李培培 劉 雷

（長虹美菱股份有限公司 合肥 230601）

引言

隨著國內(nèi)家電產(chǎn)業(yè)發(fā)展以及產(chǎn)品消費(fèi)升級(jí)，家用電冰箱對節(jié)能降耗的要求越來越高。對于變頻冰箱而言，因配備了變頻壓縮機(jī)，可以改變轉(zhuǎn)速而產(chǎn)生不同的制冷量，在高溫環(huán)境下冰箱的負(fù)荷很大[2]，通過增加運(yùn)行轉(zhuǎn)速提高壓縮機(jī)的制冷量，適應(yīng)冰箱在高溫環(huán)境下的負(fù)荷需求，而在低溫環(huán)境下冰箱的負(fù)荷相對較小，通過減小運(yùn)行轉(zhuǎn)速降低壓縮機(jī)的制冷量，使制冷量與冰箱熱負(fù)荷相匹配，確保冰箱性能在合理水平，進(jìn)而達(dá)到降低耗電量的目的。

所述變頻壓縮機(jī)的節(jié)能原理[3]是，當(dāng)環(huán)境溫度降低或冰箱熱負(fù)荷減小時(shí)，冰箱的蒸發(fā)器溫度會(huì)降低，制冷系統(tǒng)COP下降，而壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速降低后，壓縮機(jī)排氣量降低，提高了蒸發(fā)溫度，繼而使制冷系統(tǒng)COP升高，從而降低冰箱運(yùn)行能耗。然而壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速并非越低越好，轉(zhuǎn)速過低時(shí)，制冷量過低，無法滿足冰箱正常制冷需求，壓縮機(jī)運(yùn)行率過大，不但不能降低冰箱運(yùn)行能耗，反而會(huì)增加其耗電量。另外，冷凍風(fēng)機(jī)運(yùn)行轉(zhuǎn)速對冰箱整機(jī)性能有一定影響，特別是再壓縮機(jī)低轉(zhuǎn)速運(yùn)行、冷藏制冷時(shí)，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速告訴運(yùn)行，使系統(tǒng)蒸發(fā)溫度進(jìn)一步提高，不利于冷凍制冷降溫。

對此，本文選用BCD-338W變頻冰箱為研究對象，通過相應(yīng)的試驗(yàn)測試，分析出壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速、冷凍風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速以及冷藏控溫參數(shù)對耗電量的影響，并通過優(yōu)化這些控制參數(shù)，降低整機(jī)運(yùn)行能耗。

1 實(shí)驗(yàn)測試

1.1 實(shí)驗(yàn)樣品

本次實(shí)驗(yàn)所用樣機(jī)是型號(hào)為BCD-338W的單循環(huán)風(fēng)冷變頻兩門冰箱，如圖1所示，為上藏下凍結(jié)構(gòu)、雙溫雙控產(chǎn)品，總?cè)莘e338 L，冷藏、冷凍間室共用一個(gè)冷凍蒸發(fā)器，制冷劑為R600a。冷凍室后背處的蒸發(fā)器為冰箱提供冷源，并通過冷凍風(fēng)機(jī)以及風(fēng)道系統(tǒng)形成循環(huán)風(fēng)為冷藏、冷凍間室輸送冷量。冷藏制冷時(shí)，壓縮機(jī)啟動(dòng)，電動(dòng)風(fēng)門打開，冷凍風(fēng)機(jī)啟動(dòng)運(yùn)行，為冷藏輸送冷風(fēng)，在冷藏風(fēng)道上部風(fēng)口出風(fēng)，之后冷風(fēng)與冷藏室藏品進(jìn)行熱交換，溫度升高后從冷藏室下部的回風(fēng)口進(jìn)入冷藏回風(fēng)道，最后經(jīng)過回風(fēng)道進(jìn)入蒸發(fā)器底部，完成冷藏制冷風(fēng)循環(huán)。冷凍制冷時(shí)，電動(dòng)風(fēng)門關(guān)閉，壓縮機(jī)、冷凍風(fēng)機(jī)均運(yùn)行，空氣經(jīng)過蒸發(fā)器降溫后從冷凍面罩出風(fēng)口排出，使冷凍間室進(jìn)行制冷降溫，然后從冷凍風(fēng)道底部回風(fēng)通道進(jìn)入蒸發(fā)器底部，如此形成冷凍制冷風(fēng)循環(huán)。

圖1 冰箱結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 測試方法

本次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)是在環(huán)境溫度為32 ℃，相對濕度為50 %的條件下取得。實(shí)驗(yàn)過程中，采用銅-康銅熱電偶來測量溫度，并按GB 12021.2-2015進(jìn)行耗電量測試，測試要求在箱體內(nèi)部布置溫度測點(diǎn)，監(jiān)測冰箱運(yùn)行期間各測點(diǎn)的溫度變化，要求冷藏間室平均溫度不大于4 ℃、冷凍間室平均溫度不大于-18 ℃。數(shù)據(jù)采集間隔設(shè)定為30 s，同時(shí)采用數(shù)字測試儀測量冰箱的運(yùn)行功率和耗電量。

2 性能分析研究

2.1 壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速對整機(jī)能耗的影響

首先，在冰箱的制冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)確定后，蒸發(fā)面積與冷凝面積多是固定且不可改變，影響冰箱制冷系統(tǒng)制冷量與散熱量的參數(shù)主要是蒸發(fā)器與冷凝器的換熱溫差和換熱系數(shù)。當(dāng)溫差變小時(shí)，換熱系數(shù)也會(huì)變小，但相對而言，溫差的改變對制冷量或散熱量的影響更大[2]。對于變頻壓縮機(jī)而言，在制冷系統(tǒng)固定不變的情況下，不同的壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速會(huì)產(chǎn)生不同的蒸發(fā)溫度和冷凝溫度。壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速增大時(shí)，壓縮機(jī)排氣量增多，冷凝器熱負(fù)荷增大，在冷凝器換熱面積不變的情況下，冷凝壓力、冷凝溫度必然會(huì)升高，冷凝器換熱溫差變大，提高了冷凝器散熱量，這樣才能滿足冰箱冷凝散熱需求。因冷凝壓力升高、毛細(xì)管入口壓力變大的作用，管內(nèi)制冷劑流量增大，制冷劑流動(dòng)阻力及毛細(xì)管壓降變大，且壓降增幅大于冷凝壓力增幅，最終導(dǎo)致冰箱蒸發(fā)壓力及蒸發(fā)溫度降低，蒸發(fā)器換熱溫差變大，制冷量提高，壓縮機(jī)運(yùn)行率降低。反之，壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速減小時(shí)，蒸發(fā)器制冷量減小，壓縮機(jī)運(yùn)行率會(huì)提高。

其次，決定冰箱運(yùn)行能耗大小的兩個(gè)參數(shù)，一是壓縮機(jī)運(yùn)行率，二是壓縮機(jī)運(yùn)行功率。壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速高時(shí)，壓縮機(jī)運(yùn)行率低，但壓縮機(jī)運(yùn)行功率大；壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速低時(shí)，壓縮機(jī)運(yùn)行率大，但壓縮機(jī)運(yùn)行功率小。對此，這就需要在壓縮機(jī)運(yùn)行率和運(yùn)行功率之間找到平衡點(diǎn)，使冰箱整機(jī)運(yùn)行能耗相對較低。本試驗(yàn)樣機(jī)選用氣缸容積為7.0 cm3排量的變頻壓縮機(jī)，壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速范圍為1 200～4 500 rpm。表1為該壓縮機(jī)的性能參數(shù)表，從數(shù)據(jù)中可以看出，壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速在2 400 rpm時(shí)COP最高，壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速在4 500 rpm時(shí)制冷量最大，壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速在200 rpm時(shí)輸入功率最小。

表1 壓縮機(jī)性能參數(shù)表

如表2所示，實(shí)驗(yàn)樣機(jī)在環(huán)境溫度為32 ℃時(shí)實(shí)驗(yàn)測試數(shù)據(jù)，壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速從2 550 rpm逐步降到2 190 rpm，運(yùn)行率逐漸變大，耗電量降低3 %，但轉(zhuǎn)速從2 190 rpm降到2 100 rpm時(shí)，壓縮機(jī)運(yùn)行率快速上升到91.18 %，增幅17 %，而壓縮機(jī)運(yùn)行功率降幅只有3.9 %，導(dǎo)致整機(jī)耗電量不降反升。由此可見，對于變頻冰箱，并非壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速越低，耗電量越小，還要綜合考慮壓縮機(jī)運(yùn)行率和運(yùn)行功率，這樣才能確定壓縮機(jī)的最佳轉(zhuǎn)速。

2.2 冷藏控溫參數(shù)對整機(jī)能耗的影響

針對表2中壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速2 100 rpm時(shí)整機(jī)耗電量過大問題做進(jìn)一步分析。圖2為壓縮機(jī)按2 100 rpm轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí)冰箱整機(jī)運(yùn)行曲線圖。從圖2中的冷凍溫度和冷藏溫度曲線對比可以看出，每當(dāng)冷藏制冷時(shí)冷凍溫度都會(huì)快速升溫，究其原因，一是冷藏制冷時(shí)蒸發(fā)器蒸發(fā)溫度相對較高，二是冷藏制冷開始時(shí)刻要么是冷凍制冷剛結(jié)束沒有多久，要么是冷凍制冷即將結(jié)束，此時(shí)冷凍溫度處在波動(dòng)低谷處，溫度相對較低，導(dǎo)致蒸發(fā)溫度高于冷凍溫度。蒸發(fā)器不但不能對冷凍進(jìn)行降溫，反而會(huì)起動(dòng)加熱作用，加速冷凍回溫，最終導(dǎo)致壓縮機(jī)運(yùn)行率很大，耗電量快速增大。

表2 不同壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速下冰箱運(yùn)行參數(shù)

圖2 2 100 rpm壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速的運(yùn)行曲線圖

造成壓縮機(jī)2 100 rpm轉(zhuǎn)速時(shí)冰箱耗電量快速增加的主要原因是冷藏制冷周期和冷凍制冷周期的時(shí)間匹配設(shè)計(jì)不合理所致。若解決該問題，需要對冷藏制冷周期時(shí)間長度進(jìn)行調(diào)整，使冷藏制冷時(shí)冷凍溫度處于波峰附近，蒸發(fā)溫度不高于或小于冷凍溫度，減小整機(jī)運(yùn)行率。如圖3所示，冷藏制冷周期時(shí)間加長后的冰箱整機(jī)運(yùn)行曲線圖。從圖3中可以看出，壓縮機(jī)停機(jī)時(shí)間加長，冷凍回溫到一定值后冷藏才開始制冷，且冷藏制冷時(shí)蒸發(fā)溫度和冷凍溫度差值很小，冷凍回溫速度減弱，即降低了冷藏制冷對冷凍溫度的負(fù)作用。表3所列數(shù)據(jù)是不同冷藏制冷時(shí)間下冰箱運(yùn)行參數(shù)。從中可以看出，隨著冰箱冷藏制冷周期的加長，冰箱壓縮機(jī)運(yùn)行率在逐步下降，整機(jī)整機(jī)耗電量也從最初的0.91 kW.h/24 h下降到0.77 kW.h/24 h，約降低15 %。

圖3 冷藏制冷周期調(diào)整后運(yùn)行曲線圖

表3 不同冷藏制冷時(shí)間下冰箱運(yùn)行參數(shù)

2.3 風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速對整機(jī)能耗的影響

如上文所述，通過調(diào)整冷藏制冷周期時(shí)間長度，降低了冰箱整機(jī)運(yùn)行率，但從圖3整機(jī)運(yùn)行曲線圖中可以看出，冷藏制冷時(shí)蒸發(fā)溫度和冷凍溫度相差很小，冷藏制冷時(shí)制冷系統(tǒng)對冷凍無明顯制冷效果，壓縮機(jī)還需為冷凍單獨(dú)制冷另外做功，徒增冰箱整機(jī)運(yùn)行能耗。若要繼續(xù)降低冰箱運(yùn)行能耗，必須解決冷藏制冷時(shí)蒸發(fā)溫度過高問題，使蒸發(fā)溫度下降到冷凍溫度以下。在不增加壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速的前提下，降低冷凍風(fēng)機(jī)運(yùn)行轉(zhuǎn)速，減少蒸發(fā)器制冷劑蒸發(fā)量，降低蒸發(fā)器表面溫度，使其溫度低于冷凍間室溫度，提高蒸發(fā)器對冷凍室的制冷效果。

如表4所示，本實(shí)驗(yàn)樣機(jī)使用的冷凍風(fēng)機(jī)按運(yùn)行占空比方式控制其運(yùn)行轉(zhuǎn)速，其中運(yùn)行占空比是單位時(shí)間內(nèi)風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)間占總時(shí)長的百分比。每個(gè)風(fēng)機(jī)檔位對應(yīng)一個(gè)運(yùn)行占空比，其中最大運(yùn)行檔位是S12，對應(yīng)占空比是100 %，風(fēng)機(jī)以最高轉(zhuǎn)速1 840 rpm運(yùn)行。其次，本樣機(jī)冷凍風(fēng)機(jī)運(yùn)行規(guī)則是，冷凍制冷時(shí)風(fēng)機(jī)按S12固定檔位運(yùn)行，另外利用顯示板程序參數(shù)控制冷藏制冷時(shí)風(fēng)機(jī)運(yùn)行檔位，分別驗(yàn)證不同風(fēng)機(jī)運(yùn)行檔位下冰箱運(yùn)行狀況。

表4 冷凍風(fēng)機(jī)運(yùn)行檔位轉(zhuǎn)速匹配表

表5所示數(shù)據(jù)為冷藏制冷時(shí)冷凍風(fēng)機(jī)在不同運(yùn)行檔位下冰箱運(yùn)行數(shù)據(jù)。隨著冷凍風(fēng)機(jī)運(yùn)行檔位逐漸下降，冷藏風(fēng)道的出風(fēng)量逐漸減少，冷藏制冷效果變差，冷藏單次制冷時(shí)間逐漸增大。同時(shí)，因?yàn)轱L(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速降低，蒸發(fā)器制冷劑蒸發(fā)效果降低，蒸發(fā)溫度下降。如圖4所示，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速下降到S6檔，冷藏制冷時(shí)蒸發(fā)溫度均比冷凍溫度小1.5～2 ℃，冷凍溫度曲線基本呈現(xiàn)水平狀，冷凍基本不回溫，冷凍溫度波動(dòng)峰值減小，縮短了冷凍額外制冷所需的壓縮機(jī)做功時(shí)間，最終降低了壓縮機(jī)運(yùn)行率，使冰箱整機(jī)耗電量從原來的0.77 kW.h/24 h下降到0.744 kW.h/24 h，約降低3.4 %。然當(dāng)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速下降到S4檔時(shí)，因風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速過低，冷藏制冷效率下降過多，反而會(huì)增加了冰箱整機(jī)運(yùn)行率，耗電量不降反升。

表5 冷凍風(fēng)機(jī)運(yùn)行檔位轉(zhuǎn)速匹配表

圖4 風(fēng)機(jī)S6檔轉(zhuǎn)速時(shí)冰箱運(yùn)行曲線圖

3 結(jié)論

本文論述的冰箱性能優(yōu)化方法，是在冰箱結(jié)構(gòu)及制冷系統(tǒng)固定不變的情況下，通過優(yōu)化調(diào)整壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速、冷藏控溫參數(shù)以及風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的措施，沒有成本增加，降低冰箱整機(jī)運(yùn)行能耗，實(shí)現(xiàn)零成本的性能改進(jìn)。本文研究成果豐富了冰箱的性能匹配優(yōu)化方法，為單系統(tǒng)風(fēng)冷冰箱的性能改進(jìn)提供必要的設(shè)計(jì)參考。