VIP板用于冰箱熱負荷仿真模型研究及應用

崔培培 魏邦福 尚殿波 馬長州

合肥美菱股份有限公司 安徽合肥 230601

1 引言

冰箱行業，VIP板的使用越來越受到重視。一方面，GB 12021.2-2015標準強制性能效國家標準正式發布，一級能效指數水平由原標準的40%提升至25%，冰箱行業市場準入門檻提高，而聚氨酯發泡材料VIP板是一種更高效的保溫節能材料，可為冰箱節能提供直接的提升效果；另一方面，目前高地價，高房價“新常態”，“新常態”下的冰箱設計需要更高的容積率，VIP板的使用可直接提升冰箱箱體的容積率。行業內面臨著新能效標準實施及產業外圍環境相關政策的變化，給冰箱產品設計要求提出新的挑戰。但如何在冰箱上快速、準確、合理、有效的發揮VIP板的效果，對冰箱設計起著關鍵作用。目前，對絕大多數冰箱企業，對“VIP板+保溫層”的優化技術研究以實驗為主，多數還是依靠經驗進行總結，不具有普遍性。這種靜態的設計方法無法分析與研究設計的合理性與經濟性，對于產品的開發而言，無法提前對產品進行理論分析，不知是否處于最佳優化狀態，尤其設計質量的好壞完全依賴于最后各種試驗的檢驗結果，造成開發產品風險大、成功率低、成本較高，因此，這種設計方法已經不太適應快速變化的冰箱制冷時代。

本文利用傳熱學理論和工程經驗公式對聚氨酯和VIP板兩種保溫材料組成的復合二維傳熱進行分析，通過熱流傳感器測試修正，并制作樣機，進行能耗驗證，建立帶VIP板的冰箱熱負荷傳熱模型。該仿真模型的建立，對提高VIP板在冰箱上生產和應用水平具有一定的指導意義。

2 熱負荷模型建立

2.1 冰箱熱負荷傳熱分析

冰箱熱負荷在冰箱設計中是一個重要參數，它是冰箱制冷系統設計包括蒸發器、冷凝器設計和壓縮機選配的設計參數。熱負荷與冰箱的箱體結構、冰箱的內容積，箱體絕熱層的厚度和絕熱材料的優劣等因素有關。

冰箱的漏熱主要包括：箱體泄漏熱量（Q1）、開門漏熱量（Q2）、貯物熱量（Q3）和其他熱量（Q4）。而箱體泄漏熱量（Q1）包括：箱體隔熱層的漏熱量Qa，通過箱門和門封條的漏熱量Qb，箱體結構形成熱橋的漏熱量Qc。箱體漏熱量Q1是箱體設計中最關鍵的計算部分，其他均按箱體泄漏熱負荷給出余量。

對于冰箱箱體結構部件的漏熱量Qc部分，箱體內外殼體之間支撐方法不同，Qc值也不同，因此同樣也不易通過公式計算。一般可取Qc值為Qa值的3%左右。目前采用聚氨酯發泡成型隔熱結構的箱體，無支撐架形成的冷橋，因此Qc值可不計算，本文傳熱模型亦忽略此部位的漏熱量。

冰箱箱體漏熱量包括通過箱體隔熱層的漏熱量Qa，通過箱門和門封條的漏熱量Qb，和通過箱體結構形成熱橋的漏熱量Qc。即：

理論上，一般冰箱箱體每個面可按一維平壁傳熱：Q=K×S×Δt，其中1/K=d/λ+1/αo+1/αi，如圖1所示。

箱體隔熱層的漏熱量Qa，由于箱體外殼鋼板很薄，而其熱導率λ值很大，所以熱阻很小，可忽略不計。目前冰箱內殼多用ABS或HIPS塑料板真空成形，最薄的四周部位只有1.0mm。塑料熱阻較大，可將其厚度一起計入隔熱層，因此箱體的傳熱可視為單層平壁的傳熱過程。即：

Qa=KA（T1-T2）

式中：A-箱體外表面，單位為m2；

K-傳熱系數 (單位為W／(m2?K)) 表面傳熱系數，單位為W／(m2?K)；

圖1 一維平壁傳熱過程示意圖

圖2 帶VIP板的保溫層傳熱圖

式中：

αi——內箱壁表面對箱為箱內表面的空氣表面表面傳熱系數；

αo——箱外空氣對箱體外表面的內空氣的表面傳熱系數，單位為W／(m2?K)；

δ——聚氨酯發泡層厚度，單位為m；

λ——聚氨酯發泡層導熱系數，單位為W／(m?K)。

2.2 帶VIP冰箱面傳熱模型分析

對于VIP板在冰箱中的使用，主要貼合至冰箱外殼內部，經聚氨酯發泡形成“VIP+聚氨酯”兩種保溫材料的復合二維平壁。增加VIP板的面積，在冰箱正常穩定制冷狀態下，一方面其冰箱保溫層厚度與冰箱尺寸比例大于1；另一方面聚氨酯和VIP板兩種材料導熱系數差別較大，故可將兩種保溫材料的復合平壁傳熱模型看成復合平壁的二維穩態傳熱，如圖2。

2.2.1 二維穩態傳熱模型修正

VIP板的有效導熱系數，與發泡層導熱系數差距較大，二者疊加后存在二維傳熱變化及接觸傳熱，總熱阻的計算與實際情況有偏差，需將計算結果乘以由實驗確定的修正系數，借助工程經驗進行修正，如表1，VIP板導熱系數/聚氨酯導熱系數比約為0.1，即λ2/λ1=0.1，故修正系數φ=0.86。

2.2.2 VIP有效導熱系數修正模型

聚氨酯發泡材料相比VIP板其結構單一質地均勻，屬于各向同性材料。而VIP板則完全不同，它是一個結構性的復合體，主要由三部分組成，包括外部的薄膜阻隔袋、內部的芯材和吸氣劑，結構相對復雜，屬于各向異性材料。VIP板的熱橋效應和綜合導熱系數不同于常規的絕熱材料，因其結構性整體上為非勻質材料，其表面隔膜的熱導率很大，與內部芯材的熱導率相比，一般可相差兩個數量級甚至更大，因此部分熱量會經過封口邊緣經阻隔袋直接由熱端傳向冷端，在VIP封口邊緣形成熱橋，造成熱量流失，VIP板的邊角位置的導熱系數明顯大于其中心導熱系數，熱橋效應明顯。邊界的導熱系數遠大于隔熱板的導熱系數。這在冰箱的實際應用中我們應該給予考慮。國內外對熱橋效應的研究亦較多，本文參考溫永剛等[3]建立的熱橋效應擴展模型。產生邊界效應的主要原因是由層疊塑料膜中鋁層所引起。鋁層的導熱系數較大，鋁層越厚，隔熱板的尺寸越小，則真空隔熱板邊界熱損失率越大。因此，使用中必須根據絕熱板的尺寸大小選定鋁層厚度，在結構允許情況下盡可能減少鋁層厚度并增加隔熱板尺寸，以減少真空隔熱板熱損失率。因此VIP板實際的有效導熱系數大于中心點測試的導熱系數。具體影響參數如下：芯材厚度、導熱系數、阻隔膜導熱系數、阻隔膜厚度、VIP尺寸。有文獻擬合VIP整體有效導熱系數計算公式：

表1 二維穩態傳熱修正系數表查詢表

圖3 VIP板熱橋效應示意圖

圖4 薄膜熱流計測試冰箱示意圖

圖5 薄膜熱流計測試冰箱復合平壁熱流密度

圖6 45mm厚復合平壁理論傳熱系數與實際傳熱系數對比圖

表2 某冷藏冷凍箱原型機和增加VIP板后熱負荷模型

式中：λeff——使用的VIP板的有效導熱系數，單位為W／(m?K)；

λcop——VIP板廠家宣稱的VIP板中心導熱系數，單位為W／(m?K)；

Ip——使用的VIP板周長，單位為m；

Sp——使用的VIP板面積，單位為m2。

2.2.3 帶VIP板傳熱模型建立

冰箱單面增加VIP板后，主要考慮二維復合傳熱和VIP板邊界效應影響，單面使用VIP板：

式中：A為冰箱使用VIP板面的總面積，A1為VIP板使用面積；

αi——內箱壁表面對箱為箱內表面的空氣表面表面傳熱系數；

αo——箱外空氣對箱體外表面的內空氣的表面傳熱系數，單位為W／(m2?K)；

δ——冰箱保溫層總厚度，單位為m，其中δ=δ1+δ2；

δ1——聚氨酯隔熱層厚度，單位為m；

δ2——VIP板厚度，單位為m；

λ1——聚氨酯熱材料的導熱系數，單位為W／(m?K)；

λ2——使用的VIP有效導熱系數，即上文的λeff，單位為W／(m?K)；

φ——二維復合導熱系數修正；

箱體各面的漏熱等于冰箱各面漏熱之和。

3 實驗修正

3.1 門封漏熱量Qb

通過箱門與門封條進入的漏熱量Qb，采用反向熱負荷的方法，即通過箱體外表面貼薄膜熱流計，箱體內加熱的方法測得，門封漏熱=箱體總熱負荷減號各面熱流量。

通過反向熱負荷門封漏熱按單位長度擬合：

Qb=klΔt

式中：k——門封漏熱系數，單位為W／(m?K)；

l——門封長度，單位為W／(m?K)。

3.2 VIP板實際使用修正

為保證VIP板使用模型的準確性，理論模型計算增加VIP板部分熱流密度，與實際箱體使用VIP板面熱流密度做對比。即制作冰箱箱體精確定位VIP板在箱體面的位置，冰箱正常制冷保證箱體內外具有一定溫差。通過將需要分析的冰箱面劃分區域，冰箱表面布置薄膜熱流計測試修正冰箱整個面熱負荷。

通過上述實驗，對冰箱使用VIP板的熱負荷仿真模型進行修正，針對陰陽膜VIP板，VIP板厚度在d=8～15mm范圍內，VIP板邊界效應影響根據整體尺寸使用的不同存在2～3d的影響。即直接在二維復合平壁傳熱模型中將使用VIP板的尺寸減小，如表2，某冷藏冷凍箱原型機和增加VIP板后熱負荷模型。

表3 樣機VIP板的使用情況

表4 BCD-560W VIP板樣機耗電量測試與仿真模型預測結果

表5 BCD-650W VIP板樣機耗電量測試與仿真模型預測結果

4 樣機實驗驗證

通過冰箱各部分漏熱模型分析和實驗修正后的仿真模型對實際冰箱使用VIP板效果進行驗證。本文以公司BCD-560W對開門和BCD-650W兩個載體各制作2臺VIP板樣機，如表3為兩個產品的樣機使用VIP板的情況。

依據GB 12021.2-2015能耗測試方法進行測試，考慮影響冰箱耗電量的因素較多，特別是風冷冰箱，故僅比較穩定狀態下的穩定耗電量，同時為避免系統效率影響穩態耗電量結果，實驗中，通過在小范圍內調整變頻壓縮機轉速以減小原型機與增加VIP板后制冷系統循環效率的差異。如表4和表5兩款冰箱使用VIP板耗電量測試驗證結果，560W VIP板樣機實驗測試耗電量結果與仿真模型預測結果誤差均在2%以內，650W VIP板樣機實驗測試耗電量結果與仿真模型預測結果誤差均在6%以內。從兩款冰箱樣機測試結果可以推斷，仿真模型預測熱負荷結果與實際熱負荷可控制在6%以內。

5 結論

本文利用傳熱學理論和工程經驗公式對聚氨酯和VIP板兩種保溫材料組成的復合二維傳熱進行分析，通過熱流傳感器測試修正，并制作樣機進行耗電量測試，驗證了熱負荷仿真模型的準確性。該熱負荷仿真模型一方面可用于預測目前載體上使用VIP板的效果和VIP板使用性價比；另一方面可用于公司新產品開發性價比預測，特別是薄壁冰箱的性價比預測。對公司冰箱設計和生產應用能起到一定的指導作用。

[1] 楊世銘, 陶文銓. 傳熱學. 北京：高等教育出版社（第四版），2006.

[2] 章熙民，任澤霈. 傳熱學. 北京：高等教育出版社（第四版），2002.

[3] 溫永剛，王先榮，陳光奇等. 真空絕熱板VIP熱橋效應分析[J]. 2009全國低溫工程大會,2009.

[4] 馬長州，魏邦福，崔培培. 熱流量傳感器在冰箱設計中的應用探討[J]．2012年中國家用電器技術大會論文集. 中國輕工業出版社，2012.

[5] VIP板應用于冰箱時的優化研究[J]．2016年中國家用電器技術大會論文集. 中國輕工業出版社，2016.