冰箱換熱器低碳高效技術要求標準化探索

陳 林 錢 峰 江晨鐘

（廣東美的制冷設備有限公司 佛山 528311）

引言

據國際能源署（IEA）發布的《全球能源與碳排放狀況年度報告》顯示，家電用電量占比超過20 %，住宅碳排放量占比超過30 %。在碳中和及能源危機的背景下，各國均大幅提升家用電器的能效標準，這就要求，冰箱等制冷家電產品需要進一步提升制冷效率。另一方面，隨著冰箱作為嵌入式家電的重要代表，對于冰箱容積率的追求越來越極致化。GB/T 8059-2016《家用和類似用途制冷器具》國家標準中已取消了冰箱有效容積的概念，只保留了實測容積的概念。擠占實測容積的除了泡層之外，主要是壓縮機倉、風道組件和換熱器組件。

因此，換熱器（含冷凝器和蒸發器）作為冰箱換熱核心設備，正不斷向著高換熱效率、小尺寸、低耗材的方向發展[1]，尤其是近年來發展迅速的微通道換熱器、小管徑翅片式換熱器，其小型化高換熱效率的特點已成為家用冰箱換熱器重要的研發方向[2]。而這方面的技術要求，尤其是如何以標準形式進行統一的要求，目前仍在探索階段。

1 冰箱換熱器技術發展方向和標準化需求

結構緊湊、低重量、小體積、換熱性能良好的換熱器是當前換熱器發展的主要方向，總的要求即“低碳”+“高效”。究其原因，要求“低碳”主要是因為換熱器完全由金屬制成，在冰箱制冷系統中，重量、體積占比均較高，其小型低碳化設計，具有提高冰箱的容積率、節省金屬耗材、降低整機重量、減少制冷劑充注量等多重作用。目前較為主流的翅片式換熱器的換熱管管徑為 8 mm。若換熱器管徑進一步縮小到 6 mm 甚至5 mm，即使在管壁厚度不變的情況下，銅管、鋁管的用量均可大幅減少。實際上，由于管徑變小后耐壓強度的增加，換熱管的壁厚可以相應變薄，進一步減少銅鋁等耗材在換熱器上的使用。將小管徑的換熱管應用于換熱器，可以有效減少材料消耗和制冷劑充注，降低制冷設備廠商的生產成本。

而 “高效”是一直以來的追求，低碳的同時要更為“高效”，這就篩選出同時符合這兩個要求的換熱器類型。和其他類型的換熱器相比，翅片式換熱器和微通道換熱器的換熱性能相對更好，在滿足相同制冷量的前提下體積可以相對更小。但微通道換熱器有易積灰、結霜的缺點，應用場景易受限。整體而言，翅片式換熱器具有傳熱性能好、運行可靠等特點，應用場景適應性相對更廣，能較好適應換熱器的整體發展方向。

“低碳”+“高效”雖然是換熱器發展的方向，但是如何在標準中提出相應的指標，目前缺乏相應的實踐。在實際工作中，由于換熱器本身屬于零部件，對其低碳和高效的標準指標需求相對于冰箱整機來說迫切程度降低，但市場面臨著技術路線的選擇，如果有標準指標對于換熱器的低碳和高效指標進行衡量，將大大有助于小管徑冰箱換熱器等產品的推廣和使用，從而加速技術的迭代。

2 冰箱換熱器低碳高效要求標準發展現狀

在2020 年之前，我國冰箱換熱器相關的國家標準主要是GB/T 23133-2008《家用電冰箱蒸發器》和GB/T 23134-2008《家用電冰箱冷凝器》。這兩份標準雖然規定了家用冰箱蒸發器和冷凝器相關術語、分類和一般的技術要求，但是沒有規定換熱量、流體阻力等概念、要求和測試方法[3]。而其他行業領域的換熱器標準受制于換熱量范圍，并不適合家用冰箱換熱器。為了研究冰箱換熱器換熱性能測試方法，行業內制定了DB34/T 3373-2019《家用和類似用途電器換熱器換熱量及流體阻力測試方法》安徽省地方標準、T/GDEACC 09-2019《家用電冰箱和類似用途電器換熱器換熱性能測試方法》廣東省家電商會團體標準，這兩份標準關于冰箱換熱器的試驗方法內容近似，較好地反映了行業內通行做法，也得到了業界的認可。2020 年，原GB/T 23133-2008《家用電冰箱蒸發器》和GB/T 23134-2008《家用電冰箱冷凝器》合并修訂為GB/T 39557-2020《家用電冰箱換熱器》[4]，除了換熱器概念上的合并，增加了翅片式換熱器、絲管式換熱器、旋翅式換熱器和微通道換熱器的尺寸及極限偏差之外，最主要的內容是增加了換熱器性能要求和性能測試方法，內容基本引用了前述安徽省地標，為冰箱和換熱器企業提供一個統一的評價依據。

但是GB/T 39557-2020《家用電冰箱換熱器》并沒有提出更為明確的換熱性能指標要求，僅僅規定“實測換熱量不應低于名義換熱量的90 %”。

近年來業內也出現了針對小管徑換熱器的相關團體標準，如T/CI 028-2022《4 毫米小管徑管翅式不銹鋼換熱器》[5]等，不過均未明確提出對于低碳（耗材節省）和高效（換熱效率提高）的標準指標要求。

筆者近期參與了T/CI 169-2022《低碳高效冰箱換熱器技術要求》[6]中國國際科技促進會團體標準的制定工作，該標準針對翅片式冰箱換熱器如何衡量低碳和高效的標準指標，進行了探索。

3 冰箱換熱器低碳要求標準指標探索

3.1 基準換熱器

所謂低碳要求，一般是要計算出產品的碳排放當量。但是換熱器產品由于設計的需要，在不同功率要求的冰箱整機產品上，會設計不同的大小尺寸。因此，單純規定某個換熱器產品的碳排放當量而不考慮換熱器大小是不現實的，必須要找到一個可以對比的“基準換熱器”，在滿足冰箱熱負荷需求情況下，取材料屬性相同（管和翅片材料屬性分別相同）、外形尺寸（長寬高）等同的待測換熱器和基準換熱器，分別測量兩者的相關參數進行比對，這樣才具有衡量低碳指標的意義和可行性。

“基準換熱器”的參數，考慮到行業情況，我們規定如下：D8*0.75 平片換熱器（管內直徑為8 mm，壁厚0.75 mm），翅片間距10/5 mm（對于排數>2 的底部兩排翅片間距10 mm，其余5 mm；對于排數≤2 的翅片間距為10 mm），翅片厚度0.15 mm，排間距22 mm，列間距19 mm。

一般情況材料的屬性有：管和翅片均為一種材料、管為一種材料翅片為另一種材料，不太可能出現管有混材或者翅片有混材的情況，因此基準換熱器材料屬性只需保證管和翅片分別與待測換熱器的管和翅片相同即可。

3.2 碳排放邊界的取舍和“低碳”指標

有了基準換熱器的概念和參數，那么換熱器的碳排放當量如何計算，我們首先考慮了換熱器碳排放邊界問題。正常的排放邊界應涵蓋原材料加工、產品生產制造、產品銷售、產品使用、產品回收全生命周期，但是考慮到換熱器本身產品的生產制造、產品銷售以及產品回收階段碳排放核算無法基于產品本身指標得出數據，因此為了實際的計算和對比，舍去這些因素，暫只考慮材料制造碳排放及產品使用過程碳排放。將同尺寸、同材料屬性待測換熱器和基準換熱器材料制造碳排放當量和使用過程碳排放當量分別測算，分別進行對比，不計算和對比總的碳排放。

對于“低碳”指標，考慮到行業實際情況，規定“低碳高效換熱器的材料制造碳排放當量應低于基準換熱器的5 %及以上，且裝在同型號冰箱整機上的使用過程碳排放低于基準換熱器使用過程碳排放。”使用過程碳排放不一并規定應低于基準換熱器的5 %，主要是考慮到現在低碳高效換熱器尤其是小管徑換熱器的應用還剛剛開始，其在冰箱整機上的效能發揮還受到多重因素的影響，因此暫時降低要求，只要低碳高效換熱器對比基準換熱器，實測出冰箱整機能耗有所降低即可。

3.3 材料制造碳排放當量和使用過程碳排放當量的計算

對于材料制造碳排放當量的計算：先將同尺寸、同材料屬性（管和翅片的材料屬性分別相同）的待測低碳高效換熱器和基準換熱器分別拆解為鋁材和銅材，分別測待測換熱器和基準換熱器的鋁材和銅材質量，鋁材加工耗電設為 A kW*h/ 噸，銅材加工耗電設為B kW*h/ 噸，CO2排放量（kg）= 耗電度數×0.785，通過換熱器材料重量先折算為制造耗電量，再折算為CO2排放量。

換熱器材料碳排放（kg）=[鋁材質量（噸）×A kW*h/ 噸+ 銅材質量（噸）×B kW*h/ 噸]×0.785 kg/kW*h。

鋁材和銅材加工耗電量會隨著技術發展、原材料生產企業工藝的不同而發生變化，為了便于計算，我們將鋁材加工耗電取 A =13 500 kW*h/噸，銅材加工耗電取B =1 100kW*h/噸。如若低碳高效換熱器的管或翅片采用了不銹鋼等其他新材料，應制作與之相同材料屬性的基準換熱器，并查詢新材料的加工耗電量，按照相同的方法測算總的材料碳排放。

對于使用過程碳排放當量的計算：分別將同尺寸、同材料屬性低碳高效換熱器和基準換熱器安裝在同一型號冰箱整機上，分別測得低碳高效換熱器和基準換熱器的整機日均耗電量C 和 D（kW*h/日）， 結果應為：C ＜D。如需繼續算出數值，使用過程CO2排放量（kg）=日均耗電量（kW*h/日）×365×0.785。

材料碳排放實際測量中，我們使用了全鋁的基準換熱器和待測換熱器，得出材料碳排放降低達到22.7 %，符合標準要求，具體參數見表1。

表1 常規換熱器與美的換熱器成本及碳排放

在使用過程碳排放實際的測量中，我們將項目開發的低碳高效換熱器分為大波紋翅片側和小管徑內齒管側兩部分對比基準換熱器進行測量。依據國標GB 12021.2-2015《家用電冰箱耗電量限定值和能效等級》，對常規換熱器與項目開發的大波紋翅片測換熱器和常規換熱器與項目開發的小管徑內齒管側換熱器進行測試對比，可以看到采用大波紋翅片換熱器整機能耗下降3.62 %，采用小管徑內齒管換熱器整機能耗下降2.09 %。綜合而言，采用項目開發的大波紋小管徑內齒管換熱器，可以時冰箱整機提升能效5.7 %，符合標準要求，詳見表2。

表2 常規換熱器與參評低碳高效換熱器整機性能提升對比

4 冰箱換熱器高效要求標準指標探索

有了前文定義的“基準換熱器”，對于換熱器換熱量“高效”的指標要求和衡量方法，也就有了方案：在滿足冰箱熱負荷需求情況下，取材料屬性相同、外形尺寸（長寬高）等同或不小于待測低碳高效換熱器的基準換熱器，分別測量低碳高效換熱器和基準換熱器的換熱量， 低碳高效換熱器的換熱量應高于基準換熱器5 %。

具體的試驗方法參照國標GB/T 39557-2020 附錄C。標準工況：空氣進口溫度-18 ℃，空氣進口流速0.5 m/s，冷凍液進口溫度-28 ℃，冷凍液進口流速0.1 m/s，環境室干球溫度-20 ℃，環境室相對濕度RH75 %。

在換熱量的實際測量中，在相同尺寸換熱器下，大波紋翅片側比基準換熱器換熱面積增大30 %，相應換熱量提升了14.75 %。，小管徑內齒管側比基準換熱器換熱面積增大100 %，相應換熱量提升了8.2 %。綜合得出：大波紋小管徑內齒管換熱器比基準換熱器的換熱量提升22.95 %，滿足標準要求。

5 其他指標的設置

除了“低碳”“高效”這兩個最關鍵的指標，為了增大換熱面積和制冷劑流速，多項研究對于換熱器管內結構也進行了革新，如增加內齒結構等，如圖1 所示。因此，對于具有內齒結構宣稱低碳高效的換熱器，我們也給出相應的管內結構尺寸標準指標：管內可為光管或內齒管，如為內齒管齒型可為梯形或三角形等多種形狀，內齒管齒數n 滿足：20 ≤n ≤100，齒高e 滿足：e ≥0.05 mm，齒頂角α 滿足：α ≤20 °。管外徑d 滿足：5 mm ≤d ≤8 mm，極限偏差±0.05 mm，壁厚δ滿足：0.5 mm ≤δ ≤0.75 mm，極限偏差±0.02 mm，翅片厚度δ1 滿足：0.095 mm ≤δ1 ≤0.15 mm，極限偏差±0.01 mm，翅片換熱面積S>翅片在進風方向垂直面上的投影面積（最大的投影面積）的105 %。

圖1 內齒小管徑換熱器剖面圖

6 結束語

低碳時代已加速來臨，作為冰箱技術革新的前沿，換熱器的低碳和高效要求，也需要通過標準指標的形式加以固化。本文通過探索冰箱換熱器低碳高效標準指標的規定方法，以“基準換熱器”為參照物，將同尺寸大小的待測換熱器與基準換熱器進行參數的比較，并合理選擇碳排放邊界，將“材料制造碳排放當量和使用過程碳排放當量”作為核算的重點，衡量出換熱器低碳高效的具體指標要求，并給出測算方法。該探索給業內提出了一種衡量低碳高效冰箱換熱器先進性的標準化方法，有助于先進換熱器技術的推廣和應用。如何進一步提高標準的適用性，簡化標準測試方法，從而找出更為優化的換熱器低碳高效標準測試衡量路徑，需要業界進一步開展創新性研究。