基于風冷冰箱薄壁化需求的節能研究

程琳莉 陳開松 劉全義 馬長州

（長虹美菱股份有限公司 合肥 230601）

前言

目前，隨著冰箱設計能力與制造技術的逐步提升，風冷冰箱大容積率設計是冰箱行業的一大方向。從常規冰箱的容積率為百分之三四十逐漸向薄壁化冰箱容積率為百分之五十幾甚至更高目標奮進。

所謂的冰箱容積率就是冰箱內部的實際容積與冰箱體積之比，比值越大，容積率則越高。為了實現大容積率[1]設計要求，主要是將冰箱的箱體及門體均進行薄壁化設計，將發泡層常規尺寸降低約一半左右，在滿足凝露等可靠性要求的條件下，一般均要應用VIP板，實現薄壁化大容積率設計要求。

一般情況下，為滿足薄壁化大容積率設計要求，VIP板是標配，因需增加VIP板，到時整機成本上升較多，同時薄壁化設計后，整機負荷也較大，常規采用三循環制冷系統，該種制冷系統采用的制冷風機、回氣管總成設計成本均較高，綜合而言，導致整機性價比不佳，市場競爭力不強。

如何實現大容積冰箱薄壁化大容積率設計要求，且具有較佳的性價比是當前冰箱行業研究的一個重要課題。

1 具體方案

以一款大容積薄壁化風冷冰箱為研究載體，為達到大容積率與新國標[2]一級能效設計要求，從以下幾個方面進行闡述。

1.1 冰箱載體設計數據

該款大容積冰箱載體為十字對開門結構，相關設計參數如下：

該款風冷冰箱載體由四個門組成，上部為冷藏間室（內置底部小容積的變溫間室）、下部為冷凍間室，見圖1。

圖1 冰箱整機外觀圖

該款冰箱容積約為528 L，泡層設計尺寸為表1參數，從表1中的數據與冰箱的外形尺寸數據（高*寬*深：1 900*850*600 cm），冰箱的容積率達到55 %左右，滿足全薄壁冰箱大容積率設計要求。

表1 冰箱發泡層尺寸

1.2 冰箱節能技術方案

在全薄壁冰箱大容積率設計要求下，冰箱整機的負荷較大，如何實現整機的高性價比設計要求，主要從以下幾方面優化設計：

1.2.1 單循環制冷系統設計

從性價比角度考慮，采用單循環制冷系統設計，具體冰箱制冷系統原理圖見圖2所示。

圖2 單循環制冷系統原理圖

從該制冷系統圖中可知，該種單循環制冷系統主要由壓縮機、冷凝器、過濾器、毛細管、蒸發器等部件組成，只有一個蒸發器，其他制冷間室通過制冷風道實現制冷，達到冷藏溫區、變溫溫區與冷凍溫區的設計要求。

1.2.2 高效風道系統設計

針對大容積風冷冰箱載體，對比三循環制冷系統而言，在僅有一個冷凍蒸發器的設計條件下，高效風道設計是節能技術方案中其中一個重要內容。

依托CFD仿真分析軟件，在單循環制冷系統的基礎上，從優化制冷風道對冷藏與冷凍間室風量分配、出風口大小，各間室溫度均勻性等方面出發，盡可能提升整機循環風道風量，實現高效風道的設計目標要求。

為實現冷藏間室內置變溫專區功能要求，采用一拖二風門裝置，見圖3。

圖3 一拖二風門

從圖3中可知，該種一拖二風門，是由一個電機控制兩個風口開關，其中一個風門打開給冷藏間室制冷，另一個風門打開可以給變溫間室制冷，實現冷藏與變溫間室獨立制冷控制設計要求。

1.2.3 制冷與冷凝風機選型

該款大容積冰箱載體中，僅設計一個制冷風機與一個冷凝風機。關于制冷風機，相較于常規的多循環制冷系統用多個制冷風機而言，單循環制冷風機的尺寸需要重新選型，確保風量足夠大，風壓足夠大，滿足整個冷藏、變溫與冷凍間室的送風設計要求。基于以上分析，采用一款直徑為140 mm，檔位為1～12檔設計，額定轉速為1 500 rpm的離心風機，實際運行過程中的轉速范圍為600～1 500 rpm，該離心制冷風機的實物圖見圖4（a）所示。關于冷凝風機，一般均為軸流風機，見圖4（b），直徑為150 mm左右，檔位也為1～12檔，額定轉速為1 200 rpm，實際運行過程中的轉速范圍為550～1200 RPM，主要置于冰箱壓縮機艙室內，對冰箱外置冷凝器與壓縮機進行擾流散熱降溫。

圖4 兩款風機樣件實物圖

1.2.4 控制邏輯設計

為了確保大容積全薄壁風冷冰箱在單循環制冷系統設計的基礎上，應用以上風機、風道等部件設計基礎上可以具有更低的整機耗電量，制冷風機、冷凝風機與壓縮機三者轉速匹配設計非常重要。制冷風機與冷凝風機轉速越低，功耗越低，但是轉速低會導致單位之間擾流風量變小，傳熱與傳冷的效率會降低，故而影響制冷系統換熱效果，綜合考慮制冷風機、冷凝風機與壓縮機的耦合性能是本次研究的關鍵。

在32 ℃與16 ℃環溫下，依托此冰箱載體，通過制冷風機、冷凝風機與壓縮機不同檔位的耦合設計，尋找出最佳性能匹配檔位，實現整機穩態能耗最低設計要求。

1.2.5 保溫設計

通過分析箱體熱負荷，應用部分真空絕熱板進行保溫，從經濟型角度出發，輸出最佳性價比的VIP板應用方案。

1.2.6 其他要求

該款大容積全薄壁十字對開門冰箱載體的冷藏間室溫區為0～10 ℃、變溫間室溫區為-3～8 ℃、冷凍間室溫區為-16～-24 ℃。在32 ℃與16 ℃兩種環溫下進行能耗測試時，冷藏/變溫間室平均溫度在4 ℃以下，冷凍平均溫度在-18 ℃以下。

能耗測試其他要求參考GB 12021.2-2015執行。

2 結果分析

2.1 制冷系統部件選擇

壓縮機采用高效變頻壓縮機，排量為9 CC，COP為1.95，轉速范圍為1 200～4 500 rpm，最高效點范圍為1 800～2 400 rpm。冷凝器采用微通道冷凝器，確保換熱量大，換熱效率高。蒸發器采用小管徑拉脹翅片蒸發器，直徑為6.35 mm，拉脹設計確保翅片與管道高效接觸，提高換熱效率。

2.2 高效風道設計結果

為滿足該款大容積全薄壁單循環制冷系統冰箱一級能效設計要求，采用直徑為140 mm的制冷風機，同時考慮冷藏內置小變溫間室的設計要求，低整個風循環系統進行仿真分析，通過優化回風道關鍵部位，包括回風口截面大小，風門風口截面大小，風道流路長度等。優化后的風道速度矢量如圖5所示。

圖5 風道速度矢量

從圖5中可知，整個風道的速度場結果滿足設計要求，可以確保整機的循環風量達到26.8 g/s，滿足整機風量設計要求。最終輸出的冷藏風道、冷凍風道見圖6。

圖6 冷藏與冷凍風道結構圖

2.3 控制設計結果

不同環溫下，各轉速設置結果見表2。控制設計方面，主要是對該冰箱載體在16 ℃與32 ℃環溫下的能耗進行制冷風機、冷凝風機以及壓縮機的轉速控制設計進行研究，依托單循環制冷系統，充分發揮出制冷系統循環性能，輸出此款單系統冰箱用最佳性能的風機轉速，確保整機耗電量最佳。

表2 各轉速設置參數

2.4 VIP板設計結果

對應全薄壁風冷冰箱載體，在薄壁化設計要求下，VIP板應用是必不可少的，重點研究在此箱體的什么部位放置多大的VIP板，統籌考慮VIP板的絕熱性能，在滿足性能的條件下，實現VIP板的最經濟性應用。各轉速設置參數見表2。

此冰箱載體的VIP導熱系數為0.001 8 W/M·K，在箱體的兩側應用VIP板，厚度為15 mm，長度為1 450 mm，寬度為500 mm，直接貼附于箱殼的兩側，貼附結果見圖7。

圖7 VIP板貼附狀態

2.5 整機性能結果

通過以上技術方案的應用，該款BCD-528W全薄壁冰箱的整機綜合耗電量為0.89 kWh/24 h，，滿足國標GB 12021.2-2015一級能效指標設計要求。

2.6 成本對比

較常規的三循環制冷系統而言，采用單循環制冷系統，制冷風機減少2只，蒸發器數量減少2只，去除與三循環制冷系統適配的電動切換閥，回氣管總成由銅管改為鋁管等創新設計，VIP板與冷藏風道增加一個的成本，但綜合而言整機成本降低約60元/臺，確保了全薄壁冰箱大容積率的高性價比設計要求。

3 結論

依托大容積率的十字對開門全薄壁冰箱載體，為確保高性價比設計要求，本文提出采用單循環制冷系統，配備超高效變頻壓縮機、微通道冷凝器與小管徑拉脹翅片蒸發器，同時設計出高效風道結構、最佳變頻控制邏輯與超低導熱系數的VIP保溫材料，實現了單循環制冷系統全薄壁大容積風冷冰箱一級能效設計要求，整機成本進一步降低，相較于三循環制冷系統，整機具有更高的性價比。