陳開松 劉全義 馬長州

（長虹美菱股份有限公司 合肥 230601）

前言

20年前，冰箱屬于家電中的奢侈品，當(dāng)時的整機容積也就兩三百升，常規(guī)為兩門直冷冰箱，主要為冷藏與冷凍溫區(qū)。隨著冰箱技術(shù)的不斷進(jìn)步，冰箱逐漸從兩門過渡到三門，再到十字對開四門、對開門與法式五門主要結(jié)構(gòu)類型，容積從兩三百升逐漸提升至四五百升，再大的可以達(dá)到七八百升。冰箱容積大，負(fù)荷也會隨之增加，整機耗電量也增加很多。為了使大容積風(fēng)冷冰箱的具有較低的整機能耗，制冷系統(tǒng)主要從單系統(tǒng)到雙系統(tǒng)，再到三系統(tǒng)設(shè)計，可以滿足多間室冷藏、冷凍以及變溫功能需求。

從節(jié)能角度出發(fā)，中國以及世界各國對冰箱整機能效要求每過幾年都要進(jìn)行修訂，隨著修訂的逐步推薦，對大容積風(fēng)冷冰箱整機能耗要求越來越嚴(yán)格，節(jié)能設(shè)計逐步成為各冰箱廠家重點工作之一。

若僅從技術(shù)方案角度出發(fā)，節(jié)能技術(shù)方案還是比較多的，但是考慮到冰箱整機的性價比以及市場競爭力，需要尋求性價比最優(yōu)的技術(shù)方案，故超高性價比的冰箱節(jié)能技術(shù)研究是一項任重道遠(yuǎn)的持續(xù)工作。

1 具體方案

以一款十字對開門風(fēng)冷冰箱為研究載體，具備四款風(fēng)機與一款變頻壓縮機，外置冷凝器等，通過四款風(fēng)機不同檔位的匹配設(shè)計[1]，確保整機穩(wěn)態(tài)能耗最佳，輸出最佳風(fēng)機耦合技術(shù)方案。

1.1 冰箱載體配置

該款冰箱載體為十字對開門風(fēng)冷冰箱，具體設(shè)計方案如下：

1）冰箱結(jié)構(gòu)：

該款冰箱載體由四個門組成，左右對稱設(shè)計，見圖1，上面兩個門組成冷藏間室的門體，下面的左下門體為冷凍間室門體，右下門體為變溫間室門體，故該冰箱載體具有冷藏室、變溫室與冷凍室組成。

2）冰箱制冷系統(tǒng)選型：

為滿足以上三間室制冷設(shè)計需求，采用三循環(huán)制冷系統(tǒng)設(shè)計，具體冰箱制冷系統(tǒng)原理圖見圖2所示。

從該制冷系統(tǒng)圖中可知，該種三循環(huán)制冷系統(tǒng)為串并聯(lián)設(shè)計，每一個制冷間室均具有可以單獨制冷的毛細(xì)管，冷藏蒸發(fā)器、變溫蒸發(fā)器分別與冷凍蒸發(fā)器串聯(lián)，且冷藏蒸發(fā)器與變溫蒸發(fā)器為并聯(lián)狀態(tài)，實現(xiàn)三循環(huán)制冷系統(tǒng)串并聯(lián)的設(shè)計要求。

3）風(fēng)道系統(tǒng)設(shè)計：

風(fēng)冷冰箱最大的特色就是每一個間室都具有滿足送風(fēng)設(shè)計要求的制冷風(fēng)道。該款十字對開門風(fēng)冷冰箱冷藏間室、冷凍間室與變溫間室內(nèi)均具有獨立的制冷風(fēng)道，確保滿足各自送達(dá)的設(shè)計要求。

4）風(fēng)機選型設(shè)計：

該款冰箱載體中，每一個制冷間室內(nèi)的制冷風(fēng)道中均具有一個制冷風(fēng)機。

通常條件下，冷藏制冷風(fēng)機為離心制冷風(fēng)機，見圖3（a），直徑為110 mm左右，檔位為12檔設(shè)計，額定轉(zhuǎn)速為1 800 RPM。冷凍間室與變溫間室用制冷風(fēng)機也為離心制冷風(fēng)機，見圖3（b），直徑為120 mm左右，檔位為12檔設(shè)計，額定轉(zhuǎn)速為1 800 RPM。冷凝風(fēng)機為軸流風(fēng)機，見圖3（c），直徑為150 mm左右，檔位為12檔設(shè)計，額定轉(zhuǎn)速為1 200 RPM，該種風(fēng)機置于冰箱壓縮機艙室內(nèi)，與冰箱用外置冷凝模塊（冷凝器為微通道結(jié)構(gòu)）組合設(shè)計，確保滿足冷凝器散熱設(shè)計要求。

5）其他方面：

該款冰箱載體的冷藏溫區(qū)為0～8 ℃、變溫溫區(qū)為-20～0 ℃、冷凍溫區(qū)為-16～-24 ℃。能耗測試時，在32 ℃與16 ℃兩種環(huán)溫下分別進(jìn)行測試對比驗證。冷藏平均溫度在4 ℃以下，變溫平均溫 ℃在-6 ℃以下，冷凍平均溫度在-18 ℃以下。

冰箱在能耗測試時，冰箱后背板與測試臺位背板之間的間距為50 mm。

圖1 冰箱整機外觀圖

圖2 制冷系統(tǒng)原理圖

其他方面要求根據(jù)GB 12021.2-2015嚴(yán)格執(zhí)行。

1.2 能效測試下的風(fēng)機檔位設(shè)置

實際使用過程中，冷藏風(fēng)機、變溫風(fēng)機、冷凍風(fēng)機以及冷凝風(fēng)機的檔位均為12檔，不同檔位代表著不同的風(fēng)機檔位，檔位越高檔位越大，1檔檔位最低，12檔檔位最大。

以冷凍風(fēng)機為例，不同檔位對應(yīng)的風(fēng)機檔位見圖4。

以上風(fēng)機的不同檔位控制是獨立的，檔位任意設(shè)定，常規(guī)冰箱均使用最高檔位，確保冰箱制冷系統(tǒng)換熱速度快，換熱性能優(yōu)。但研究發(fā)現(xiàn)，所有風(fēng)機檔位的耦合控制不是越大越好，中間檔位的不同組合設(shè)計可以實現(xiàn)降能耗的設(shè)計要求。

2 試驗結(jié)果分析

2.1 不同風(fēng)機檔位耦合的能耗結(jié)果

該冰箱載體具有四款風(fēng)機，其中三款為制冷風(fēng)機，一款為冷凝風(fēng)機。冷藏風(fēng)機與變溫及冷凍風(fēng)機尺寸不同，相同檔位對應(yīng)的檔位也不同，相應(yīng)數(shù)據(jù)可以參照以上描述。

不同風(fēng)機、不同檔位的耦合，整機能耗測試結(jié)果見圖5、圖6。對表中的數(shù)據(jù)分析如下：

圖4 冷凍風(fēng)機不同檔位對應(yīng)的檔位

圖5 16 ℃環(huán)溫下冰箱用變頻風(fēng)機同檔位耦合性能結(jié)果

1）參見圖5，16 ℃環(huán)溫下，因為環(huán)溫偏低，實際冰箱載體的熱負(fù)荷較低，風(fēng)機檔位從最大檔位直接同步降低測試驗證，從12檔降至9檔，冰箱整機能耗同步降低，主要是風(fēng)機低檔位功耗降低起主導(dǎo)作用引起的。

針對單冷凝風(fēng)機而言，隨著冷凝風(fēng)機檔位的降低，能耗先降低，待檔位6檔時，整機穩(wěn)態(tài)能耗最佳，風(fēng)機檔位再降低時，能耗開始升高，說明制冷系統(tǒng)循環(huán)效率降低更快，超過了冷凝風(fēng)機檔位降低而降低的功耗。

針對冷藏風(fēng)機而言，冷藏風(fēng)機主要是應(yīng)用于冷藏間室大容積中，容積三四百升，因冷藏溫區(qū)溫度為0～8 ℃，16 ℃環(huán)溫下，所需風(fēng)機實際運行時間較短，隨著檔位的逐漸增加，能耗有降低，但是不是很明顯，從對比測試結(jié)果來看，5檔性能最優(yōu)。

針對變溫風(fēng)機而言，變溫風(fēng)機應(yīng)用于變溫間室中，能耗溫區(qū)為-6 ℃以下，16 ℃環(huán)溫下，從對比測試結(jié)果來看，5檔性能最優(yōu)。

針對變冷凍風(fēng)機而言，冷凍風(fēng)機應(yīng)用于變溫間室中，能耗溫區(qū)為-18 ℃以下，16 ℃環(huán)溫下，從對比測試結(jié)果來看，6檔性能最優(yōu)。

從最高檔位到最優(yōu)檔位，整機穩(wěn)態(tài)能耗從0.422 kWh/24 h降低至 0.404 kWh/24 h，降低比率約4 %。

2）參見圖6，32 ℃環(huán)溫下，因為環(huán)溫偏低，實際冰箱載體的熱負(fù)荷較高，風(fēng)機需要較高檔位運行才可以達(dá)到較佳的整機性能。

從最高檔位到最優(yōu)檔位，整機穩(wěn)態(tài)能檔位降低方案與16 ℃環(huán)溫類似，從數(shù)據(jù)中可知，冷藏風(fēng)機、變溫風(fēng)機、冷凍風(fēng)機與冷凍風(fēng)機檔位分別為8檔、6檔、6檔與9檔時，整機穩(wěn)態(tài)能耗最佳。能耗從1.074 kWh/24 h降低至 1.033 kWh/24 h，降低比率約3.5 %。

綜合而言，根據(jù)16 ℃與32 ℃環(huán)溫下的冰箱載體的穩(wěn)態(tài)能耗對比結(jié)果，通過幾款風(fēng)機不同檔位的耦合，可以實現(xiàn)兩種環(huán)溫下的最佳能耗驗證結(jié)果，達(dá)到節(jié)能的設(shè)計目標(biāo)。

同時，通過控制邏輯的修改，整機不增本，整機性價比更優(yōu)，故變頻風(fēng)冷冰箱針對不同的冰箱配置尋找出最佳的風(fēng)機檔位，實現(xiàn)最優(yōu)的能耗設(shè)計是節(jié)能的一個重要方案。

圖6 32 ℃環(huán)溫下冰箱用變頻風(fēng)機同檔位耦合性能結(jié)果

2.2 風(fēng)機耦合設(shè)計原則

從以上測試與分析結(jié)果來看，風(fēng)機不同檔位的耦合設(shè)計可以降低帶有變頻風(fēng)機的風(fēng)冷冰箱的整機能耗，但風(fēng)機不同檔位的控制參數(shù)不是固定的，不同的風(fēng)冷數(shù)量，規(guī)格也不盡相同，需根據(jù)實際使用狀態(tài)匹配優(yōu)化得到。從用戶聲品質(zhì)角度出發(fā)，噪音要求盡可能低些，可以更好地滿足用戶的實際使用需求，故提幾點變頻風(fēng)機耦合設(shè)計的原則：

1）冰箱用風(fēng)機轉(zhuǎn)速適中選配原則：既不用最高檔位，也不用最低檔位。32 ℃環(huán)溫下，冷凝風(fēng)機采用9～10檔為最佳，冷藏風(fēng)機采用8～9檔位最佳，冷凍與變溫風(fēng)機采用6～7檔位最佳。16 ℃環(huán)溫下，冷凝風(fēng)機采用6～7檔為最佳，冷藏風(fēng)機采用5～6檔位最佳，冷凍與變溫風(fēng)機采用6～7檔位最佳。

2）為實現(xiàn)以上的風(fēng)機低檔位設(shè)計，制冷系統(tǒng)需要做相應(yīng)的匹配設(shè)計。與冷凝風(fēng)機配套使用的冷凝器換熱面積盡可能設(shè)計大些，冷凝風(fēng)機低檔位運行時，整機的散熱效果不影響制冷循環(huán)效率。三款制冷風(fēng)機與對應(yīng)的蒸發(fā)器匹配設(shè)計，蒸發(fā)器面積在有限的空間中也盡量設(shè)計大一些，確保風(fēng)機低檔位運行的可靠性。

3）與對應(yīng)風(fēng)機運行的風(fēng)道設(shè)計也是設(shè)計的一個重要方面，實際設(shè)計時，要充分考慮對應(yīng)風(fēng)機用于的對應(yīng)空間，進(jìn)行高效風(fēng)道結(jié)構(gòu)設(shè)計，要求風(fēng)阻盡可能小，幾乎無渦流等不足之處，放置出現(xiàn)風(fēng)循環(huán)短路設(shè)計。

3 結(jié)論

依托十字對開門三循環(huán)制冷系統(tǒng)的大容積風(fēng)冷冰箱，通過調(diào)整四款變頻風(fēng)機的不同檔位，實現(xiàn)冰箱整機在兩種環(huán)溫下均達(dá)到最佳能耗設(shè)計要求。同時，風(fēng)機控制邏輯設(shè)計不需要增加成本，綜合而言，風(fēng)冷冰箱風(fēng)機變頻最佳耦合技術(shù)是一種性價比左右的設(shè)計方案，為確保此種方案的可行性，實際設(shè)計需綜合考慮制冷系統(tǒng)制冷部件與風(fēng)道結(jié)構(gòu)設(shè)計，確保整機性能更佳。