風(fēng)冷冰箱節(jié)能、環(huán)保和保鮮關(guān)鍵技術(shù)淺析（一）

劉建如 黃東 喬琳 趙日晶

1.海爾智家股份有限公司 山東青島 266000；2.西安交通大學(xué)制冷與低溫工程系 陜西西安 710049

1 風(fēng)冷冰箱與壓縮機(jī)一體化設(shè)計開發(fā)

冰箱的能耗部件主要是壓縮機(jī)，占比超過85%，其余是兩器的風(fēng)機(jī)以及除霜、防凝露和風(fēng)門防凍結(jié)電加熱器的功率。室內(nèi)環(huán)溫、箱內(nèi)溫度決定了冰箱系統(tǒng)的冷凝溫度（壓力）和蒸發(fā)溫度（壓力），進(jìn)而決定了變頻壓縮機(jī)的能耗，其中箱內(nèi)冷藏室、冷凍室的設(shè)定溫度比較穩(wěn)定，因此室內(nèi)環(huán)溫是影響壓縮機(jī)功率的關(guān)鍵因素。

目前國家標(biāo)準(zhǔn)要求注明冰箱的年耗電量，先得到典型室內(nèi)環(huán)溫的耗電量，再根據(jù)室內(nèi)環(huán)溫的全年天數(shù)占比進(jìn)行加權(quán)計算，最終得到年耗電量。國家標(biāo)準(zhǔn)對室內(nèi)環(huán)溫和全年天數(shù)占比有明確規(guī)定：室內(nèi)環(huán)溫32℃和16℃，分別為173天和192天，可見天數(shù)占比基本相當(dāng)，但室內(nèi)環(huán)溫32℃時對應(yīng)的冷凝溫度高，壓縮機(jī)功率大，對全年耗電量的影響也最為顯著。

冰箱24小時日耗電量計算時，對冰箱運(yùn)行狀態(tài)的要求：（1）冰箱啟停周期穩(wěn)定且具重復(fù)性；（2）冷藏室、冷凍室的平均溫度達(dá)到國標(biāo)要求的設(shè)定值；（3）箱溫的波動幅度在允許范圍內(nèi)。冰箱的開停周期可重復(fù)，則分析單周期的性能曲線及其特點(diǎn)，即可找出影響日耗電量權(quán)重較大的關(guān)鍵因素。

在啟停單周期內(nèi)，壓縮機(jī)的功率和COP會隨冷凝溫度、蒸發(fā)溫度而變化，而冰箱不同運(yùn)行狀態(tài)的冷凝溫度、蒸發(fā)溫度不同，如圖1所示，給冷藏室供冷比給冷凍室供冷時的蒸發(fā)溫度要高，制冷劑流量較大，功率也較大，且功率的差別明顯。冰箱不同運(yùn)行狀態(tài)時，功率存在差別。現(xiàn)給出一個思路，可從冰箱不同運(yùn)行狀態(tài)對耗電量的影響權(quán)重出發(fā)，倒推出對壓縮機(jī)性能的要求，從冰箱系統(tǒng)角度提出對壓縮機(jī)單體的參數(shù)要求，促進(jìn)冰箱和壓縮機(jī)單體的一體化研發(fā)，是降低冰箱能耗的有效途徑。

影響壓縮機(jī)性能的參數(shù)主要是冷凝溫度、蒸發(fā)溫度和轉(zhuǎn)速。如圖2所示，當(dāng)轉(zhuǎn)速一定時，壓縮機(jī)的COP與冷凝溫度、蒸發(fā)溫度的關(guān)系是非線性關(guān)系。同時，如圖3所示，當(dāng)冷凝溫度和蒸發(fā)溫度一定時，制冷量和功率隨轉(zhuǎn)速呈現(xiàn)近似線性關(guān)系，但COP卻先快速上升后快速下降，存在最大值，該最大值與壓縮機(jī)電機(jī)效率的最高點(diǎn)密切相關(guān)?？梢?，壓縮機(jī)電機(jī)效率最高點(diǎn)對應(yīng)冷凝溫度、蒸發(fā)溫度和轉(zhuǎn)速等參數(shù)范圍，對壓縮機(jī)功率起著至關(guān)重要的作用。

綜上所述，風(fēng)冷冰箱壓縮機(jī)與冰箱一體化設(shè)計開發(fā)，是從冰箱啟停性能曲線出發(fā)，確定影響耗電量權(quán)重較大的冰箱運(yùn)行工況及其時間占比，提出對壓縮機(jī)的設(shè)計要求和關(guān)鍵參數(shù)，尤其是確定壓縮機(jī)電機(jī)效率最高點(diǎn)所對應(yīng)的冷凝溫度、蒸發(fā)溫度和轉(zhuǎn)速，進(jìn)而有效降低冰箱的耗電量。當(dāng)然，這種開發(fā)思路，還需驗證冰箱極端工況的可靠性，兼顧性能的高效和極端工況的可靠性。

2 冷凝器/壓縮機(jī)散熱串接和氣流組織

2.1 風(fēng)冷冷凝器型式和冷卻空氣偏流現(xiàn)象

大容量冰箱多使用風(fēng)冷冷凝器，為提高散熱性能和降低耗電量，其型式也更趨多樣和高效。如圖4所示，有絲管鼠籠、圓管繞片、翅片管、微通道等多種型式，其中絲管鼠籠、圓管繞片式技術(shù)成熟，成本低，使用較為普及；微通道冷凝器成本高，但因其換熱效率高、單熱流密度大、體積小等優(yōu)點(diǎn)，使用普及率不斷增大；翅片管換熱器，在空調(diào)器中已普遍使用，但因冰箱空間和布置受限，難以實現(xiàn)翅片管換熱器、風(fēng)機(jī)、氣流組織的良好匹配，在冰箱中使用較少，目前的使用率不高。

冰箱因結(jié)構(gòu)和布置限制，冷凝器冷卻空氣的氣流組織有其復(fù)雜性：（1）冷卻空氣的進(jìn)、出風(fēng)格柵都位于冰箱后背板上，如圖5所示，冷凝器偏置于進(jìn)、出風(fēng)格柵的同一側(cè)，易導(dǎo)致冷卻空氣如圖6所示的偏流現(xiàn)象，即靠近進(jìn)風(fēng)格柵側(cè)的冷卻空氣速度大，而遠(yuǎn)離側(cè)的速度小，降低冷凝器的散熱效率，增大冷凝器面積裕度；（2）冰箱底板會設(shè)置進(jìn)、出風(fēng)口，以改善后冷凝器冷卻空氣的偏流現(xiàn)象，但冷凝器與底板之間還有接水盤，因接水盤遮擋，底板設(shè)置進(jìn)風(fēng)格柵的區(qū)域很受限，改善偏流現(xiàn)象的程度有限；（3）干燥過濾器通常置于壓縮機(jī)艙內(nèi)，因該處的溫度較高，應(yīng)盡量避免干燥過濾器被加熱，減小過冷度；（4）風(fēng)機(jī)四周應(yīng)封閉嚴(yán)實，防止在進(jìn)、出風(fēng)壓差的驅(qū)動下而產(chǎn)生空氣倒流或短路現(xiàn)象。

圖1 冷藏和冷凍雙蒸發(fā)器冰箱的運(yùn)行曲線

圖2 某變頻壓縮機(jī)性能隨冷凝溫度和蒸發(fā)溫度的變化

2.2 冷凝器冷卻空氣偏流改善

冰箱冷凝器的冷卻空氣偏流，因結(jié)構(gòu)限制很難消除，但可以采取措施改善[1]。如圖7所示，對于絲管鼠籠式冷凝器，偏流原因及改善如下：（1）絲管鼠籠式冷凝器與后背板之間無遮擋，是自由流動通道，阻力小，氣流易從此處經(jīng)過而不通過冷凝器，則在靠近風(fēng)機(jī)端增設(shè)外擋圈，使氣流只能途經(jīng)冷凝器才能進(jìn)入風(fēng)機(jī)，可增大冷凝器的有效空氣流量；（2）絲管鼠籠式冷凝器的芯部中空，阻力很小，該處的氣流也不能有效冷卻冷凝器，可在芯部遠(yuǎn)離風(fēng)機(jī)端設(shè)置芯部堵塊，阻擋不經(jīng)冷凝器絲管就到達(dá)芯部的氣流；（3）因冷凝器遠(yuǎn)離后背板進(jìn)風(fēng)格柵部分的風(fēng)速小，可加強(qiáng)該側(cè)底板的進(jìn)風(fēng)格柵面積，使冷凝器兩側(cè)的進(jìn)風(fēng)更趨均勻。

圖3 某變頻壓縮機(jī)性能隨轉(zhuǎn)速的變化（T0=-23.3℃，TK=54.4℃）

圖4 風(fēng)冷冷凝器的幾種型式

2.3 冷凝器/壓縮機(jī)的串接散熱

壓縮機(jī)殼體散熱降溫，有利于提高效率，降低功率。冰箱多采用活塞式壓縮機(jī)，是吸氣冷卻電機(jī)，提高了吸氣過熱度，減小吸氣密度和流量。為提高壓縮機(jī)COP，趨向于部分吸氣直接進(jìn)入壓縮機(jī)而不再冷卻電機(jī)，而壓縮機(jī)殼體的自然對流冷卻可能并不充分，尤其是變頻壓縮機(jī)高頻運(yùn)行發(fā)熱量較大時。風(fēng)機(jī)出口風(fēng)速較大，直吹壓縮機(jī)殼體，有利于充分冷卻壓縮機(jī)，降低壓縮機(jī)的功率。

冰箱冷凝器和壓縮機(jī)之間是串接散熱，即冷卻空氣流經(jīng)的先后次序不同。如圖5、圖6所示，冷卻空氣從后背板格柵進(jìn)入，先帶走冷凝器的熱量，經(jīng)風(fēng)機(jī)再吹向壓縮機(jī)，冷卻壓縮機(jī)殼體，即先冷卻冷凝器，再冷卻壓縮機(jī)，二者有先后次序，是串接散熱。

2.4 風(fēng)冷冷凝器的嵌裝散熱

近幾年裝修市場把冰箱嵌入櫥柜內(nèi)以節(jié)省空間，冰箱與櫥柜的間隙比較小，對側(cè)面內(nèi)藏式、底置風(fēng)冷冷凝器、壓縮機(jī)的散熱都帶來了巨大的挑戰(zhàn)；同時，冰箱自由或嵌入式安裝的不確定性，也需要考慮兩種安裝方式的兼顧。

嵌裝后，冷凝器和壓縮機(jī)的冷卻空氣進(jìn)、出風(fēng)路徑和風(fēng)機(jī)流量都會受到影響[2-4]。非嵌裝的冰箱，內(nèi)藏式冷凝器位于冰箱側(cè)面板中，冰箱側(cè)面需要與墻壁至少保持100mm以上的間隙，才能保證其正常的通風(fēng)和散熱；若采用風(fēng)冷冷凝器，常置于底部，進(jìn)、出風(fēng)格柵位于后背板上，如圖5、圖6所示，此時冰箱后背板也需離墻100mm以上，利于通風(fēng)和散熱。但嵌裝后，櫥柜和冰箱側(cè)面、背面的間隙都很小，很難滿足側(cè)面、背面保持100mm間隙的通風(fēng)和散熱要求，這是冰箱嵌裝后需要解決的主要問題。

影響嵌裝后冷凝器和壓縮機(jī)散熱的一個主要因素，是調(diào)整冷卻空氣進(jìn)、出風(fēng)格柵的位置。冷卻空氣的進(jìn)、出口布置，是最先需要解決的問題，因冰箱背板、側(cè)板與櫥柜的間隙會很小，后背板布置進(jìn)、出風(fēng)格柵不再適宜，必須進(jìn)行調(diào)整和改造。在嵌裝后，冰箱的側(cè)板、背板與櫥柜的間隙小，但其頂板、底板間隙的調(diào)整自由度會稍微靈活一點(diǎn)。因此，在冰箱底板或頂板布置進(jìn)、出風(fēng)格柵是一個選項，冷卻空氣可以從正面流入，從底板或頂板與櫥柜的間隙進(jìn)入、流出，同時為防止進(jìn)、出空氣之間的短路和竄熱，還需要采取措施將進(jìn)、出風(fēng)分隔開。如圖8所示，是底板布置進(jìn)、出風(fēng)格柵后冷卻空氣的溫度場圖，其中壓縮機(jī)頂部的氣流較少，會弱化散熱。冰箱底板間隙，冰箱廠家還可以通過調(diào)整滾輪進(jìn)行調(diào)控；頂板間隙，可以作為熱空氣排放通道。

影響嵌裝后冷凝器和壓縮機(jī)散熱的另一個主要因素，是嵌裝后冷卻空氣的流量要足夠。嵌裝后，因空氣流動路徑更加曲折，增大了風(fēng)阻，減小了風(fēng)機(jī)流量，對冷凝器和壓縮機(jī)的串接散熱帶來挑戰(zhàn)，此時需要仔細(xì)核算風(fēng)阻，優(yōu)化風(fēng)機(jī)性能，改善風(fēng)機(jī)流量隨阻力衰減性能。

3 結(jié)論

（1）根據(jù)冰箱運(yùn)行工況及其時間占比，確定對能耗影響較大工況的冷凝溫度、蒸發(fā)溫度和轉(zhuǎn)速范圍，優(yōu)化電機(jī)高效率運(yùn)行點(diǎn)，實現(xiàn)冰箱與壓縮機(jī)一體化設(shè)計。

（2）風(fēng)冷冷凝器的不同型式，風(fēng)道和風(fēng)機(jī)布置方式不同，但都不同程度存在冷卻空氣偏流現(xiàn)象，這是制約冷凝器散熱性能提高的關(guān)鍵因素，改善冷卻空氣偏流的措施，需結(jié)合冷凝器型式布局特點(diǎn)。

（3）冷凝器和壓縮機(jī)都需要散熱，冷卻空氣先流經(jīng)冷凝器后經(jīng)壓縮機(jī)，二者屬于串接散熱。壓縮機(jī)冷卻充分，有利于提高壓縮機(jī)單體的能效。

（4）冰箱嵌裝入櫥柜，給冷凝器和壓縮機(jī)散熱帶來了巨大挑戰(zhàn)，首先需要解決嵌裝下的進(jìn)、出風(fēng)格柵位置優(yōu)化，其次還需要考慮嵌裝下風(fēng)機(jī)流量衰減問題。

圖6 風(fēng)冷冷凝器的冷卻空氣偏流圖

圖7 絲管鼠籠式冷凝器的冷卻氣流組織改善

圖8 冰箱嵌裝底部進(jìn)/出風(fēng)布置時冷凝器和壓縮機(jī)艙溫度場