直冷冰箱節能技術研究

崔培培 鄧萍萍 馬長州

（長虹美菱股份有限公司 合肥 230601）

引言

節能是冰箱各廠商永恒持續追求的目標。隨著歐盟ERP 能效法規EU 2019/2016 和歐盟測試標準EN 62552-2020 相繼發布及實施，歐盟對進入歐洲市場的家電產能效要求大幅提升。尤其近一年俄烏戰爭的持續造成的歐洲的能源短缺，進一步推進了歐盟市場對家電產品高能效要求落地實施的步伐，見表1。

1 標準分析

歐盟測試標準EN 62552-2020 中能耗測試需要在16 ℃和32 ℃兩種環境溫度下分別測試，獲得穩定耗電量E16，E32，計算能效指數EEI：

式中，新歐盟能效指令計算能效指數影響參數：

C—combi 系數（冷凍室容積占比）；

D—多門修正系數；

L—load 系數，3 星，4 星制冷器具L=0.9，其他制冷器具L=1；

c—間室類型；

n—間室序號；

Ac—化霜方式；

Bc—嵌入式系數；

Mc，Nc—間室類型系數；

V—容積；

rc—間室系數；

Eaux.—溫度控制的防凝露加熱設備能耗。

對應現行國標實施標準GB 12021.2-2015 能效等級指數ηs：

其中：

Fc—常數，無霜制冷器具強制對流的間室等于1.5，其他類型間室等于1.0。

對比國標GB 12021.2-2015 能效等級限定值計算方法和歐盟EU 2019/2016 能效等級計算方法，歐盟EU 2019/2016 能效等級計算方法中Ac自動化霜系數僅為1.1，國標GB 12021.2-2015 自動化霜系數則為1.5，非自動除霜系數均為1.0，相對風冷，新歐標能效指令對直冷冰箱更為有利。因此從標準政策指向看，相比國內市場，預測未來直冷冰箱在歐洲市場占比仍舊會較高。

國標GB 12021.2-2015 自2015年發布已實施多年，但因其標準導向對采用直冷制冷系統的冰箱極為不利，2015年～2021年期間冰箱各廠商對直冷冰箱在16 ℃和32 ℃兩種環境溫度下的標準耗電量提升研究較少。2020年，歐盟EN62552-2020 能耗測試標準及能效指令EU 2019/2016 發布后，因標準導向對直冷冰箱無不利因素，歐洲市場直冷冰箱仍占據較高市場比例，其ERP指令對進入歐洲市場準入級門檻逐年提升，2024年3月之后，新入市歐洲市場的產品能效等級門檻提升至E 級，因此仍有必要對直冷冰箱在新歐標實施后進行優化改進，尋求直冷兩門冰箱節能方案。

本文針對上述問題，選取冷藏冷凍兩門冰箱，通過箱體冷藏冷凍漏熱量、制冷系統循環、換熱效率和制冷劑分布等方面在高低環境溫度下表現特性分析，優化制冷系統換熱器與制冷分配，制定能耗優化方案，并驗證整機主要制冷性能，獲得提升直冷單循環系統能效的優化方案。

2 原型機測試與分析

2.1 原型機樣機選擇

本次研究選擇樣機型號BCD-260 兩門直冷單循環制冷系統冰箱，溫度控制安裝在冷藏室，由冷藏蒸室溫度進行控制壓縮機開停，原型機基本參數見表2，其間室及結構分布如圖1 所示。

圖1 原型機冰箱間室及結構分布示意圖

表2 原型機樣機參數

2.2 耗電量試驗

根據EN 62552-2020 歐盟家用制冷器具特性試驗測試方法對原型機冰箱在兩種環境條件下分別測試，冰箱試驗臺位、布點、放置位置均按EN 62552-2020 標準要求。除標準要求測試點外，為獲得冰箱運行制冷系統關鍵參數，分別在原型機冷藏蒸發器進口，冷藏蒸發器出口，回氣管和過濾器布置熱電偶，檢測冰箱制冷循環運行工況。

環境條件1：環境溫度32 ℃ ，相對濕度85 %（溫度許可范圍 ±0.5 ℃；相對濕度偏差±3 %）； 環境條件2：環境溫度32 ℃ ，相對濕度85 %（溫度許可范圍±0.5 ℃；相對濕度偏差±3 %）；試驗電壓/頻率：230 V/50 Hz，額定電壓 ±1 %, 額定頻率±1 %；

2.3 測試結果分析

依據EN 62252-2020 耗電量測試試驗方法，對載體進行耗電量測試，穩定運行后計算能耗，并按EU 2019/2016 能效指令計算實際能效指數。16 ℃和32 ℃能耗測試結果如表3 所示，從測試數據可看出，載體單循環直冷冰箱，因冷藏單獨控溫冷凍無法單獨控溫，16 ℃和32 ℃兩種環境溫度下為滿足標準要求的能耗測試特性點T冷藏≤4 ℃，T冷藏≤-18 ℃時，會出現冷凍室在32 ℃能耗時冷凍溫度偏低-18 ℃較多，16 ℃時冷藏溫度偏低4 ℃較多，對冰箱能耗不利。

表3 原型機耗電量測試

針對兩種環境溫度下測試耗電量，為達到兩個環境溫度下綜合耗電量最優，需要針對直冷兩門單循環制冷系統進行匹配，而根據16 ℃和32 ℃漏熱量計算：

在冰箱結構、保溫層厚度和導熱系數不變的情況下，間室的漏熱量僅與間室內外的溫差有關，按照EN 62552-2020，冷藏室內部溫度取特性溫度 4 ℃，冷凍室內部溫度取平均溫度 -18 ℃，外部溫度分別取 32 ℃和16 ℃，據此按照熱量公式進行計算，得出在不同環溫 下，冷藏室和冷凍室的漏熱量，如表4 所示。從表中可看出，從32 ℃降低至16 ℃，冷藏漏熱量占比從56.94 %下降至47.69 %，冷凍漏熱量從43.06 %升高至52.31 %，其漏熱量變化較大，制冷系統需要相應匹配以適應漏熱量比例的變化。

表4 冰箱不同環境溫度下箱體漏熱量

如圖2 原型機耗電量測試曲線，可以看出在現有冷藏和冷凍蒸發器匹配面積情況下，32 ℃為最大化滿足冷藏漏熱量大問題，需要冷藏蒸發器使用面積最大化，充分發揮冷藏蒸發器換熱能力，圖2（a）所示，32 ℃耗電量，壓縮機開機初期蒸發器出口存在短暫過熱，之后蒸發器出口溫度快速降低至與蒸發器進口溫度基本一致，制冷系統足夠的制冷劑灌注量使冷藏蒸發器發揮最優制冷效果。如圖2（b）16 ℃時，因外界環境溫度降低，更多的制冷劑存于箱體外部冷凝器中，壓縮機開機一段時間，冷藏室蒸發器出口表現較大的過熱，整個壓縮機運行周期約一半時間處于過熱狀態，此種制冷劑分配可一定程度緩解16 ℃低環溫冷藏漏熱量低的問題。

圖2 原型機耗電量測試運行曲線

另外，因直冷單循環系統冷藏室和冷凍室蒸發器串聯，如圖3（a）直冷兩門單循環系統制冷原理圖，經毛細管節流后的制冷劑先進入冷凍蒸發器再進入冷藏蒸發器，如圖在3（b）制冷系統溫熵圖上其制冷效率表現為一個蒸發溫度T，當冷藏室蒸發器控制壓縮機制冷時，若冷藏漏熱量增大無法滿足冷藏需求制冷量時，制冷系統自動調節將壓縮式制冷系統蒸發溫度T 拉低以滿足冷藏制冷量需求Qc=KAΔTc，此時會降低整機制冷系統循環效率，反之如提升32 ℃蒸發器溫度，則可以提升整體蒸發溫度，提升制冷系統循環效率。

圖3 制冷原理圖

3 方案改進

根據上述分析，一方面在盡量提升32 ℃冷藏蒸發器面積并充分利用情況下，提高制冷系統循環效率，另一方面利用16 ℃和32 ℃制冷劑分配特性，減小32 ℃冷藏蒸發器過熱，提高16 ℃冷藏蒸發器過熱，制定改進方案，冷藏蒸發器更改方案如圖4（b）所示，將儲液器設置在距離冷藏蒸發器進口約2/3 處。按改進方案制作樣機，采用原型機同樣的能耗測試方法，同時在儲液器前、儲液器后布置熱電偶檢測耗電量情況下的制冷系統工況表現。

圖4 蒸發器方案

如圖5 改進方案耗電量測試運行曲線，以32 ℃能耗進行系統匹配，如圖5（a）壓縮機原型前段因系統平衡存在少段時間過熱，壓縮機運行后半段，儲液器前和儲液器后端蒸發溫度表現基本趨于一致，保證32 ℃冷藏蒸發器面積發揮最大化。反測16 ℃耗電量，如圖5（b）壓縮機整個運行階段保持過熱狀態運行，且冷藏最低溫度高于0 ℃，從而極大化利用16 ℃過熱緩解冷藏漏熱量小的問題。

圖5 改進方案耗電量測試運行曲線

其耗電量測試結果如表5，32 ℃在滿足4 ℃特性點溫度時，冷凍室溫度相比原型機提升約3.5 ℃，制冷系統平均蒸發溫度相應提高，提升了32 ℃環溫下制冷循環效率，此時16 ℃耗電量因冷藏溫度相對有一定降低，耗電量稍有升高約2 %，但滿足EN 62552-2020 測試標準對冷藏室儲藏溫度測試不能過零的要求。改進方案耗電量為0.593 kw.h/24 h，相比原型機耗電量0.656 kw.h/24 h降低了9.7 %。

表5 改進樣機耗電量測試結果

4 結論

本文通過研究直冷冰箱在歐盟標準中的政策優勢，選取現有兩門單循環直冷冰箱，從箱體漏熱量變化、制冷系統循環、換熱效率和制冷劑等方面在不同環境溫度下分布特性，研究單循環系統直冷冰箱匹配特性，獲取方案優化切入點，結合歐盟標準對能耗要求，依據高低環溫冷藏冷凍漏熱量變化特點，改進冷藏蒸發器結構和制冷系統匹配方案。結果表明：改進方案可提升制冷系統平均蒸發溫度，進而提升32 ℃環溫下制冷循環效率，同時16 ℃耗電量因冷藏溫度相對有一定降低，耗電量稍有升高，冷藏室儲藏溫度滿足測試要求，最終能耗可有效提升約9.7 %。