循环风幕式半导体制冷果蔬展示柜设计与试验

赵俊宏，陆华忠，魏鑫钰，余乔东，周星星，李 斌

（1.广东省农业科学院设施农业研究所，广东 广州 510640；2.岭南现代农业科学与技术广东省实验室，广东 广州 510640；3.广东省农业科学院，广东 广州 510640；4.华南农业大学南方农业机械与装备关键技术教育部重点实验室，广东 广州 510642）

【研究意义】菜心由于其营养价值高、适口性好等优点，在我国广泛种植，是亚洲重要的经济作物［1-2］。由于采后旺盛的呼吸和蒸腾作用，菜心会迅速失水和衰老，大大地缩短了保鲜期［3］，造成较大的经济损失，因此需通过保鲜的方式以降低菜心的失水速率并延长其销售时间。温度和相对湿度是影响菜心销售期的重要因素，而低温则是确保采后品质最有效的方法［4-5］。目前菜心的销售方式主要有常温销售和冷藏陈列柜销售，前者几乎无保鲜作用，后者具有一定的保鲜效果但电耗高，且冷风加速了菜心的失水速率，因此设计一种节能且能有效降低失水速率的保鲜装备具有重大意义。【前人研究进展】目前，低温保鲜设备维持低温的方式主要有压缩机制冷［6-10］、相变蓄冷材料放冷［11-15］和自然冷源供冷［16-20］。采用压缩机制冷的陈列柜具有便捷快速等优点，但其也存在能耗偏高、柜内温度分布不均、融霜期间食品温度回升和波动以及占用空间较大等缺点［21］，影响食品品质。敞开式陈列柜等66%～77%的冷柜热负荷通过风幕卷吸周围的暖湿空气渗透入柜内，导致冷藏陈列柜在运行过程中出现温度分布不均匀和电耗高的问题。相变蓄冷材料的出现，解决了压缩机制冷所带来的温度分布不均和温度波动等问题［7］。Lu 等［12］将水和硼砂作为复合相变蓄冷材料填充到搁架中，研究了在融霜期间相变材料对柜内食品温度波动的影响，结果表明，融霜时食品温度降低约1.5 ℃，并改善了食品温度的均匀性。但相变蓄冷材料存在占用空间大、过冷和相变蓄冷材料泄露的问题［21］。自然冷源型陈列柜在北方地区使用较多，且存在季节性，不适合在南方地区使用。

【本研究切入点】半导体制冷又称热电制冷，是建立在帕尔贴效应原理上的一种制冷技术。随着热管技术在半导体制冷领域的应用和CFCs（Chloro-Fluoro-Carbons，氯氟碳化物）的禁用，半导体制冷凭借其静音、无制冷剂、无压缩机、可控性好［22-23］的特点在家电领域得以广泛应用［24-29］。姜坪等［26］研究了热端蒸发冷却条件下半导体制冷装置的制冷性能，发现增加强制对流强度、加装超声波加湿器和喷水器均可有效提高半导体制冷装置的制冷量和COP（Coefficient of Performance，能效比）。张晓芳等［29］建立了水冷式半导体冰箱的制冷模型，并通过试验验证了模型的准确性。【拟解决的关键问题】基于菜心的储存和销售设计循环风幕式半导体制冷展示柜，并建立菜心在销售过程中的传热模型。通过对比3 种不同展销方式对菜心品质的影响，验证展示柜的保鲜效果。该研究对减少菜心萎焉、提高菜心品质和延长货架期具有一定的意义。

1 循环风幕式半导体制冷展示柜原理与结构

1.1 保鲜原理

保持菜心展销品质的关键在于有效地减少菜心温度波动和表面的水蒸气压力分差。循环风幕式半导体制冷展示柜通过循环风幕结构和半导体制冷变频调控，形成与菜心温度相近的低风速冷风，沿柜壁循环，减少菜心与环境因温度差和压力差发生的传热传质现象。同时，菜心生理活动产生水蒸气，为减少菜心表面与环境空气中水蒸气分压力梯度，使菜心个体处于温湿度相对稳定的微环境中，从而延长菜心货架周期。循环风幕式半导体制冷展示柜避免了因风冷降温造成菜心风干、因开关控制温度波动和结露等问题，提高了展销环境温度、湿度稳定性，维持菜心保鲜品质、减少能耗。

根据菜心保鲜要求，循环风幕式半导体制冷展示柜需满足以下要求：（1）实时监控柜体内温度。（2）柜体菜心展销区域风速小，减少因空气流动造成的菜心间空气水蒸气分压力波动。（3）根据环境及贮藏温度，变频调控风机，降低柜体整体能耗。（4）变频控制半导体制冷片，防止冷端结霜，减少环境温度波动，减少相对湿度耦合影响，减少能耗，提高制冷片工作效率。

1.2 结构设计

循环风幕式半导体制冷展示柜由循环风幕柜体、真空玻璃翻盖、半导体制冷系统、控制系统组成，整体结构图如图1 所示。循环风幕柜体包括变速风道、导风槽，用于引导冷空气沿柜壁循环形成风幕，减小菜心与外界因温度差发生的热传导强度，实现菜心保鲜环境与外热环境隔离。其中，变速风道实现风速调节，减小柜内风速，降低菜心表面因气体流动造成的水蒸气分压力变化。真空玻璃翻盖方便用户选购菜心，并减少柜内与外界传热。半导体制冷系统共2 套，各包含2 个半导体制冷片、冷端换热片、制冷风机及水冷散热系统，以实现柜内制冷。水冷散热系统由水冷头、水泵、冷却液传输管、冷却液、散热器和散热风机组成。控制系统实现循环风温度、制冷片冷端温度监测，制冷片、冷端风机、热端风机及水泵变频控制。

图1 循环风幕式半导体制冷展示柜结构Fig.1 Structure of display cabinet with cyclic air curtain semiconductor refrigeration

柜体为旋转对称结构，俯视图见图2A。导风槽与变速风道组成风幕区，柜体中心为菜心区。变速风道结构见图2B，主要分为加速风道、换热风道、减速风道。

图2 循环风幕式半导体制冷展示柜柜体结构Fig.2 Cabinet structure of display cabinet with cyclic air curtain semiconductor refrigeration

离心风机工作时，入风口形成低压，高温低压低速空气由入风口进入加速区，随变速风道腔体横截面减小，气流加速，再经过离心风机加速射入换热区。在换热器区，空气与冷端换热器进行热交换，实现降温，形成低温高速高压气流并流入减速风道。在减速风道，随变速风道腔体横截面增大，风速减小，出风口处变为高压低速低温空气。因此，入风口处形成低压，出风口处形成高压，导风槽两侧产生压力差，出风口空气沿壁面Y 轴流向入风口，实现风幕区空气沿柜壁循环流动。菜心和导风槽组成风道，形成低温低速风幕，部分气体经导流板吹向底面与翻盖，实现底面与翻盖降温。循环风幕结构减少菜心与外界热传递，减缓了由于温差、风机造成的空气流动，降低菜心表面菜心区水蒸气分压力变化，从而减少菜心失水。

1.3 控制系统

控制系统采用STM32 控制芯片。系统分为人机交互模块、执行机构控制模块、传感器变送模块3 部分（图3）。人机模块由触摸控制屏、LED 灯和蜂鸣器组成；执行机构控制模块分为10路变频控制电路，分别控制2 个散热风机、2 个冷端风机、4 片半导体制冷片、2 个水泵；传感器变送电路为5 路Pt100 变送电路，分别检测冷端温度、热端温度、变速风道入风口温度、变速风道出风口处温度和环境温度。控制系统采用多点测温，综合调控策略。箱内温度通过变速风道出入口温度权重融合获取，半导体制冷片及水泵采用PID 控制实现变频控制。根据环境温度与热端温度温差热端风机采用变频控制。

图3 控制系统框架Fig.3 Control system frame chart

2 循环风幕式半导体制冷展示柜热负荷计算与选型

菜心展销过程中，为保持菜心贮藏温度相对稳定，半导体制冷片制冷量须与内外热负荷保持平衡（图4）。通过建立保鲜柜体的传热模型，得到半导体制冷片冷负荷。系统中制冷片带走柜体内热量，而通过菜心耗冷、开门传热、缝隙漏热、箱体传热、风机产热等方式增加系统内能。柜体热平衡公式为：

图4 循环风幕式半导体菜心展示柜传热模型Fig.4 Heat transfer model of display cabinet with cyclic air curtain semiconductor refrigeration for flowering cabbage

式中，Q1 为制冷片制冷量（kJ），Q2 为柜体传热量（kJ），Q3 为开门传热量（kJ），Q4 为缝隙漏热量（kJ），Q5 为菜心耗冷量（kJ），Q6为风机产热量（kJ）。由于展示柜使用环境一般处于室内，外界辐射能量较小故忽略不计。

2.1 制冷片制冷量

制冷片总制冷量为

式中，n1为制冷片个数，η1为半导体制冷片工作效率，P1为半导体制冷片功率（W），ts为工作时长（h）。

2.2 柜体传热量

菜心展销过程中柜体传热总量为5 个有机玻璃聚氨酯面传热和1 个真空玻璃门传热总和：

式中，K1为有机玻璃聚氨酯面总体传热系数，W/(m2·℃)；K2为真空玻璃面传热系数，W/(m2·℃)；S1为有机玻璃聚氨酯面面积总和，m2；S2为真空玻璃门面积，m2；Tw为柜台外部环境温度，℃；Tn为菜心贮藏温度，℃。

2.3 开门传热量

开门传热总量采用开门频度系数法计算，计算公式为：

式中，f为开门频度系数，展销过程中不开门f取值0.25，开门1～5 次取0.5，开门6～10 次取0.75，开门11～15 次取1。

2.4 缝隙漏热量

缝隙漏热总量计算公式为

2.5 菜心耗冷量

菜心耗冷包括菜心降温耗冷总量和菜心呼吸耗冷总量。菜心降温耗冷总量为菜心每次开箱升温后，降回设定温度范围所释放的热量总和，计算公式为：

式中，n2为开门次数；mc为展销菜心总质量，kg；Cc为展销菜心比热容，kJ/(kg·℃)；Tc为菜心上升后温度，℃；Tn为菜心贮藏温度，℃。菜心呼吸耗冷总量为展销过程中因菜心呼吸和蒸腾作用释放的热量总和，计算公式为：

式中，QB为菜心呼吸热总量，kJ；qc为菜心呼吸热，kJ/(K·kg·s)。

2.6 风机产热量

柜体内两个循环风机产热，风机产热总量为：

式中，η2为风机工作效率；P2为风机功率，W。

2.7 制冷片功率

根据上述各式联立计算所需参数，柜体整体设计参数见表1，制冷片功率计算公式为：

表1 热负荷模型设计参数Table 1 Design parameters of thermal load model

由此，可选用CP14.127.045 半导体制冷片（美国莱尔德科技集团，额定工作电压12 V、电流6 A，额定功率72 W，最大功率81.5 W）。

3 应用效果研究

根据设计方案制作循环风幕式半导体制冷展示柜样机，并以菜心为物料，通过循环风幕式半导体制冷展示柜与敞开式制冷陈列柜和常温陈列3 种展销方式，进行货架期试验，对比3 种展销方式对菜心保鲜品质影响。

3.1 试验设置

3.1.1 试验平台 循环风幕式半导体制冷展示柜，根据上述结构，柜体采用有机玻璃制作，中间层用发泡剂填充作保温层。敞开式陈列柜（压缩机功率1470 W，广州市广翔电器有限公司，图5）自上而下依次分为第1、2、3、4 层，通风系统冷空气通过陈列柜背部隔板通风口，将冷空气吹入陈列区，出口处有自上向下的冷风风幕［30-31］。

图5 敞开式陈列柜Fig.5 Open display cabinet

3.1.2 试验材料 试验物料选择广州本地菜心，清晨采摘，购于广州市长湴市场。去除伤菜、病菜、折菜，选取根部直径在6～10 mm 左右的菜心，放入冷库（8～10 ℃）预冷3 h，将菜心预冷至8～10 ℃，擦干后备用。

3.1.3 试验方法 将菜心随机放入9 个塑料筐（长×宽×高为430 mm×300 mm×130 mm），每筐菜重1 000（±50）g。循环风幕式半导体制冷展示柜内分层放入3 筐，敞开式陈列柜在第2、3、4层中间，分别放置1 筐，室内分层陈列3 筐。通过空调调节室内温度为25（±2）℃。试验共进行27 h，指标检测周期3 h。

3.2 测定项目及方法

3.2.1 质量损失率 采用电子称（量程0～8 200 g，精度0.1 g，北京赛多利斯科学仪器有限公司）称量菜心的质量。

质量损失率（%）［32］=(储藏前菜心质量-储藏后菜心质量)/储藏前菜心质量×100

3.2.2 好菜率 称重后随机选取20 根菜心根据茎部切口腐烂程度进行分级评定，重复3 次。茎部切口腐烂指刀口中央处失水引起凹陷、颜色较深，严重的有腐烂。茎部切口腐烂分级标准：1 级＜5%，2 级5%～10%，3 级10%～15%，4 级＞15%［33］。腐烂程度1～2 级评为好菜。

好菜率（%）=好菜质量/总质量×100

3.2.3 叶绿素SPAD 值 叶绿素相对含量通过叶绿素仪（柯尼卡美能达公司，SPAD-502 型）测定的SPAD 值表示。随机选取5 株菜心，每株菜心选2 个叶片进行SPAD 值测量，每个叶片测量2 次以上。测量数据取平均值作为该组试验菜心的叶绿素SPAD 值。

3.2.4 感官评定 主要对菜心的色泽、形态和气味3 项指标进行评分，每项指标以0～4 分评分，4 分最好，0 分最差，3 项指标平均分作为感官评定值（表2）［32,34］。

表2 菜心感官评定标准Table 2 Standard of sensory evaluation for flowering cabbage

每组试验重复3 次，采用SPSS 21.0 进行数据分析，利用Duncan法进行处理间的差异显著性分析。

3.3 结果与分析

3.3.1 菜心质量损失率的变化 3 种展销方式的菜心质量损失率变化如表3 所示。随展销时间延长，常温及敞开式陈列柜2 种方式展销菜心质量损失率变化速率先快后减缓，常温变化速率大于敞开式陈列柜。循环风幕式半导体制冷展示柜，变化速率最小，近似线性，展销3 h 后与另外两种展销方式差异显著；展销27 h 后质量损失率为9.3%，低于敞开式陈列柜展销9 h 质量损失率。展销27 h 后3 种陈列方式的质量损失率分别为34.8%、20.6%、9.3%，常温展销和敞开式陈列柜菜心的质量损失分别是循环风幕式展示柜展销的4.1 倍和2.2 倍，说明循环风幕式展示柜结构减少了菜心失水。

表3 菜心质量损失率（%）的变化Table 3 Change of mass loss rate (%) of flowering cabbage

3.3.2 菜心好菜率的变化 3 种展销方式菜心好菜率的变化如图6 所示。从图6 可以看出，随着展销时间的延长，3 种方式下的菜心好菜率均呈现出下降的趋势，但循环风幕式半导体展示柜好菜率变化速率最小，展销27 h 好菜率仍有35.8%；展销6 h 后，循环风幕式半导体制冷展示柜与另外2 种陈列方式差异性显著；循环风幕式半导体展示柜展销9 h 好菜率92.0%，而敞开式陈列柜和常温陈列9 h 后好菜率分别为44.9%、10.6%；展示柜展销27 h 菜心好菜率品质和陈列柜展销9 h 相当，与常温展销6 h 相当。常温展销变化最快，展销18 h 后好菜率为0；敞开式陈列柜次之，展销27 h 好菜率为2%。试验3 h 循环风幕式半导体制冷展示柜与另外两种展销方式差异显著，说明循环风幕式展示柜可以有效延长菜心货架期，提高蔬菜好菜率。

图6 不同展销方式菜心好菜率变化Fig.6 Changes of good vegetable rates of flowering cabbage with different display modes

3.3.3 叶绿素SPAD 值 菜心展销叶绿素SPAD值变化曲线如图7 所示。3 种展销方式叶绿素SPAD 值均呈现波动上升趋势，其原因可能是由于菜心货架销售期间，主要发生失水，菜叶萎蔫、卷曲和收缩，单位面积叶绿素含量增加，导致SPAD 值上升。3 种展销方式在展销0～27 h 期间，其SPAD 值变化区间范围在46～54 之间，由于多次开关门减少了乙烯含量，减轻菜心衰老，因此菜心没有发生黄化。

图7 不同展销方式菜心叶绿素SPAD 值变化Fig.7 Changes of chlorophyll SPAD value of flowering cabbage with different display modes

3.3.4 菜心感官评定 菜心展销27 h 后，感官评定分数变化如图8 所示。菜心货架期品质越好，其感官评定分数越高。3 种展销方式的感官评定平均分值整体呈现下降的趋势，但下降速率不一，其中常温陈列组下降最快，敞开式陈列柜组次之，循环风幕式展示柜最慢。3 种展销方式在展销6 h后差异显著，其中敞开式陈列柜及常温陈列方式展销3 h 后就发生萎蔫，而循环风幕式菜心展示柜展销9 h 后才发生萎蔫；常温展销菜心品质劣变最快，展销24 h 后常温陈列感官评定分值为0，循环风幕式菜心展示柜品质变化最慢，展销27 h常温陈列感官评定分值为2.17。

图8 不同展销方式菜心感官评定值的变化Fig.8 Changes of sensory evaluation values of flowering cabbage with different display modes

从图9 可以看出，菜心展销27 h 后，常温及陈列柜菜心失水严重，叶面萎蔫卷曲，失去光泽，茎部切口失水、凹陷严重，大量中空发白。循环风幕式展示柜中菜心失水较少，颜色鲜绿富有光泽，茎部切口部分凹陷、中空发白。因此，展销方式对菜心货架期品质影响较大，循环风幕式展销柜可以显著提高菜心货架期品质。

图9 不同展销方式菜心对比（27 h）Fig.9 Comparison of flowering cabbage with different display modes (27 h)

4 讨论

半导体制冷凭借其静音、无制冷剂、无压缩机、可控性好等特点广泛应用于家电领域［22］，是继压缩机制冷后的一大突破。本研究设计的循环风幕式半导体制冷展示柜，填补了国内半导体循环风幕式半导体制冷展示柜的空白，并建立了菜心在销售过程中的传热模型。通过对比常温陈列、敞开式陈列柜和循环风幕式半导体制冷展示柜3 种不同展销方式对菜心品质的影响，表明循环风幕式半导体制冷展示柜对菜心质量损失率、好菜率和菜心感官评价等指标均有较好的提升效果，因为低温贮藏可以有效抑制菜心的呼吸强度，降低其新陈代谢，保持菜心的水分和硬度，但对于叶绿素含量的维持效果一般。李露露［35］研究了不同温度对菜心失重率的影响，结果表明从贮藏1 d 开始，不同贮藏温度的菜心出现不同程度的失重现象，且随着货架期的延长差异不断增大，其中10、15、20、25 ℃贮藏温度处理菜心贮藏1 d失重率分别为0.06%、0.16%、0.4%和0.6%，而本研究中展销情况下的质量损失率均高于李露露［35］的试验结果，可能是由于菜心的品种不同所致。菜心叶绿素的试验结果与徐桂燕等［1］的研究结果相似。徐桂燕等研究了不同温度对菜心叶绿素含量的影响，结果表明，贮藏1 d 不同温度处理间无差异，贮藏2～5 d 温度对叶绿素的影响才有所显现，即随着温度升高，叶绿素含量逐渐下降。

对比3 种不同展销方式对菜心外观的影响，可以看出用敞开式陈列柜展销时的表层菜心萎焉较严重，这一方面可能是由于陈列柜频繁的温度波动，另一方面则可能是由于风速较大，菜心表面的蒸腾作用更强，导致表层菜心的失水较严重，但整体失水率仍低于常温展销，具体原因还有待进一步探明。本研究从宏观上研究了不同展销方式对菜心品质的影响，但未从微观上挖掘对菜心品质影响最大的因素，未总结出适宜菜心不同展销方式的适宜温度和风速，这将是课题组下一步的的工作计划。基于此，课题组还将进一步优化循环风幕式半导体制冷展示柜的结构参数以获得更均匀的温度场、湿度场和风速场，以保证展销期间柜内各个位置菜心品质的一致性，并降低制造和使用成本。循环风幕式半导体制冷展示柜具有体积小、灵活性好等优点，未来还将应用于各类农产品保鲜展销的应用场景，如葡萄、荔枝、鲜肉等，提高农产品的保鲜效果，满足人们对更高质量食品品质的需求。

5 结论

本研究设计了循环风幕式半导体制冷展示柜，并建立了菜心在销售过程中的传热模型。通过对比常温陈列、敞开式陈列柜和循环风幕式半导体制冷展示柜3 种不同展销方式对菜心品质的影响，验证展示柜的保鲜效果，结果表明：（1）菜心采用常温、敞开式陈列柜及循环风幕式半导体制冷展示柜3 种展销方式，质量损失率分别为37.8%、20.6%、9.3%，菜心质量损失率最高可降低28.5 个百分点。（2）循环风幕式展示柜可以减缓菜心货架期品质变化速率，循环风幕式半导体制冷展示柜展销27 h 后好菜率仍有35.8%，外观较好，而其余两种方式几乎为0，叶面萎蔫卷曲。（3）菜心展销过程中，叶绿素SPAD 值呈上升趋势，但没有发生黄化现象。

本研究对菜心展销装备设计及优化、半导体制冷片选型和材料参数选择具有一定的参考意义，保证菜心展销期间的食品品质。