混合制冷劑對(duì)于冰箱節(jié)能和冷量?jī)?yōu)化的影響

薛文超 朱小兵 張奎 劉建如

1.青島海爾電冰箱有限公司 山東青島 266101；

2.海爾智家股份有限公司 山東青島 266101

0 引言

2020年12月21 日，中國(guó)國(guó)務(wù)院發(fā)布《新時(shí)代的中國(guó)能源發(fā)展》白皮書(shū)[1]，中國(guó)力爭(zhēng)2030年達(dá)到碳達(dá)峰，2060年實(shí)現(xiàn)碳中和。為了實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)，需要全社會(huì)的共同努力。對(duì)家電企業(yè)來(lái)說(shuō)，碳排放減少主要有兩個(gè)方向：一是從碳排放核算角度，主要是減少企業(yè)范圍二直接排放和范圍三間接排放；二是從碳足跡的角度，從冰箱的整個(gè)生命周期核算碳排放。而冰箱節(jié)能減排對(duì)于冰箱碳足跡具有重要的意義。

根據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局?jǐn)?shù)據(jù)，自2010年以來(lái)，中國(guó)冰箱產(chǎn)量都在7000萬(wàn)臺(tái)以上，其中2020年產(chǎn)量達(dá)到9014.7萬(wàn)臺(tái)。從中國(guó)電力消耗來(lái)看，根據(jù)國(guó)家能源局發(fā)布數(shù)據(jù)整理，如表1所示，居民生活用電量近年來(lái)逐年增加，占全社會(huì)用電量的13%～15%之間，有接近萬(wàn)億千瓦時(shí)的耗電量。依美國(guó)能源部數(shù)據(jù)，美國(guó)約有7.2%的家庭耗電來(lái)自電冰箱[2]，按照類似比例推算，則中國(guó)冰箱耗電量可能接近700億千瓦時(shí)。冰箱作為在城鄉(xiāng)居民普及率高，全時(shí)間段通電使用的家電，其降耗節(jié)能具有極其重要的意義。

表1 全國(guó)電力統(tǒng)計(jì)一覽表

然而，隨著人們生活水平的提高，人們對(duì)于食品冷藏、冷凍保鮮的需求越來(lái)越高，對(duì)食品冷凍儲(chǔ)藏提出了更低的溫度需求。儲(chǔ)藏溫度的降低，又勢(shì)必帶來(lái)冰箱熱負(fù)荷和耗電的增加。為了降低能耗，冰箱節(jié)能的措施有使用高效壓縮機(jī)（變頻、變?nèi)荨⒕€性壓縮機(jī)等）[3]，優(yōu)化控制策略，增加隔熱層厚度或者增強(qiáng)隔熱材料絕熱性能（采用隔熱性能更佳聚氨酯、VIP等），提高門封性能（多氣囊、輔助氣囊、加強(qiáng)筋、波紋管結(jié)構(gòu)、輔助邊緣等結(jié)構(gòu)優(yōu)化，TPE和PVC材料優(yōu)化等[4]），提高蒸發(fā)器和冷凝器換熱能力[5]等。近來(lái)，使用相變材料（PCM）成為重要手段之一。PCM主要功能是減小間室的溫度波動(dòng)，降低開(kāi)機(jī)率，匹配合適的情況下，COP能夠增加10%～30%。[6]

除上述降低能耗的方式外，對(duì)于需要低溫或者大冷量?jī)?chǔ)存的冰箱，制冷劑也需要針對(duì)性進(jìn)行相應(yīng)優(yōu)化。而有時(shí)單一制冷劑難以滿足制冷系統(tǒng)的需求，需要根據(jù)制冷系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)的混合優(yōu)化。

1 理論模型

制冷系統(tǒng)中制冷劑的制冷壓縮循環(huán)如圖1所示。1點(diǎn)是壓縮機(jī)的吸氣點(diǎn)，回氣溫度按照32.2℃，2點(diǎn)是壓縮機(jī)的排氣點(diǎn)，1至2點(diǎn)按照等熵壓縮計(jì)算，3是冰箱的除露管出口溫度，按照32.2℃計(jì)算，4是冰箱的蒸發(fā)器進(jìn)口點(diǎn)狀態(tài)，3至4過(guò)程認(rèn)為等焓降壓。在計(jì)算過(guò)程中，對(duì)于混合制冷劑，其蒸發(fā)溫度按照其露點(diǎn)溫度計(jì)算，其冷凝溫度按照泡點(diǎn)溫度計(jì)算。

圖1 制冷循環(huán)

在制冷循環(huán)中，壓縮機(jī)容積效率ηv=λv·λp·λT·λl，壓縮機(jī)的其他效率在某確定轉(zhuǎn)速下認(rèn)為是恒定值，其中，λv為壓縮機(jī)間隙造成的容積系數(shù)，為壓力系數(shù)，λT為溫度系數(shù)為氣密系數(shù)。

式中：C-相對(duì)余隙容積；-壓縮比；m為多變膨脹指數(shù)；吸氣壓力損失；Ts-回氣溫度/K；Tc-冷凝溫度/K；θ-過(guò)熱度/K。

以壓縮機(jī)VDTB90為例，使用Refprop進(jìn)行擬合計(jì)算。取壓縮機(jī)1380 r/min，制冷劑R600a和R290質(zhì)量比為6:4，回氣溫度32.2℃，除露管過(guò)冷后溫度32.2℃，進(jìn)行非線性回歸分析擬合，如表2。參數(shù)擬合后結(jié)果如圖2所示，可以看到功率和制冷量的擬合誤差都在3%以內(nèi)，基本滿足分析需求。

表2 方程擬合計(jì)算結(jié)果對(duì)比

暫不考慮由于制冷劑溫度滑移導(dǎo)致的換熱變化，蒸發(fā)壓力、冷凝壓力導(dǎo)致的壓縮機(jī)電機(jī)效率、機(jī)械效率等，認(rèn)為參數(shù)擬合值是一致的。

2 數(shù)據(jù)分析

在冷凝溫度40℃下，不同蒸發(fā)溫度下的制冷系統(tǒng)制冷量如圖2所示。可以看到R600a、R290及R600a:R290不同質(zhì)量比制冷劑混合物，其制冷量都隨著蒸發(fā)溫度降低而降低，且隨著蒸發(fā)溫度降低，制冷量衰減率越來(lái)越高。相對(duì)來(lái)說(shuō)，R290制冷量隨蒸發(fā)溫度衰減更慢，R600a制冷量隨蒸發(fā)溫度衰減最快，混合制冷劑居中。以常用的蒸發(fā)溫度-25℃為例，R600a冷量隨著蒸發(fā)溫度每降低1℃約降低5.2%，而純R290制冷量隨著蒸發(fā)溫度每降低1℃約降低4.5%，5:5制冷劑混合物蒸發(fā)溫度每降低1℃制冷量約降低5%。當(dāng)蒸發(fā)溫度降低至-45℃時(shí)，R600a制冷量隨著蒸發(fā)溫度每降低1℃約降低6.5%，而純R290蒸發(fā)溫度每降低1℃約降低5.5%，5:5混合制冷劑蒸發(fā)溫度每降低1℃制冷量約降低6.4%。同時(shí)可以看到，相同蒸發(fā)溫度下，R600a的制冷量要遠(yuǎn)低于R290制冷劑，對(duì)混合制冷劑，其制冷量隨著R290含量增加而增加。在-40℃蒸發(fā)溫度下，R600a制冷量為35.3 W，5:5混合制冷劑制冷量為50.5 W，比純R600a制冷量高43%，R290制冷量為118.3 W，比R600a制冷量高235%。

圖2 不同制冷劑在冷凝溫度40℃，不同蒸發(fā)溫度下的制冷量

從圖3功率曲線來(lái)看，壓縮機(jī)耗電功率也隨著蒸發(fā)溫度降低而降低，功率曲線衰減相對(duì)制冷量衰減更加平緩，每提高1℃蒸發(fā)溫度，功率約降低2%～3%，而最終導(dǎo)致的結(jié)果如圖4所示，隨著蒸發(fā)溫度降低，制冷系統(tǒng)的COP下降。整體來(lái)看，R600a系統(tǒng)的COP最高，R600a:R290=3:7的混合制冷劑COP最低。

圖3 不同制冷劑在冷凝溫度40℃，不同蒸發(fā)溫度下的壓縮機(jī)耗電功率

圖4 不同制冷劑在冷凝溫度40℃，不同蒸發(fā)溫度下的COP

混合制冷劑的COP低，一部分原因是沒(méi)有計(jì)算其溫度滑移。混合制冷劑其蒸發(fā)溫度和冷凝溫度并不是恒定值，而是隨著蒸發(fā)冷凝過(guò)程逐漸變化的。如圖5所示，在冷凝溫度40℃，R600a:R290質(zhì)量比為5:5時(shí)，冷凝溫度滑移6.8℃，蒸發(fā)溫度滑移8.3℃以上，且隨著蒸發(fā)溫度降低，溫度滑移逐漸增大。

圖5 不同R600a和R290在質(zhì)量比在冷凝溫度40℃，不同蒸發(fā)溫度下的溫度滑移

以蒸發(fā)器、冷凝器滑移前后溫度取算術(shù)平均值作為蒸發(fā)溫度和冷凝溫度進(jìn)行校正，如圖6、圖7、圖8所示，可以看到R600a和R290的混合制冷劑其COP位于R600a和R290二者之間，低于R600a，高于R290。R290混入R600a后，主要有兩個(gè)不利影響，一是增加了制冷劑的冷凝壓力，增大壓縮機(jī)的噪聲，二是降低了系統(tǒng)的COP，增加了耗電。但是在R600a中引入R290可以顯著提高系統(tǒng)的制冷量。所以，從能耗和噪聲綜合角度考慮，在滿足冷量需求下，使用R290和R600a混合制冷劑應(yīng)盡可能降低R290的含量。

圖6 R600a和R290按照滑移溫度校正后，不同蒸發(fā)溫度下的制冷量

圖7 R600a和R290按照滑移溫度校正后，不同蒸發(fā)溫度下的功率

圖8 R600a和R290按照滑移溫度校正后，不同蒸發(fā)溫度下的COP

3 結(jié)論

混合制冷劑能夠滿足冰箱更廣溫度范圍的制冷需求。在冰箱有更大制冷量和更低的溫度需求時(shí)，可以在合適開(kāi)機(jī)率和噪聲情況下，在R600a制冷劑中混入一定量的R290，盡量在滿足冷量需求下，降低R290混入的比例。此外，對(duì)于混合制冷劑的溫度滑移，也需要相應(yīng)優(yōu)化換熱器的效率，針對(duì)性地設(shè)計(jì)制冷系統(tǒng)，以發(fā)揮混合制冷劑的最優(yōu)效果。