風冷冰箱節能、環保和保鮮關鍵技術淺析（一）

劉建如 黃東 喬琳 趙日晶

1.海爾智家股份有限公司 山東青島 266000；2.西安交通大學制冷與低溫工程系 陜西西安 710049

1 風冷冰箱與壓縮機一體化設計開發

冰箱的能耗部件主要是壓縮機，占比超過85%，其余是兩器的風機以及除霜、防凝露和風門防凍結電加熱器的功率。室內環溫、箱內溫度決定了冰箱系統的冷凝溫度（壓力）和蒸發溫度（壓力），進而決定了變頻壓縮機的能耗，其中箱內冷藏室、冷凍室的設定溫度比較穩定，因此室內環溫是影響壓縮機功率的關鍵因素。

目前國家標準要求注明冰箱的年耗電量，先得到典型室內環溫的耗電量，再根據室內環溫的全年天數占比進行加權計算，最終得到年耗電量。國家標準對室內環溫和全年天數占比有明確規定：室內環溫32℃和16℃，分別為173天和192天，可見天數占比基本相當，但室內環溫32℃時對應的冷凝溫度高，壓縮機功率大，對全年耗電量的影響也最為顯著。

冰箱24小時日耗電量計算時，對冰箱運行狀態的要求：（1）冰箱啟停周期穩定且具重復性；（2）冷藏室、冷凍室的平均溫度達到國標要求的設定值；（3）箱溫的波動幅度在允許范圍內。冰箱的開停周期可重復，則分析單周期的性能曲線及其特點，即可找出影響日耗電量權重較大的關鍵因素。

在啟停單周期內，壓縮機的功率和COP會隨冷凝溫度、蒸發溫度而變化，而冰箱不同運行狀態的冷凝溫度、蒸發溫度不同，如圖1所示，給冷藏室供冷比給冷凍室供冷時的蒸發溫度要高，制冷劑流量較大，功率也較大，且功率的差別明顯。冰箱不同運行狀態時，功率存在差別。現給出一個思路，可從冰箱不同運行狀態對耗電量的影響權重出發，倒推出對壓縮機性能的要求，從冰箱系統角度提出對壓縮機單體的參數要求，促進冰箱和壓縮機單體的一體化研發，是降低冰箱能耗的有效途徑。

影響壓縮機性能的參數主要是冷凝溫度、蒸發溫度和轉速。如圖2所示，當轉速一定時，壓縮機的COP與冷凝溫度、蒸發溫度的關系是非線性關系。同時，如圖3所示，當冷凝溫度和蒸發溫度一定時，制冷量和功率隨轉速呈現近似線性關系，但COP卻先快速上升后快速下降，存在最大值，該最大值與壓縮機電機效率的最高點密切相關。可見，壓縮機電機效率最高點對應冷凝溫度、蒸發溫度和轉速等參數范圍，對壓縮機功率起著至關重要的作用。

綜上所述，風冷冰箱壓縮機與冰箱一體化設計開發，是從冰箱啟停性能曲線出發，確定影響耗電量權重較大的冰箱運行工況及其時間占比，提出對壓縮機的設計要求和關鍵參數，尤其是確定壓縮機電機效率最高點所對應的冷凝溫度、蒸發溫度和轉速，進而有效降低冰箱的耗電量。當然，這種開發思路，還需驗證冰箱極端工況的可靠性，兼顧性能的高效和極端工況的可靠性。

2 冷凝器/壓縮機散熱串接和氣流組織

2.1 風冷冷凝器型式和冷卻空氣偏流現象

大容量冰箱多使用風冷冷凝器，為提高散熱性能和降低耗電量，其型式也更趨多樣和高效。如圖4所示，有絲管鼠籠、圓管繞片、翅片管、微通道等多種型式，其中絲管鼠籠、圓管繞片式技術成熟，成本低，使用較為普及；微通道冷凝器成本高，但因其換熱效率高、單熱流密度大、體積小等優點，使用普及率不斷增大；翅片管換熱器，在空調器中已普遍使用，但因冰箱空間和布置受限，難以實現翅片管換熱器、風機、氣流組織的良好匹配，在冰箱中使用較少，目前的使用率不高。

冰箱因結構和布置限制，冷凝器冷卻空氣的氣流組織有其復雜性：（1）冷卻空氣的進、出風格柵都位于冰箱后背板上，如圖5所示，冷凝器偏置于進、出風格柵的同一側，易導致冷卻空氣如圖6所示的偏流現象，即靠近進風格柵側的冷卻空氣速度大，而遠離側的速度小，降低冷凝器的散熱效率，增大冷凝器面積裕度；（2）冰箱底板會設置進、出風口，以改善后冷凝器冷卻空氣的偏流現象，但冷凝器與底板之間還有接水盤，因接水盤遮擋，底板設置進風格柵的區域很受限，改善偏流現象的程度有限；（3）干燥過濾器通常置于壓縮機艙內，因該處的溫度較高，應盡量避免干燥過濾器被加熱，減小過冷度；（4）風機四周應封閉嚴實，防止在進、出風壓差的驅動下而產生空氣倒流或短路現象。

圖1 冷藏和冷凍雙蒸發器冰箱的運行曲線

圖2 某變頻壓縮機性能隨冷凝溫度和蒸發溫度的變化

2.2 冷凝器冷卻空氣偏流改善

冰箱冷凝器的冷卻空氣偏流，因結構限制很難消除，但可以采取措施改善[1]。如圖7所示，對于絲管鼠籠式冷凝器，偏流原因及改善如下：（1）絲管鼠籠式冷凝器與后背板之間無遮擋，是自由流動通道，阻力小，氣流易從此處經過而不通過冷凝器，則在靠近風機端增設外擋圈，使氣流只能途經冷凝器才能進入風機，可增大冷凝器的有效空氣流量；（2）絲管鼠籠式冷凝器的芯部中空，阻力很小，該處的氣流也不能有效冷卻冷凝器，可在芯部遠離風機端設置芯部堵塊，阻擋不經冷凝器絲管就到達芯部的氣流；（3）因冷凝器遠離后背板進風格柵部分的風速小，可加強該側底板的進風格柵面積，使冷凝器兩側的進風更趨均勻。

圖3 某變頻壓縮機性能隨轉速的變化（T0=-23.3℃，TK=54.4℃）

圖4 風冷冷凝器的幾種型式

2.3 冷凝器/壓縮機的串接散熱

壓縮機殼體散熱降溫，有利于提高效率，降低功率。冰箱多采用活塞式壓縮機，是吸氣冷卻電機，提高了吸氣過熱度，減小吸氣密度和流量。為提高壓縮機COP，趨向于部分吸氣直接進入壓縮機而不再冷卻電機，而壓縮機殼體的自然對流冷卻可能并不充分，尤其是變頻壓縮機高頻運行發熱量較大時。風機出口風速較大，直吹壓縮機殼體，有利于充分冷卻壓縮機，降低壓縮機的功率。

冰箱冷凝器和壓縮機之間是串接散熱，即冷卻空氣流經的先后次序不同。如圖5、圖6所示，冷卻空氣從后背板格柵進入，先帶走冷凝器的熱量，經風機再吹向壓縮機，冷卻壓縮機殼體，即先冷卻冷凝器，再冷卻壓縮機，二者有先后次序，是串接散熱。

2.4 風冷冷凝器的嵌裝散熱

近幾年裝修市場把冰箱嵌入櫥柜內以節省空間，冰箱與櫥柜的間隙比較小，對側面內藏式、底置風冷冷凝器、壓縮機的散熱都帶來了巨大的挑戰；同時，冰箱自由或嵌入式安裝的不確定性，也需要考慮兩種安裝方式的兼顧。

嵌裝后，冷凝器和壓縮機的冷卻空氣進、出風路徑和風機流量都會受到影響[2-4]。非嵌裝的冰箱，內藏式冷凝器位于冰箱側面板中，冰箱側面需要與墻壁至少保持100mm以上的間隙，才能保證其正常的通風和散熱；若采用風冷冷凝器，常置于底部，進、出風格柵位于后背板上，如圖5、圖6所示，此時冰箱后背板也需離墻100mm以上，利于通風和散熱。但嵌裝后，櫥柜和冰箱側面、背面的間隙都很小，很難滿足側面、背面保持100mm間隙的通風和散熱要求，這是冰箱嵌裝后需要解決的主要問題。

影響嵌裝后冷凝器和壓縮機散熱的一個主要因素，是調整冷卻空氣進、出風格柵的位置。冷卻空氣的進、出口布置，是最先需要解決的問題，因冰箱背板、側板與櫥柜的間隙會很小，后背板布置進、出風格柵不再適宜，必須進行調整和改造。在嵌裝后，冰箱的側板、背板與櫥柜的間隙小，但其頂板、底板間隙的調整自由度會稍微靈活一點。因此，在冰箱底板或頂板布置進、出風格柵是一個選項，冷卻空氣可以從正面流入，從底板或頂板與櫥柜的間隙進入、流出，同時為防止進、出空氣之間的短路和竄熱，還需要采取措施將進、出風分隔開。如圖8所示，是底板布置進、出風格柵后冷卻空氣的溫度場圖，其中壓縮機頂部的氣流較少，會弱化散熱。冰箱底板間隙，冰箱廠家還可以通過調整滾輪進行調控；頂板間隙，可以作為熱空氣排放通道。

影響嵌裝后冷凝器和壓縮機散熱的另一個主要因素，是嵌裝后冷卻空氣的流量要足夠。嵌裝后，因空氣流動路徑更加曲折，增大了風阻，減小了風機流量，對冷凝器和壓縮機的串接散熱帶來挑戰，此時需要仔細核算風阻，優化風機性能，改善風機流量隨阻力衰減性能。

3 結論

（1）根據冰箱運行工況及其時間占比，確定對能耗影響較大工況的冷凝溫度、蒸發溫度和轉速范圍，優化電機高效率運行點，實現冰箱與壓縮機一體化設計。

（2）風冷冷凝器的不同型式，風道和風機布置方式不同，但都不同程度存在冷卻空氣偏流現象，這是制約冷凝器散熱性能提高的關鍵因素，改善冷卻空氣偏流的措施，需結合冷凝器型式布局特點。

（3）冷凝器和壓縮機都需要散熱，冷卻空氣先流經冷凝器后經壓縮機，二者屬于串接散熱。壓縮機冷卻充分，有利于提高壓縮機單體的能效。

（4）冰箱嵌裝入櫥柜，給冷凝器和壓縮機散熱帶來了巨大挑戰，首先需要解決嵌裝下的進、出風格柵位置優化，其次還需要考慮嵌裝下風機流量衰減問題。

圖6 風冷冷凝器的冷卻空氣偏流圖

圖7 絲管鼠籠式冷凝器的冷卻氣流組織改善

圖8 冰箱嵌裝底部進/出風布置時冷凝器和壓縮機艙溫度場