風冷冰箱風機變頻最佳耦合技術研究

陳開松 劉全義 馬長州

（長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，當時的整機容積也就兩三百升，常規(guī)為兩門直冷冰箱，主要為冷藏與冷凍溫區(qū)。隨著冰箱技術的不斷進步，冰箱逐漸從兩門過渡到三門，再到十字對開四門、對開門與法式五門主要結構類型，容積從兩三百升逐漸提升至四五百升，再大的可以達到七八百升。冰箱容積大，負荷也會隨之增加，整機耗電量也增加很多。為了使大容積風冷冰箱的具有較低的整機能耗，制冷系統(tǒng)主要從單系統(tǒng)到雙系統(tǒng)，再到三系統(tǒng)設計，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冰箱整機能效要求每過幾年都要進行修訂，隨著修訂的逐步推薦，對大容積風冷冰箱整機能耗要求越來越嚴格，節(jié)能設計逐步成為各冰箱廠家重點工作之一。

若僅從技術方案角度出發(fā)，節(jié)能技術方案還是比較多的，但是考慮到冰箱整機的性價比以及市場競爭力，需要尋求性價比最優(yōu)的技術方案，故超高性價比的冰箱節(jié)能技術研究是一項任重道遠的持續(xù)工作。

1 具體方案

以一款十字對開門風冷冰箱為研究載體，具備四款風機與一款變頻壓縮機，外置冷凝器等，通過四款風機不同檔位的匹配設計[1]，確保整機穩(wěn)態(tài)能耗最佳，輸出最佳風機耦合技術方案。

1.1 冰箱載體配置

該款冰箱載體為十字對開門風冷冰箱，具體設計方案如下：

1）冰箱結構：

該款冰箱載體由四個門組成，左右對稱設計，見圖1，上面兩個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計需求，采用三循環(huán)制冷系統(tǒng)設計，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)設計，每一個制冷間室均具有可以單獨制冷的毛細管，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)，實現(xiàn)三循環(huán)制冷系統(tǒng)串并聯(lián)的設計要求。

3）風道系統(tǒng)設計：

風冷冰箱最大的特色就是每一個間室都具有滿足送風設計要求的制冷風道。該款十字對開門風冷冰箱冷藏間室、冷凍間室與變溫間室內(nèi)均具有獨立的制冷風道，確保滿足各自送達的設計要求。

4）風機選型設計：

該款冰箱載體中，每一個制冷間室內(nèi)的制冷風道中均具有一個制冷風機。

通常條件下，冷藏制冷風機為離心制冷風機，見圖3（a），直徑為110 mm左右，檔位為12檔設計，額定轉速為1 800 RPM。冷凍間室與變溫間室用制冷風機也為離心制冷風機，見圖3（b），直徑為120 mm左右，檔位為12檔設計，額定轉速為1 800 RPM。冷凝風機為軸流風機，見圖3（c），直徑為150 mm左右，檔位為12檔設計，額定轉速為1 200 RPM，該種風機置于冰箱壓縮機艙室內(nèi)，與冰箱用外置冷凝模塊（冷凝器為微通道結構）組合設計，確保滿足冷凝器散熱設計要求。

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 ℃。能耗測試時，在32 ℃與16 ℃兩種環(huán)溫下分別進行測試對比驗證。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。

冰箱在能耗測試時，冰箱后背板與測試臺位背板之間的間距為50 mm。

圖1 冰箱整機外觀圖

圖2 制冷系統(tǒng)原理圖

其他方面要求根據(jù)GB 12021.2-2015嚴格執(zhí)行。

1.2 能效測試下的風機檔位設置

實際使用過程中，冷藏風機、變溫風機、冷凍風機以及冷凝風機的檔位均為12檔，不同檔位代表著不同的風機檔位，檔位越高檔位越大，1檔檔位最低，12檔檔位最大。

以冷凍風機為例，不同檔位對應的風機檔位見圖4。

以上風機的不同檔位控制是獨立的，檔位任意設定，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)，所有風機檔位的耦合控制不是越大越好，中間檔位的不同組合設計可以實現(xiàn)降能耗的設計要求。

2 試驗結果分析

2.1 不同風機檔位耦合的能耗結果

該冰箱載體具有四款風機，其中三款為制冷風機，一款為冷凝風機。冷藏風機與變溫及冷凍風機尺寸不同，相同檔位對應的檔位也不同，相應數(shù)據(jù)可以參照以上描述。

不同風機、不同檔位的耦合，整機能耗測試結果見圖5、圖6。對表中的數(shù)據(jù)分析如下：

圖4 冷凍風機不同檔位對應的檔位

圖5 16 ℃環(huán)溫下冰箱用變頻風機同檔位耦合性能結果

1）參見圖5，16 ℃環(huán)溫下，因為環(huán)溫偏低，實際冰箱載體的熱負荷較低，風機檔位從最大檔位直接同步降低測試驗證，從12檔降至9檔，冰箱整機能耗同步降低，主要是風機低檔位功耗降低起主導作用引起的。

針對單冷凝風機而言，隨著冷凝風機檔位的降低，能耗先降低，待檔位6檔時，整機穩(wěn)態(tài)能耗最佳，風機檔位再降低時，能耗開始升高，說明制冷系統(tǒng)循環(huán)效率降低更快，超過了冷凝風機檔位降低而降低的功耗。

針對冷藏風機而言，冷藏風機主要是應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，所需風機實際運行時間較短，隨著檔位的逐漸增加，能耗有降低，但是不是很明顯，從對比測試結果來看，5檔性能最優(yōu)。

針對變溫風機而言，變溫風機應用于變溫間室中，能耗溫區(qū)為-6 ℃以下，16 ℃環(huán)溫下，從對比測試結果來看，5檔性能最優(yōu)。

針對變冷凍風機而言，冷凍風機應用于變溫間室中，能耗溫區(qū)為-18 ℃以下，16 ℃環(huán)溫下，從對比測試結果來看，6檔性能最優(yōu)。

從最高檔位到最優(yōu)檔位，整機穩(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，因為環(huán)溫偏低，實際冰箱載體的熱負荷較高，風機需要較高檔位運行才可以達到較佳的整機性能。

從最高檔位到最優(yōu)檔位，整機穩(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，冷藏風機、變溫風機、冷凍風機與冷凍風機檔位分別為8檔、6檔、6檔與9檔時，整機穩(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)能耗對比結果，通過幾款風機不同檔位的耦合，可以實現(xiàn)兩種環(huán)溫下的最佳能耗驗證結果，達到節(jié)能的設計目標。

同時，通過控制邏輯的修改，整機不增本，整機性價比更優(yōu)，故變頻風冷冰箱針對不同的冰箱配置尋找出最佳的風機檔位，實現(xiàn)最優(yōu)的能耗設計是節(jié)能的一個重要方案。

圖6 32 ℃環(huán)溫下冰箱用變頻風機同檔位耦合性能結果

2.2 風機耦合設計原則

從以上測試與分析結果來看，風機不同檔位的耦合設計可以降低帶有變頻風機的風冷冰箱的整機能耗，但風機不同檔位的控制參數(shù)不是固定的，不同的風冷數(shù)量，規(guī)格也不盡相同，需根據(jù)實際使用狀態(tài)匹配優(yōu)化得到。從用戶聲品質角度出發(fā)，噪音要求盡可能低些，可以更好地滿足用戶的實際使用需求，故提幾點變頻風機耦合設計的原則：

1）冰箱用風機轉速適中選配原則：既不用最高檔位，也不用最低檔位。32 ℃環(huán)溫下，冷凝風機采用9～10檔為最佳，冷藏風機采用8～9檔位最佳，冷凍與變溫風機采用6～7檔位最佳。16 ℃環(huán)溫下，冷凝風機采用6～7檔為最佳，冷藏風機采用5～6檔位最佳，冷凍與變溫風機采用6～7檔位最佳。

2）為實現(xiàn)以上的風機低檔位設計，制冷系統(tǒng)需要做相應的匹配設計。與冷凝風機配套使用的冷凝器換熱面積盡可能設計大些，冷凝風機低檔位運行時，整機的散熱效果不影響制冷循環(huán)效率。三款制冷風機與對應的蒸發(fā)器匹配設計，蒸發(fā)器面積在有限的空間中也盡量設計大一些，確保風機低檔位運行的可靠性。

3）與對應風機運行的風道設計也是設計的一個重要方面，實際設計時，要充分考慮對應風機用于的對應空間，進行高效風道結構設計，要求風阻盡可能小，幾乎無渦流等不足之處，放置出現(xiàn)風循環(huán)短路設計。

3 結論

依托十字對開門三循環(huán)制冷系統(tǒng)的大容積風冷冰箱，通過調整四款變頻風機的不同檔位，實現(xiàn)冰箱整機在兩種環(huán)溫下均達到最佳能耗設計要求。同時，風機控制邏輯設計不需要增加成本，綜合而言，風冷冰箱風機變頻最佳耦合技術是一種性價比左右的設計方案，為確保此種方案的可行性，實際設計需綜合考慮制冷系統(tǒng)制冷部件與風道結構設計，確保整機性能更佳。