食品零售冷藏光谱LED技术评估：相关色温可预测色度，但无法预测能耗或光氧化性能

《Sustainable Energy Technologies and Assessments》：Spectral LED technology assessment for food retail refrigeration: correlated color temperature predicts chromaticity but not energy or photooxidative performance

　　

•基于光谱而非色温的LED规范可减少能源消耗和食物浪费•一种新型高铁肌红蛋白光氧化指数（MPI）用于量化LED导致的食物浪费•专用肉类展示LED需要增加38–66%的辐射通量，但无法带来可证明的MPI改善•色温可以预测肉类颜色，但无法预测LED能耗或光氧化损伤

**引言**

零售照明是商业建筑中的主要能源负荷之一：约占超市总用电量的15–25%，而制冷系统则占30–60%[1], [2]。展示柜照明本身约占冰箱总用电量的15%[3]，使其成为在不影响产品陈列效果的前提下进行节能的天然目标。随着《欧盟建筑能效指令》（EPBD）和全行业净零目标的实施，降低这一能耗已成为零售运营商降低运营成本和环境影响的重点。

冷藏展示柜从荧光灯（FL）向LED的转变已得到充分确立，LED的采用相比传统FL系统可实现40–60%的效率提升[4]，在现代零售设施中，这一转换已基本完成。剩余的挑战则有所不同：在产品日益拥挤的市场中选择正确的LED规范。要充分利用所有可获取的节能潜力，现在取决于评估LED光谱特性、产品需求和冷藏零售运营约束之间的相互作用。

对于建筑能源管理者而言，问题已不再是是否采用LED技术，而是规范哪种LED产品——这是一个具有长期能源后果的资本投资决策。通用LED灯具在展示应用中通常可达到约140 lm/W的发光效率，而针对特定用途营销的专业产品往往以牺牲效率为代价来提升光谱性能。为满足陈列需求而修改的产品可能仅达到约95 lm/W的效率，在相同光输出下需要比通用替代品多47%的电力。建筑能源管理者和零售运营商需要理解这种效率与性能的权衡，以便在满足运营需求的同时获得最佳投资回报。

为冷藏零售展示选择LED规范，会同时影响建筑能源表现的多个维度，这意味着需要在三个往往相互矛盾的的目标之间取得平衡[5], [6]。视觉呈现必须支持陈列目标[7], [8]和消费者购买决策，这一效应在肉类产品[9], [10]和更广泛的食物零售中（包括烘焙食品[11]）已有记录。产品稳定性必须通过整个展示期得以保持，以限制浪费[12]及其伴随的隐性能源损失[13]。发光效率必须最大化以降低电力消耗，同时满足视觉任务的照度要求[14]。重要的是，这些权衡现在完全在LED技术内部展开：问题不再是LED与FL的对比，而是哪种LED光谱和性能特性最能服务于整体系统性能。为改善产品外观而设计的LED可能会在过程中损失发光效率，削减潜在的节能收益；反之，高效率的通用LED可能无法满足特定应用的展示要求。量化这些权衡使得从能源角度优化整体系统性能成为可能。

当前行业实践在很大程度上依赖色温（CCT）作为主要选择参数，基于消费者偏好研究和行业指南，通常推荐温暖色温范围（2700–3500 K）用于肉类展示。这种方法作为能效评估的基础是不恰当的。CCT对发光效率一无所知，而发光效率才是决定电力消耗的量：两个均标有"3000 K，CRI Ra 80"的LED可以相差25%的效率，这一差距直接转化为建筑能耗，因此按CCT规范可以悄然排除每年价值数千欧元的高效率选项。CCT也不预测特定应用性能：它表征的是色度，由明视觉V(λ)加权的光谱功率分布（SPD）推导而来，而冷藏展示性能取决于蓝波段光子通量（光氧化作用光谱F(λ)，在LED实际发射的波长范围内于约415 nm处达到峰值）和红波段反射率。这些是根本不同的加权函数：无数种SPD组合可以共享相同的CCT，却产生截然不同的能耗和产品降解，尽管颜色外观本身仅凭CCT即可相当可靠地预测。而且由于CCT仅是总结复杂多维SPD的单一数值，CCT相同的来源在光谱组成、效率和特定应用性能方面仍可能存在巨大差异。

这一单一指标的局限性并非冷藏展示所独有。类似CCT/CRI与实际显色结果之间脱耦的情况已在通过半透明建筑玻璃的光线中得到记录：在名义上相似的观察条件下，商业半透明光伏玻璃的CRI值可以从50多到近乎完美[15]。通过窗户玻璃的日光研究同样得出结论，CIE CRI等单一色质量指数并不总是透射颜色质量的合适预测指标[16]；此后已专门开发了计算工具，以同时报告透射光的多重色度和光生物学属性，而非依赖单一指数，这种方法在概念上与本文采用的Rf/Rg/Rcs,h1报告方式类似[17]。对商业窗户产品的实证比较证实，这一权衡在实践中相当严重：不同窗户类型的显色指数据报道从约52到约98不等，具体取决于采用的太阳能控制策略，说明由能源驱动的规范可能带有巨大且未被明示的显色成本[18]。在能耗方面，关于室内建筑环境人工照明的文献同样强调，照明能耗受多个基本独立的因素影响，而非由任何单一规范参数决定，这与本研究反对基于CCT选择论证的论点相呼应。数据驱动分析已被用于识别最强烈预测办公室照明能耗的参数[19]。关于商业建筑照明控制技术的综述也得出了类似的多因素结论[20], [21]。基于这一系列工作，本研究对LED文献的先期系统综述确定了本文所解决的具体差距：缺乏将LED改造的能耗与决定其特定应用可接受性的色质量准则联系起来的出版物[22]。

从能源角度来看，决定整体系统性能的是展示照明的SPD，而不仅仅是其强度或CCT。SPD通过发光效率决定能耗，但也决定了光致产品降解速率，后者通过浪费和缩短保质期带来自身的经济和资源成本[23], [24]。肌红蛋白是赋予鲜牛肉颜色的色素，在可见光下会发生光氧化，其敏感性在整个可见光谱范围内随波长变化[25], [26]。因此，两个发光效率相同的LED光源对产品质量稳定性、展示时长、浪费率和与产品损失相关的隐性能源的影响可能不同。完整的能源绩效核算必须包含直接电力消耗和这些由产品浪费引起的间接损失。

我们选择冷藏肉类展示作为案例研究，因为其光学要求苛刻，对节能照明设计构成严格约束。新鲜产品颜色是销售点的主要质量信号[27]。肉类颜色偏好已有充分记录[28], [29]。变色导致的购买回避及由此产生的零售浪费也已通过消费者焦点小组直接表征[30]。一旦感知变色超过既定可接受阈值，购买概率急剧下降[31]，这与消费者牛肉颜色偏好的调查证据一致[32]。超过这些阈值后，变色通常迫使降价销售[33], [34]。消费者的这种敏感性创造了必须与能效目标进行权衡的经济压力。产品颜色本身源于肌红蛋白化学、照明光谱特性[35], [36]以及通过光化学途径的肌红蛋白氧化还原化学之间的相互作用[36]，因此照明选择同时影响能耗、视觉呈现和产品降解。如果我们的方法论在这些苛刻条件下经得起检验，它应该同样适用于约束较少的展示场景。

牛肉肌肉中高铁肌红蛋白形成的生化机制已有充分表征[37]，但这些知识尚未被纳入照明选择的综合方法中。已知光谱组成对食品保鲜和质量至关重要，尤其是对氧化控制[38], [39]，但零售照明仍缺乏评估能源绩效同时考虑这些效应的综合方法。能效、视觉陈列和产品保鲜通常被分别研究[6], [12]而非一起研究，因此基于证据的权衡分析——LED改造中进行合理资本投资决策的先决条件——尚付阙如。尚未有人量化在同一CCT类别内部与类别之间性能变化的差异程度，尽管这个数字决定了CCT是只需改进还是应该被完全抛弃。已知专用肉类展示产品以牺牲效率为代价换取更好的显色，但没有比较分析表明这种代价是否换来了成比例的操作收益。在行业层面，文献主要由个体安装研究主导[4], [40]，行业级节能潜力尚未确立。建筑运营商缺乏经验证的途径来同时权衡发光效率、色度和光氧化影响，因此技术选择往往退回到制造商营销宣传或毫无实证依据的任意CCT规则。

本研究致力于通过一种为冷藏展示选择节能LED照明的方法来弥合这些差距。以冷藏肉类展示为案例研究，我们评估了覆盖名义2700–4000 K CCT的LED光谱功率分布以及专业展示光源，通过发光效率测量、基于消费者偏好数据校准的CIE L*a*b*色度坐标和一种新的光氧化影响指标来实践上述三个目标。鲜牛肉是我们的演示案例，但底层方法论应可推广至其他冷藏食品展示应用，包括家禽、海鲜、乳制品和预制食品。

本工作所解决的更广泛障碍是缺乏经验证的途径来规范建筑照明，同时考虑能效、运营需求和系统性能。此处开发的评估方法使建筑运营商和设施管理者能够基于证据而非猜测进行技术选择，同时满足运营需求和建筑级能源目标。本文以商业冷藏展示进行了验证，但应可拓展至其他单一传统指标无法预测性能、且需同时权衡多个竞争目标的特种建筑照明应用。

**章节摘要**

**材料与方法**

在每个LED候选方案的等效照度条件下量化三个性能维度。第一是直接电力能耗，通过对约1200个商业可用的LED光谱功率分布（SPD）进行发光效率测量来评估，这些SPD由认证光度实验室测量并存档于数据库（如EMPIR 15SIB07 PhotoLED数据库[41]和PNNL"真实光源SPD"数据库[42]）（第2.1节）。第二是……

**波长依赖光氧化的理论基础**

F(λ)的波长依赖形状反映了肌红蛋白氧化还原化学的既定光化学基本原理。氧合肌红蛋白是赋予鲜肉所需亮红色调的色素，在约545 nm和582 nm的可见光下受到最强损伤，而高铁肌红蛋白是与不理想的棕色变色相关的氧化形式，主要在约504 nm和630 nm吸收（Kropf [59]）。与此一致，较新的研究直接……

**色度性能结果**

色度结果展示于图8，该图显示了LED光谱特性与预测的碎牛肉购买概率之间的关系。较低色温照明（2700 K，3000 K）产生较高的a*值，2700 K光源的平均a* = 27.1（SD = 1.4），对应72–97%的全价购买概率。较高色温照明（4000 K）导致较低的a*值（平均值 = 24.8），与较低的全价接受度相关。然而，存在相当大的……

**结论**

本研究证明，基于光谱的LED选择可以在冷藏零售中实现建筑节能、削减食物浪费引起的间接损失，并保持视觉陈列性能——这三个目标无法通过当前基于CCT的规范同时满足。收益是巨大的：2700–3500 K范围内的通用LED在统计上与专用肉类展示产品的光氧化表现相匹配（p > 0.05），同时在等效……下需要减少38–66%的辐射通量

**CRediT作者贡献声明**

Irena Fryc：论文审阅与编辑，论文初稿撰写，验证，监督，资源，方法论，调查，形式化分析，数据整理，构思。Robert Supronowicz：论文审阅与编辑，论文初稿撰写，验证，方法论，形式化分析，数据整理。

Maciej Listowski：写作 - 审阅和编辑，写作 - 原稿，可视化，验证，软件，资源，形式分析，数据管理。

利益冲突声明
作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系，这些关系可能会影响本文报告的工作。

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