理或处置不当所致）。间接影响与设备运行过程中消耗的能源（化石燃料发电产生的CO2（CH4程度较轻））有关，通常比直接影响更大。通过改进设计、优化现场调试和维护措施以及遵守当地相关标准和法规，可有效减少制冷剂直接或间接排放造成的影响。

目前，多个重要组织正在制定与制冷和空调行业有关的标准。联合国环境规划署发布的《制冷和空调国际标准手册》[9]中总结了由国际标准化组织和部分国家和地区标准组织制定的制冷与空调相关标准。

整体而言，冷链是最重要但又容易被忽视的业务领域之一。这是由于它与经济、社会和技术等不同领域相互交叉，如食品、健康、运输和旅游等。当选择使用环境影响较小、能源效率高、经济性好的冷链技术时，往往涉及同一国家不同团体和组织的标准或规范。2015年9月，国际社会通过了《2030年可持续发展目标》（SDGs），其中目标2（零饥饿）是到2030年必须实现的第二个全球目标。这意味着需要快速有效地解决食品安全与食品浪费这两大问题，而这两大问题均取决于冷链流通能力。除了与冷链直接相关的目标2（零饥饿），其他目标也与冷链业务相关，例如目标3（健康与幸福）、目标9（行业创新与基础设施）、目标12（负责任的消费与生产）、目标13（气候行动）。因此，应对冷链挑战的综合方案可带来多种社会经济效益和环境效益。