冰箱風(fēng)道節(jié)能技術(shù)研究

李偉 梁龍旭 李同琴

美的集團(tuán)冰箱事業(yè)部 安徽合肥 230601

0 引言

隨著冰箱歐洲能耗標(biāo)準(zhǔn)的升級(jí)，新歐標(biāo)對(duì)能耗的要求越來越高。目前，我國現(xiàn)階段實(shí)行的能耗標(biāo)準(zhǔn)GB 12021有部分內(nèi)容是參照歐標(biāo)編制實(shí)施，考慮到標(biāo)準(zhǔn)升級(jí)的頻次，可以預(yù)估幾年內(nèi)GB 12021將完成標(biāo)準(zhǔn)升級(jí)并實(shí)施，屆時(shí)，對(duì)于冰箱的能耗等級(jí)要求也將進(jìn)一步提升，這是各冰箱廠家將節(jié)能作為今后幾年一個(gè)重要投入研發(fā)點(diǎn)的原因。同時(shí)，隨著我國要在2060年達(dá)到碳中和的目標(biāo)[1]，冰箱節(jié)能可以進(jìn)一步減小家庭用電量，從而反饋到上游，因不可再生能源發(fā)電帶來的碳排放也將減小，既符合政策導(dǎo)向，也可以為用戶帶來實(shí)際利益。

冰箱的能耗優(yōu)化從大的方面可以分為四個(gè)方面[2]：減小熱負(fù)荷、提升制冷效率、降低部件運(yùn)行功耗和控制策略優(yōu)化。減小熱負(fù)荷可以通過增加保溫泡層厚度，使用更低導(dǎo)熱系數(shù)的保溫/門封材質(zhì)，減小門/箱間隙等實(shí)現(xiàn)；提升制冷效率可以通過壓縮機(jī)COP提升，蒸發(fā)/冷凝器換熱效率提升，節(jié)流/回?zé)醿?yōu)化，送風(fēng)效率提升等實(shí)現(xiàn)；降低部件運(yùn)行功耗可以通過減小各硬件開機(jī)階段（壓縮機(jī)/風(fēng)機(jī)/主控板/變頻板/加熱絲等）運(yùn)行功耗和停機(jī)階段（主控板/變頻板/顯示板）待機(jī)功耗實(shí)現(xiàn)；控制策略優(yōu)化方面各廠家采用的方案有所區(qū)別，常用如保壓閥的應(yīng)用、風(fēng)機(jī)延遲啟停、化霜控制優(yōu)化等。綜合上述能耗優(yōu)化的途徑不難看出，冰箱的能耗優(yōu)化要達(dá)到新歐標(biāo)A級(jí)是一個(gè)系統(tǒng)的工程，現(xiàn)階段需要材料、部件、電裝、控制、性能等各個(gè)模塊分工同時(shí)進(jìn)行優(yōu)化，絕對(duì)不是僅由單一模塊就能實(shí)現(xiàn)的。同時(shí)，在進(jìn)行上述的能耗優(yōu)化措施時(shí)還需要考慮措施采用帶來的其他風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，比如，增加保溫或使用更低導(dǎo)熱材質(zhì)（如VIP）雖然可以降低冰箱箱體的熱負(fù)荷，但保溫厚度的增加和大量VIP的使用也會(huì)大幅增加箱體的重量、壓縮冰箱的使用容積；而采用更小的門/箱間隙減小漏熱的方式，在長時(shí)間使用后，出現(xiàn)開關(guān)門干涉的風(fēng)險(xiǎn)也比正常間隙要高。因此，在進(jìn)行能耗優(yōu)化的同時(shí)還需注意避免帶來新的隱患。

而單獨(dú)對(duì)于冰箱風(fēng)道而言，其作為連接蒸發(fā)器和各間室、輸送冷量的部件與能耗的關(guān)系息息相關(guān)，所以，對(duì)于從風(fēng)道入手進(jìn)行的節(jié)能研究一直不曾停歇。李玉穩(wěn)等人[3]通過采用Ansys-CFD對(duì)冰箱風(fēng)道和冷藏室進(jìn)行三維內(nèi)流場(chǎng)數(shù)值模擬及實(shí)驗(yàn)，通過改變風(fēng)道形狀、風(fēng)口布局、出風(fēng)方式等參數(shù)對(duì)風(fēng)道結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：風(fēng)道結(jié)構(gòu)優(yōu)化后冷藏室的溫差降低，冷凍室的風(fēng)量占比增加，整機(jī)能耗降低。李智強(qiáng)[4]通過將大間室分隔為小間室，每個(gè)小間室采用單獨(dú)送風(fēng)、間室的前端設(shè)置風(fēng)幕、間室內(nèi)采用環(huán)繞型流場(chǎng)，以及在箱體下部分布多層回風(fēng)口將回風(fēng)熱量分散這四種方式改善箱內(nèi)的溫度，將箱室內(nèi)的最大溫差由12.1℃降低到1.9℃，對(duì)整機(jī)能耗有所改善。王瑤等人[5]通過采用CFD對(duì)上凍下藏冰箱風(fēng)路系統(tǒng)進(jìn)行仿真優(yōu)化，解決進(jìn)回風(fēng)短路問題，間室控溫一致性明顯提升，同時(shí)因間室換熱效率提升降低了冰箱能耗，提升了冰箱性能。從現(xiàn)有風(fēng)道相關(guān)的研究可以看出，研究更多的是集中在減小風(fēng)阻，提高風(fēng)量或改善間室的均勻性從而優(yōu)化能耗。但考慮到風(fēng)道是裝配在箱體內(nèi)，約束送風(fēng)、提供冷量，對(duì)于風(fēng)道送風(fēng)和冷量之間的關(guān)系，以及風(fēng)道送風(fēng)路徑和循環(huán)方式的不同引起的能耗變化還未有人進(jìn)行研究，故本文選取某司一款380 L的兩門單系統(tǒng)風(fēng)冷冰箱，從冷凍風(fēng)道角度入手，通過采用減小送風(fēng)的冷量外泄、提高送風(fēng)冷卻效率的思路設(shè)計(jì)方案，調(diào)整送風(fēng)路徑，將原有冷凍外循環(huán)的送風(fēng)制冷方式改為內(nèi)循環(huán)，進(jìn)行能耗優(yōu)化。

1 研究思路分析

1.1 原機(jī)現(xiàn)狀

本文所選機(jī)型及冷凍各部件配合結(jié)構(gòu)如圖1所示，其冷凍室為3層抽屜結(jié)構(gòu)，風(fēng)道位于抽屜后端，抽屜兩側(cè)為箱膽，門體位于抽屜前端，抽屜和箱膽/門膽的配合尺寸及風(fēng)口參數(shù)如表1所示。

圖1 原機(jī)外觀（風(fēng)道及抽屜結(jié)構(gòu)尺寸示意）

表1 原機(jī)冷凍室配合尺寸及風(fēng)口參數(shù)

1.2 更改方案分析

考慮到風(fēng)道的主要作用是在約束風(fēng)路走向的同時(shí)構(gòu)建循環(huán)，所以先對(duì)原機(jī)的流場(chǎng)進(jìn)行仿真，如圖2所示，通過流場(chǎng)仿真可以看出，現(xiàn)有冷凍室流場(chǎng)循環(huán)的方式：首先，經(jīng)過蒸發(fā)器換熱的風(fēng)由風(fēng)機(jī)吹到冷凍風(fēng)道的風(fēng)腔夾層，然后再經(jīng)由風(fēng)道三層的出風(fēng)口分配后送到對(duì)應(yīng)的每層抽屜中，送風(fēng)和抽屜內(nèi)換熱后再通過抽屜前部上邊沿流出，途經(jīng)抽屜和門體之間的間隙，匯總到最下層抽屜和底部箱膽之間的間隙，最后回到冷凍風(fēng)道的回風(fēng)口完成整個(gè)制冷循環(huán)。

圖2 原機(jī)冷凍室流場(chǎng)仿真

進(jìn)一步分析可知，在整個(gè)風(fēng)路循環(huán)中，有約60%的冷凍送風(fēng)在抽屜換熱后，會(huì)通過門體和抽屜前邊之間的間隙，匯總到最下層抽屜和底部箱膽之間再返回回風(fēng)口；而抽屜和門膽之間的這一段路徑，距離門體和箱體密封的門封比較近，雖然門封內(nèi)有磁條吸合加強(qiáng)密封，但由于門體和箱體是物理接觸密封，不可避免會(huì)存在一定程度的滲透漏熱；加上大部分的送風(fēng)又靠近抽屜和門膽之間的這一區(qū)域，靠近門封，所以送風(fēng)在此處進(jìn)一步加劇了冷凍室通過門封向外的冷量外泄；經(jīng)測(cè)試，從門封處的漏熱約占整個(gè)冰箱熱負(fù)荷的15%～30%，反過來，可以理解為，在冰箱制冷的時(shí)候，有約15%以上的制冷量被消耗在此處；進(jìn)一步進(jìn)行溫度場(chǎng)仿真（如圖3所示）也可以明顯看出，由于較大的風(fēng)量流經(jīng)此處，門封和門體內(nèi)表面的溫度明顯較低，有一定的凝露風(fēng)險(xiǎn)。

圖3 原機(jī)冷凍室溫度場(chǎng)仿真

基于上述分析結(jié)果，本文對(duì)此改進(jìn)的基本思路是：改變風(fēng)路流經(jīng)路徑。當(dāng)冷凍送風(fēng)在抽屜內(nèi)換熱后，盡可能減少流經(jīng)抽屜前部和門膽之間間隙的風(fēng)量，將這部分減少的風(fēng)量路徑更改為：在冷凍送風(fēng)于抽屜內(nèi)換熱后，直接由抽屜后端新開的回風(fēng)口流出，從抽屜后端向下直接回到冷凍的風(fēng)道的回風(fēng)口。改變后的路徑，在流程長度上相比原來從抽屜上下間隙流出，到門膽和抽屜間隙，再到抽屜底部這一段回風(fēng)路徑減短，因此風(fēng)阻減??；同時(shí)送風(fēng)流程路徑的更改避免了大部分的冷凍送風(fēng)到達(dá)抽屜和門體之間的間隙，從而減小冷量從門封處向外泄露；但考慮到改變風(fēng)道結(jié)構(gòu)和循環(huán)路徑后也會(huì)帶來其他影響，特別是采用后端循環(huán)后，因?yàn)樗惋L(fēng)口和出風(fēng)口接近，可能會(huì)有送風(fēng)短路的情況，或?qū)е鲁閷锨岸孙L(fēng)量減少，這對(duì)于間室溫度的均勻性和儲(chǔ)溫測(cè)試中對(duì)抽屜前端的負(fù)載包降溫會(huì)有影響，這些也需要在后續(xù)的更改中進(jìn)一步進(jìn)行驗(yàn)證?；诖耍疚牟捎玫木唧w研究方式是：先按照上述思路進(jìn)行結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)，然后借助工具再進(jìn)行流場(chǎng)/溫度場(chǎng)仿真并進(jìn)行優(yōu)化，最后通過整機(jī)能耗測(cè)試的方法，確定最終方案的改善效果。

2 方案對(duì)比

2.1 方案設(shè)計(jì)

本文的方案在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)主要分為兩方面：一是減小風(fēng)從抽屜前部的間隙流出，此部分的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要更改了三點(diǎn)：a.調(diào)整冷凍風(fēng)道的出風(fēng)角度，讓更多的風(fēng)向下進(jìn)入到抽屜內(nèi)；b.增加各出風(fēng)口面積，減小出風(fēng)角度造成的風(fēng)量衰減；c.加高抽屜前端高度，減小抽屜前端上下的間隙，減少風(fēng)從抽屜間隙溢出。二是構(gòu)筑進(jìn)入抽屜內(nèi)送風(fēng)的回風(fēng)路徑，此部分的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案主要更改了兩點(diǎn)：a.在冷凍抽屜后端開設(shè)新的回風(fēng)口，讓進(jìn)入抽屜的送風(fēng)可以從抽屜后端流出；b.更改冷凍風(fēng)道兩側(cè)變窄，構(gòu)筑從抽屜后端回風(fēng)口出風(fēng)的回風(fēng)風(fēng)道。

方案設(shè)計(jì)時(shí)，考慮到抽屜后端新開的回風(fēng)口具體位置和尺寸暫不確定，因此設(shè)計(jì)時(shí)在每層抽屜的上端和下端分別預(yù)留了回風(fēng)口，標(biāo)記為方案一（抽屜后端上端開孔）和方案二（抽屜后端下端開孔）。方案一設(shè)計(jì)是考慮到和現(xiàn)有常規(guī)風(fēng)路循環(huán)方式相似，進(jìn)入抽屜的風(fēng)在抽屜內(nèi)換熱后從靠近抽屜上部的邊沿處溢出，但由于送回風(fēng)口距離較近，可能存在短路風(fēng)險(xiǎn)；方案二設(shè)計(jì)是基于方案一送回風(fēng)口較近的優(yōu)化，同時(shí)考慮到進(jìn)入抽屜的風(fēng)循環(huán)路徑短，可以進(jìn)一步降低送風(fēng)阻力；但兩個(gè)方案的實(shí)際效果還需在后續(xù)的仿真和實(shí)驗(yàn)中再進(jìn)行確定。預(yù)留的上下兩個(gè)風(fēng)口面積相同，均是相比原有抽屜前端間隙，封堵后減小面積的1.2倍；而新構(gòu)筑的回風(fēng)風(fēng)道是設(shè)置在后端冷凍風(fēng)道的左右兩側(cè)，通過更改原風(fēng)道蓋板的左右兩側(cè)變窄、向后進(jìn)行凹陷，形成兩條通道，用作承接從抽屜后端流出的回風(fēng)；進(jìn)一步與此相對(duì)應(yīng)，在冷凍風(fēng)道底部回風(fēng)口的兩側(cè)新開回風(fēng)口，接收從兩側(cè)回風(fēng)通道向下的回風(fēng)，從而形成新的回風(fēng)路徑。本文風(fēng)道和抽屜結(jié)構(gòu)更改方案如圖4所示，方案更改的冷凍室部件配合尺寸及風(fēng)口參數(shù)如表2所示。

圖4 本文風(fēng)道和抽屜結(jié)構(gòu)更改方案

表2 本文方案更改的冷凍室部件配合尺寸及風(fēng)口參數(shù)

2.2 仿真分析

本文的仿真主要是對(duì)上述更改冷凍室方案的流場(chǎng)和溫度場(chǎng)進(jìn)行仿真，結(jié)合原機(jī)仿真結(jié)果，對(duì)各個(gè)風(fēng)路的流場(chǎng)、風(fēng)量及各部位溫度進(jìn)行了對(duì)比。

流場(chǎng)和溫度場(chǎng)仿真是在給定相同的冷凍風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速條件下進(jìn)行，仿真結(jié)果如圖5所示，給定的仿真計(jì)算條件如下：

圖5 更改方案流場(chǎng)和溫度場(chǎng)仿真結(jié)果

a.仿真時(shí)冷藏風(fēng)門關(guān)閉，冷凍風(fēng)機(jī)以固定轉(zhuǎn)速1600 r/min運(yùn)行；

b.箱體外部環(huán)境溫度設(shè)置為32℃，對(duì)流傳熱系數(shù)8 W/(m2·k)，箱內(nèi)蒸發(fā)器采用固定冷源155 W，對(duì)流傳熱系數(shù)20 W/(m2·k)；

c.箱體保溫材質(zhì)換熱系數(shù)選取0.0187 W/(m2·k)，門封換熱系數(shù)選取0.04 W/(m2·k)，其余參數(shù)采用默認(rèn)設(shè)置。

進(jìn)一步對(duì)原機(jī)和更改方案的流場(chǎng)和溫度場(chǎng)主要數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如表3所示。

表3 原機(jī)和更改方案流場(chǎng)/溫度場(chǎng)仿真數(shù)據(jù)

從流場(chǎng)仿真的數(shù)據(jù)對(duì)比可知，更改后兩種方案的總風(fēng)量相比原機(jī)分別增加3.87%和2.32%，說明更改后的方案一和方案二風(fēng)路循環(huán)的系統(tǒng)阻力有所降低，從而送風(fēng)量增加，進(jìn)一步也可以從每層抽屜的進(jìn)風(fēng)量上得到反映。同時(shí)，對(duì)比每層抽屜的出風(fēng)量可以看出，相比原機(jī)，更改后抽屜前端的出風(fēng)明顯減小，方案一上、中、下層抽屜前端的出風(fēng)量減小51%、34%、51%，方案二減少58%、45%、62%，有效地減小了抽屜前端和門膽之前的循環(huán)風(fēng)量，減小了抽屜前端漏冷。另外，對(duì)比每層抽屜后端的出風(fēng)量可以看出，相比原機(jī)，更改方案抽屜后端開孔的出風(fēng)量明顯增多，側(cè)面也說明抽屜前端減小的風(fēng)量是有到達(dá)抽屜后端，結(jié)合圖5兩個(gè)方案的流場(chǎng)仿真也可以看出。綜合上述流場(chǎng)的數(shù)據(jù)，這也說明更改原機(jī)的風(fēng)路流徑實(shí)現(xiàn)了預(yù)期，將送風(fēng)從外循環(huán)的方式更改為內(nèi)循環(huán)。

而參考溫度場(chǎng)仿真數(shù)據(jù)，對(duì)比門封內(nèi)表面和門體內(nèi)表面的溫度可以看出，方案一門封內(nèi)表面的溫度相比原機(jī)上、中、下部位分別提高了2.19℃、1.91℃、1.84℃，方案二分別提高2.51℃、0.81℃、1.4℃；方案一門體內(nèi)表面的溫度相比原機(jī)上、中、下部位分別提高了2.18℃、2.18℃、1.77℃，方案二分別提高2.5℃、0.98℃、1.32℃，足以說明兩種方案在風(fēng)路更改后，由于更多的送風(fēng)不再流經(jīng)抽屜前端和門之間的間隙，送風(fēng)冷量向門封和門體滲透明顯減小，漏冷明顯減少，此點(diǎn)對(duì)能耗有利。

此外，結(jié)合流場(chǎng)和溫度場(chǎng)的分布情況，兩個(gè)更改方案抽屜內(nèi)溫度的均勻程度相比原機(jī)也有一定改觀，此方面可以在后續(xù)的整機(jī)實(shí)驗(yàn)中再進(jìn)行驗(yàn)證。

2.3 整機(jī)測(cè)試

經(jīng)過如上仿真，繼續(xù)對(duì)原機(jī)和兩種抽屜開孔方案分別進(jìn)行整機(jī)能耗測(cè)試，實(shí)際對(duì)比這兩種更改方案的效果。更改方案風(fēng)道和抽屜手板如圖6所示。

圖6 更改方案風(fēng)道及抽屜手板（白色為原機(jī)，黃色為更改方案）

整機(jī)測(cè)試時(shí)，為了參照，先對(duì)原機(jī)方案進(jìn)行測(cè)試，然后在原機(jī)基礎(chǔ)上更換風(fēng)道和兩種抽屜方案進(jìn)行驗(yàn)證，以排除不同樣機(jī)引起的測(cè)試誤差。整機(jī)測(cè)試是在標(biāo)準(zhǔn)焓差實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，所用設(shè)備的量程和精度符合GB/T 8059-2016標(biāo)準(zhǔn)要求。三個(gè)方案的整機(jī)測(cè)試如圖7所示，測(cè)試條件及結(jié)果如表4所示。

表4 原機(jī)及更改方案整機(jī)能耗測(cè)試

圖7 整機(jī)測(cè)試（風(fēng)道及抽屜更改方案裝機(jī)對(duì)比）

經(jīng)整機(jī)能耗測(cè)試，對(duì)比原機(jī)和風(fēng)路循環(huán)更改后兩個(gè)方案，可以看出：經(jīng)過插值，在相近溫度4/-18℃時(shí)，方案一和方案二相比原機(jī)分別降低1.27%、3.38%，說明風(fēng)路循環(huán)的更改有效降低了冰箱的漏冷情況，和分析的能耗改善方式較為符合。

表5 原機(jī)及更改方案整機(jī)儲(chǔ)溫測(cè)試

經(jīng)整機(jī)儲(chǔ)溫測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表5所示，對(duì)比原機(jī)和風(fēng)路循環(huán)更改后兩個(gè)方案，可以看出：風(fēng)道結(jié)構(gòu)和循環(huán)路徑改變采用后端循環(huán)后，并沒有出現(xiàn)因?yàn)樗惋L(fēng)口和出風(fēng)口接近，可能會(huì)有送風(fēng)短路導(dǎo)致抽屜前端風(fēng)量減少，對(duì)抽屜前端的負(fù)載包降溫會(huì)有影響的情況；同時(shí)，對(duì)比化霜后的溫升，更改的兩個(gè)方案相比原機(jī)更小，也從側(cè)面反映出更改后內(nèi)循環(huán)的方式讓冷量更多的集中在抽屜內(nèi)。

此外，進(jìn)一步對(duì)比能耗測(cè)試中單一檔位下冷凍室5個(gè)點(diǎn)的溫度，可以看出：原機(jī)5個(gè)冷凍點(diǎn)的最大溫差分別為0.9/0.9℃，方案一最大溫差0.2/0.6℃，方案二的最大溫差為0.4/0.4℃；對(duì)比儲(chǔ)溫測(cè)試中相同階段冷凍5個(gè)點(diǎn)的溫度，可以看出：原機(jī)5個(gè)冷凍點(diǎn)的最大溫差分別為0.9/0.8℃，方案一最大溫差0.6/0.7℃，方案二的最大溫差為0.2/0.3℃；更改方案的最大溫差均比原機(jī)有一定改善，這與之前的流場(chǎng)和溫度場(chǎng)仿真的結(jié)果較為接近，說明本方案的風(fēng)路循環(huán)更改并沒有造成間室內(nèi)溫度均勻性的惡化。

3 結(jié)論

經(jīng)過如上對(duì)比驗(yàn)證，通過對(duì)冷凍室風(fēng)道參數(shù)：風(fēng)口、抽屜間隙和風(fēng)路循環(huán)路徑的調(diào)整，將冷凍室外循環(huán)改為內(nèi)循環(huán)的方式對(duì)于冰箱的能耗優(yōu)化有效果，實(shí)際測(cè)試后能耗降低1.27%、3.38%，且間室的溫差更小，對(duì)溫度均勻性有所改善，證明本方案更改的可行性。

此外，本方案的風(fēng)道更改相比原機(jī)兩側(cè)變窄，在一定程度上也增加了間室容積，而成本并無明顯增加。另外，在本文的驗(yàn)證中，因考慮到抽屜的實(shí)際裝配，對(duì)于抽屜正面間隙的更改未完全密封，還留有5 mm的安裝間隙，而在后續(xù)，如為了追求更好的能耗優(yōu)化效果，可在抽屜前端四周安裝軟性膠條類材質(zhì)，進(jìn)一步減小抽屜正面的間隙，在抽屜安裝不被影響的前提下，追求此種方案能耗優(yōu)化的最大效果。