變頻冰箱性能影響因素的實驗研究*

王增杰，徐 鳴，黃躍進，顧江萍，沈 希

（浙江工業大學 機械工程學院，浙江 杭州 310014）

0 引 言

當前的冰箱市場上，直冷式單循冰箱占據了主要地位。而在單循環冰箱中，冷藏、冷凍蒸發器采用了串聯的連接方式，各室溫度則是通過壓縮機的開/停來控制的。由于冷藏室溫度的控制要求較嚴格，溫度控制器一般置于冷藏室內。相對于冷藏室，冷凍室溫度的控制主要是通過冷藏、冷凍蒸發器的面積匹配來實現的［1］。而冰箱冷藏、冷凍蒸發器的面積只能在特定的條件下進行匹配，當冰箱運行工況發生改變時，兩者之間的匹配關系也會發生變化。因此對于輸氣量確定的定頻壓縮機，研究者就很難去控制冷凍室的溫度。而隨著變頻壓縮機的出現，研究人員通過控制壓縮機轉速的變化來改變輸氣量，使冰箱溫度控制的性能得到了改善。但要使冰箱溫度控制設計得更加合理、冰箱能耗最少，研究人員還需對變頻制冷系統在不同的工作環境溫度下運行的特性進行深入的研究。

文獻［2］研究了環境溫濕度對制冷系統蒸發器熱負荷的影響；文獻［3］介紹了環境溫濕度對陳列柜制冷系統的運行特性影響并做了相關的研究；文獻［4］給出了不同環境溫度對直冷式冰箱結構設計進行了影響分析；文獻［5］對制冷壓縮機變轉速工況下進行了實驗研究；文獻［6］對變頻壓縮機的變工況運行的性能曲線進行了研究。

本研究參考以上文獻的研究實驗方法，以雙溫室的變頻冰箱為研究對象，在不同的環境溫度和壓縮機轉速等工況下，從冰箱制冷系統制冷量和熱負荷的關系角度來分析冰箱箱內溫度變化和能耗等特性，從而為變頻冰箱的控制策略研究提供一定參考。

1 變頻冰箱性能影響因素的分析

1.1 環境溫度對普通冰箱熱負荷影響

冰箱制冷系統的工作過程可以簡單描述為壓縮機產生制冷量去克服冰箱熱負荷的過程。冰箱制冷系統穩定工作后，制冷系統的熱負荷主要是箱體的漏熱量Q漏：

式中：K—箱體傳熱系數，F—箱體傳熱面積，t1—環境溫度，t2—箱內溫度。

當冰箱箱體設計完成后，K·F即確定，因此冰箱的熱負荷與環境溫度t1及箱內溫度t2有關。冰箱的熱負荷會隨著環境溫度的改變而不同，而且制冷系統的制冷量也隨著環境溫度不同而異，環境溫度和冰箱性能的簡單關系如圖1所示。當環境溫度發生變化時，冰箱內兩室的漏熱比也會發生改變［7］。以國際規定的溫帶型三星級冰箱為例：環境溫度t1取32℃、16℃和5℃。當t1為32℃時，冷藏室溫度tm為5℃；t1為16℃、5℃時，tm為0℃。冷凍室溫度均取-18℃，則不同環境溫度下兩室的漏熱量及漏熱比如表1所示。

圖1 環境溫度與冰箱性能關系圖

由表1可知，隨著環境溫度的降低，冷凍室與冷藏室的漏熱量比會增大，也就是冷凍室需要的相對制冷量會相應的增加。所以環境溫度低時很難達到冷凍室和冷藏室的溫度要求，如：環境溫度為16℃時，冷藏室溫度已達到0℃時，冷凍室溫度還未達到-18℃。

表1 各環境溫度下的冰箱溫室漏熱量及漏熱比

因此，當實際工作的環境溫度不同于設計的環境溫度時，會對冰箱制冷系統造成一定的影響：①引起冰箱制冷系統熱負荷的變化，使系統對制冷量的需求發生改變；②引起制冷系統的實際制冷能力的變化；③造成冰箱兩溫室漏熱比的變化，使兩室對冷量的需求發生改變，使兩室的溫度匹配發生改變。

1.2 變頻冰箱應對環境溫度影響的優勢

由熱負荷、制冷量與環境溫度三者的關系可知，制冷系統的熱負荷隨環境溫度增加而增加，系統的制冷量隨環境溫度增加而減小。為了能夠達到所需制冷溫度的要求，定速壓縮機制冷系統設計時一般要求制冷系統制冷量要比最大負荷略大一些。但在實際的工作中，系統處于最大負荷的工作時間只有10%～20%，在大多數的運轉時間內系統的制冷量都大于熱負荷［8］。當制冷量遠大于熱負荷時，箱內溫度下降就會變快，因此制冷系統的停開次數就會增多，這對制冷系統的能耗是不利的。

而變頻壓縮機可以通過改變轉速來調節輸氣量，產生不同的制冷量，制冷量與變頻壓縮機轉速成正比關系。因此，變頻冰箱可以很好地適應環境溫度，通過改變壓縮機轉速產生不同的制冷量來滿足冰箱熱負荷的變化，可以實現制冷系統的最佳能量匹配，使得能耗得到改善。

隨著變頻壓縮機產生制冷量的不同，冷藏與冷凍的蒸發器面積匹配關系會發生改變［9］。當壓縮機的輸氣量增大時，冷凍室與冷藏室相比，冷凍室得到的相對制冷量會增大。因此，本研究可以通過改變變頻壓縮機的轉速，也可以通過有效調節環境溫度因素對冷藏室和冷凍室相對冷量的影響，使冷藏室冷凍室的溫度匹配得到改善。

2 變頻冰箱性能影響的實驗分析

2.1 實驗條件與方法

該實驗的測試冰箱采用青島海信集團的變頻冰箱：該冰箱是直冷式單循環變頻冰箱，只設置冷藏室的溫度，它是“上冷藏室、下冷凍室”結構，其中冷藏室容量為111 L，冷凍室容量為75 L，制冷劑R600a，充注量50 g，變頻壓縮機的型號為C-BHV120LH。筆者通過一套冰箱測控系統對冰箱進行實驗分析，測試是在能設定各種環境溫度的環境實驗房里進行的，測控系統的原理如圖2所示。

圖2 測控系統原理圖

實驗方法：以冷藏室溫度為控制目標，改變變頻冰箱的工作環境溫度、壓縮機轉速等因素，通過記錄冷凍室的溫度和冰箱能耗等變化分析其對性能的影響。為了研究變頻冰箱的性能影響因素，本研究進行了8個工況的測試，實驗測試工況如表2所示。

表2 實驗測試工況

2.2 實驗結果及分析

2.2.1 不同環境溫度對制冷系統影響的分析

首先，本研究給定冷藏室溫度控制目標在4℃～8℃，壓縮機轉速為1 800 r/min工況時，在不同的環境溫度下（即工況1，2，3，4），冰箱冷凍室溫度變化曲線、壓縮機運轉情況和耗電量分別如圖3、表3所示。

由圖3和表3可知，當壓縮機工作在1 800 r/min時，隨著環境溫度的升高，冷凍室的平均溫度會相應下降。但環境溫度過高時，冷凍室平均溫度會上升，壓縮機的開停比例和耗電量會隨著環境溫度的上升而增加。

圖3 不同環境溫度下冰箱冷凍室溫度曲線

表3 不同環境溫度下冰箱制冷系統特性

由上一節的漏熱比分析可知，環境溫度低時，冷凍室需要的相對冷量要比環境溫度高時要多；當控制相同的冷藏室溫度，環境溫度低時，冷凍室得到的相對冷量就少。因此，冷凍室的平均溫度會相對較低。冰箱冷凍室熱負荷由環境溫度與冷凍室溫度差決定。當環境溫度較高時，隨著冷凍室溫度的下降，熱負荷會加大，壓縮機在1 800 r/min轉速工作時產生的制冷量難以滿足冰箱熱負荷的要求，冷凍室溫度就很難下降。因此，環境溫度過高將導致冷凍室下限溫度相對較高。

當以冷藏室溫度控制為目標且當壓縮機轉速一定時，壓縮機的制冷量與環境溫度呈非線性關系。壓縮機的制冷量隨著環境溫度的降低而增大，但當環境溫度下降到一定程度時制冷量又會下降。當環境溫度高時，熱負荷高且制冷量低，因此冰箱運行時間多；當環境溫度低時，雖然熱負荷很低，但壓縮機產生的制冷量也相對少，因此工作于16℃和20℃時的壓縮機運行時間的差值不是很大。

2.2.2 不同壓縮機轉速對制冷系統影響的分析

其次，本研究給定冷藏室溫度控制在4℃～8℃，環境溫度為25℃工況時，在不同的壓縮機轉速下，冰箱冷凍室溫度變化曲線（即工況3，5，6），壓縮機運轉情況和耗電量分別如圖4、表4所示。

圖4 不同壓縮機轉速下冰箱冷凍室溫度曲線

表4 不同轉速下冰箱制冷系統特性

由圖4和表4可知，當環境溫度相同時，隨著壓縮機轉速的升高，冷凍室平均溫度會相應下降，壓縮機運行的相對時間變小，耗電量增大。

變頻壓縮機工作于不同的工況下，會有不同的熱力學性能。文獻［11］已經對型號為C-BHV120LH的變頻壓縮機進行了熱力性能分析。制冷量與變頻壓縮機轉速成正比關系，壓縮機轉速越高則產生的制冷量越大，溫度下降越快。因此如果壓縮機以3 900 r/min工作時，冰箱單位周期運行的時間最短。而冰箱制冷系統的COP（Coefficient of Performance）在一定的工況下與變頻壓縮機的轉速呈非線性關系，當轉速為1 800 r/min時，COP最大。因此，當壓縮機以1 800 r/min工作時，冰箱日耗電量最省。

冰箱冷藏室和冷凍室得到的相對制冷量會隨著變頻壓縮機轉速的不同而改變。當壓縮機的輸氣量增大時，冷凍室與冷藏室相比，冷凍室得到的相對制冷量會增大。因此，控制相同的冷藏室溫度的情況下，冷凍室平均溫度會隨著壓縮機轉速的增大而相應降低。

2.2.3 不同冷藏控制溫度對制冷系統影響的分析

最后，本研究在給定壓縮機轉速為1 800 r/min，環境溫度為25℃時，設定不同的冷藏室溫度（即工況3，7，8），冰箱冷凍室溫度變化曲線、壓縮機運轉情況和耗電量分別如圖5、表5所示。

圖5 不同冷藏控制溫度下冰箱冷凍室的溫度曲線

表5 不同低溫熱源制冷系統特性

由圖5和表5可知，在相同環境溫度和壓縮機轉速下，隨著冷藏室目標控制溫度的下降，冷凍室的平均溫度也相應下降，壓縮機的運行時間也相應的增加，耗電量也相應增大。

當冷藏室目標控制溫度下降時，冷藏室的漏熱量會相應增大，根據漏熱比分析，冷凍室的漏熱量也會增大，因此，冷凍室溫度會相應降低。當以冷藏室溫度控制為目標時，壓縮機的運行時間由制冷量和冷藏室熱負荷決定。當冷藏室目標控制溫度降低時，漏熱量相應增大，即熱負荷增大；而在相同環境溫度和轉速下產生的制冷量相同，因此壓縮機的運行時間會相應增多，能耗也會增多。

3 結束語

本研究對變頻冰箱在不同工作環境下的性能進行了實驗研究，并對實驗測得的數據進行了分析。冰箱的熱負荷會隨著環境溫度的不同而改變，其冷藏室和冷凍室的溫度匹配關系也會發生變化。在冰箱控制策略的設計中應充分考慮環境溫度的變化。研究者可以通過低溫熱源補償和改變壓縮機的制冷量的方法，來實現冰箱冷藏室冷凍室的匹配控制。根據熱負荷來改變壓縮機制冷量，可以實現能量的最佳匹配，實現溫度準確控制和節能的目的。

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