風(fēng)冷冰箱風(fēng)機(jī)變頻最佳耦合技術(shù)研究

陳開松 劉全義 馬長(zhǎng)州

（長(zhǎng)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(shí)的整機(jī)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(duì)開四門、對(duì)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(huì)隨之增加，整機(jī)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(jī)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(jì)，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(duì)冰箱整機(jī)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(duì)大容積風(fēng)冷冰箱整機(jī)能耗要求越來越嚴(yán)格，節(jié)能設(shè)計(jì)逐步成為各冰箱廠家重點(diǎn)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(jī)的性價(jià)比以及市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，需要尋求性價(jià)比最優(yōu)的技術(shù)方案，故超高性價(jià)比的冰箱節(jié)能技術(shù)研究是一項(xiàng)任重道遠(yuǎn)的持續(xù)工作。

1 具體方案

以一款十字對(duì)開門風(fēng)冷冰箱為研究載體，具備四款風(fēng)機(jī)與一款變頻壓縮機(jī)，外置冷凝器等，通過四款風(fēng)機(jī)不同檔位的匹配設(shè)計(jì)[1]，確保整機(jī)穩(wěn)態(tài)能耗最佳，輸出最佳風(fēng)機(jī)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(duì)開門風(fēng)冷冰箱，具體設(shè)計(jì)方案如下：

1）冰箱結(jié)構(gòu)：

該款冰箱載體由四個(gè)門組成，左右對(duì)稱設(shè)計(jì)，見圖1，上面兩個(gè)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(jì)需求，采用三循環(huán)制冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)，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(jì)，每一個(gè)制冷間室均具有可以單獨(dú)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(shí)現(xiàn)三循環(huán)制冷系統(tǒng)串并聯(lián)的設(shè)計(jì)要求。

3）風(fēng)道系統(tǒng)設(shè)計(jì)：

風(fēng)冷冰箱最大的特色就是每一個(gè)間室都具有滿足送風(fēng)設(shè)計(jì)要求的制冷風(fēng)道。該款十字對(duì)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(dú)立的制冷風(fēng)道，確保滿足各自送達(dá)的設(shè)計(jì)要求。

4）風(fēng)機(jī)選型設(shè)計(jì)：

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

通常條件下，冷藏制冷風(fēng)機(jī)為離心制冷風(fēng)機(jī)，見圖3（a），直徑為110 mm左右，檔位為12檔設(shè)計(jì)，額定轉(zhuǎn)速為1 800 RPM。冷凍間室與變溫間室用制冷風(fēng)機(jī)也為離心制冷風(fēng)機(jī)，見圖3（b），直徑為120 mm左右，檔位為12檔設(shè)計(jì)，額定轉(zhuǎn)速為1 800 RPM。冷凝風(fēng)機(jī)為軸流風(fēng)機(jī)，見圖3（c），直徑為150 mm左右，檔位為12檔設(shè)計(jì)，額定轉(zhuǎn)速為1 200 RPM，該種風(fēng)機(jī)置于冰箱壓縮機(jī)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(jì)，確保滿足冷凝器散熱設(shè)計(jì)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(cè)試時(shí)，在32 ℃與16 ℃兩種環(huán)溫下分別進(jìn)行測(cè)試對(duì)比驗(yàn)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(cè)試時(shí)，冰箱后背板與測(cè)試臺(tái)位背板之間的間距為50 mm。

圖1 冰箱整機(jī)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(cè)試下的風(fēng)機(jī)檔位設(shè)置

實(shí)際使用過程中，冷藏風(fēng)機(jī)、變溫風(fēng)機(jī)、冷凍風(fēng)機(jī)以及冷凝風(fēng)機(jī)的檔位均為12檔，不同檔位代表著不同的風(fēng)機(jī)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(jī)為例，不同檔位對(duì)應(yīng)的風(fēng)機(jī)檔位見圖4。

以上風(fēng)機(jī)的不同檔位控制是獨(dú)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(jī)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(jì)可以實(shí)現(xiàn)降能耗的設(shè)計(jì)要求。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 不同風(fēng)機(jī)檔位耦合的能耗結(jié)果

該冰箱載體具有四款風(fēng)機(jī)，其中三款為制冷風(fēng)機(jī)，一款為冷凝風(fēng)機(jī)。冷藏風(fēng)機(jī)與變溫及冷凍風(fēng)機(jī)尺寸不同，相同檔位對(duì)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(jī)、不同檔位的耦合，整機(jī)能耗測(cè)試結(jié)果見圖5、圖6。對(duì)表中的數(shù)據(jù)分析如下：

圖4 冷凍風(fēng)機(jī)不同檔位對(duì)應(yīng)的檔位

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

1）參見圖5，16 ℃環(huán)溫下，因?yàn)榄h(huán)溫偏低，實(shí)際冰箱載體的熱負(fù)荷較低，風(fēng)機(jī)檔位從最大檔位直接同步降低測(cè)試驗(yàn)證，從12檔降至9檔，冰箱整機(jī)能耗同步降低，主要是風(fēng)機(jī)低檔位功耗降低起主導(dǎo)作用引起的。

針對(duì)單冷凝風(fēng)機(jī)而言，隨著冷凝風(fēng)機(jī)檔位的降低，能耗先降低，待檔位6檔時(shí)，整機(jī)穩(wěn)態(tài)能耗最佳，風(fēng)機(jī)檔位再降低時(shí)，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(jī)檔位降低而降低的功耗。

針對(duì)冷藏風(fēng)機(jī)而言，冷藏風(fēng)機(jī)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(jī)實(shí)際運(yùn)行時(shí)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(duì)比測(cè)試結(jié)果來看，5檔性能最優(yōu)。

針對(duì)變溫風(fēng)機(jī)而言，變溫風(fēng)機(jī)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(duì)比測(cè)試結(jié)果來看，5檔性能最優(yōu)。

針對(duì)變冷凍風(fēng)機(jī)而言，冷凍風(fēng)機(jī)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(duì)比測(cè)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(jī)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?yàn)榄h(huán)溫偏低，實(shí)際冰箱載體的熱負(fù)荷較高，風(fēng)機(jī)需要較高檔位運(yùn)行才可以達(dá)到較佳的整機(jī)性能。

從最高檔位到最優(yōu)檔位，整機(jī)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(jī)、變溫風(fēng)機(jī)、冷凍風(fēng)機(jī)與冷凍風(fēng)機(jī)檔位分別為8檔、6檔、6檔與9檔時(shí)，整機(jī)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(duì)比結(jié)果，通過幾款風(fēng)機(jī)不同檔位的耦合，可以實(shí)現(xiàn)兩種環(huán)溫下的最佳能耗驗(yàn)證結(jié)果，達(dá)到節(jié)能的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

同時(shí)，通過控制邏輯的修改，整機(jī)不增本，整機(jī)性價(jià)比更優(yōu)，故變頻風(fēng)冷冰箱針對(duì)不同的冰箱配置尋找出最佳的風(fēng)機(jī)檔位，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的能耗設(shè)計(jì)是節(jié)能的一個(gè)重要方案。

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

2.2 風(fēng)機(jī)耦合設(shè)計(jì)原則

從以上測(cè)試與分析結(jié)果來看，風(fēng)機(jī)不同檔位的耦合設(shè)計(jì)可以降低帶有變頻風(fēng)機(jī)的風(fēng)冷冰箱的整機(jī)能耗，但風(fēng)機(jī)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(shí)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(shí)際使用需求，故提幾點(diǎn)變頻風(fēng)機(jī)耦合設(shè)計(jì)的原則：

1）冰箱用風(fēng)機(jī)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(jī)采用9～10檔為最佳，冷藏風(fēng)機(jī)采用8～9檔位最佳，冷凍與變溫風(fēng)機(jī)采用6～7檔位最佳。16 ℃環(huán)溫下，冷凝風(fēng)機(jī)采用6～7檔為最佳，冷藏風(fēng)機(jī)采用5～6檔位最佳，冷凍與變溫風(fēng)機(jī)采用6～7檔位最佳。

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

3）與對(duì)應(yīng)風(fēng)機(jī)運(yùn)行的風(fēng)道設(shè)計(jì)也是設(shè)計(jì)的一個(gè)重要方面，實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，要充分考慮對(duì)應(yīng)風(fēng)機(jī)用于的對(duì)應(yīng)空間，進(jìn)行高效風(fēng)道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，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(jì)。

3 結(jié)論

依托十字對(duì)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(jī)的不同檔位，實(shí)現(xiàn)冰箱整機(jī)在兩種環(huán)溫下均達(dá)到最佳能耗設(shè)計(jì)要求。同時(shí)，風(fēng)機(jī)控制邏輯設(shè)計(jì)不需要增加成本，綜合而言，風(fēng)冷冰箱風(fēng)機(jī)變頻最佳耦合技術(shù)是一種性價(jià)比左右的設(shè)計(jì)方案，為確保此種方案的可行性，實(shí)際設(shè)計(jì)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(jì)，確保整機(jī)性能更佳。