對開門風冷冰箱化霜及恢復期耗電量增量降低方法研究

余濤 劉全義 李清松

長虹美菱股份有限公司 安徽合肥 230601

0 引言

風冷冰箱制冷過程中，箱內空氣中的水分在蒸發器表面析出并被凍結成霜或冰，隨著霜或冰的增加，蒸發器熱阻增大，換熱效率降低[1-2]，同時空氣流過蒸發器表面的通道減小，冰箱制冷循環風量減小，冰箱制冷能力逐步變差，甚至不制冷，所以風冷冰箱需要周期性除掉蒸發器表面累積的霜和冰，維持冰箱正常制冷功能。

根據GB/T 8059-2016《家用和類似用途制冷器具》[3]標準，風冷冰箱耗電量包含穩態耗電量和化霜及恢復期耗電量增量，電冰箱化霜及恢復期耗電量增量是指無霜電冰箱由于化霜及恢復期產生的額外的電能消耗，化霜及恢復期能耗增量越大，風冷冰箱能耗越大。

風冷冰箱主要采用電加熱方式對翅片蒸發器進行除霜，化霜加熱器通過熱輻射、導熱和自然對流復合傳熱方式對蒸發器進行加熱除霜。有文獻研究得出，除霜加熱器所發出的熱量僅有15%～20%被有效利用[4]，剩余的熱量被結構部件、制冷劑和箱內冷空氣吸收。低效率除霜，不僅使除霜能耗增大，同時溫度升高，再次開機后的運行能耗增加，最終增加冰箱能耗。

目前，風冷冰箱降低化霜增量的方法主要集中在高效除霜階段，李智強、趙丹[5]等通過將回風道出口的風量分布與除霜加熱器除霜熱量分布相匹配，可使蒸發器上的結霜分布與除霜加熱器除霜熱量分布一致，進而可實現蒸發器上霜層均勻融化，達到優化除霜的目的。孫好雷、盛偉[6]等通過改進化霜策略、采用整體翅片提升化霜效率，合理控制化霜溫度，減少無用能耗，使冰箱化霜期間的能耗降低5%。

根據不同類型的風冷冰箱能耗試驗測試結果，化霜及恢復期能耗占比約8%～15%。由于單系統風冷冰箱共用一個蒸發器，蒸發器結霜速度最快，化霜及恢復期能耗占比最大。如本文研究對象為單系統對開門風冷冰箱BCD-540W，根據載體冰箱實際耗電量測試結果，化霜及恢復期能耗0.118 kW?h/24 h，標準耗電量0.8018 kW?h/24 h，原狀態化霜及恢復期能耗占比高達14.7%。本文通過對研究載體化霜及恢復期耗電量增量的影響因素研究分析，探索降低化霜及恢復期耗電量增量方法，從而實現降低風冷冰箱耗電量。

1 風冷冰箱化霜增量影響因素

1.1 風冷冰箱除霜進程

處于制冷循環的風冷冰箱，當觸發除霜設置條件時，冰箱啟動除霜程序，此時壓縮機停止工作，風扇關閉，啟動化霜加熱器，當蒸發器表面霜或冰完全融化后，關閉化霜加熱器，進入蒸發器滴水時間，滴水完成，壓縮機啟動，冰箱再次進入制冷循環。

1.2 風冷冰箱化霜及恢復期耗電量增量影響因素

因執行除霜程序，風冷冰箱一段時間內處于非制冷狀態，箱內溫度逐步回升，同時因化霜加熱器部分熱量通過風道導熱和對流方式傳遞至箱內，加劇箱內溫度回升。通常除霜周期結束，冷凍室內最高溫度回升至0℃以上，當冰箱再次制冷時需要消耗額外的制冷量使箱內溫度恢復至穩定狀態溫度。

通過研究風冷冰箱除霜過程可知，影響化霜和恢復期耗電量增量因素包括箱體保溫能力、風道保溫能力、化霜加熱器效率、蒸發器除霜效率、壓縮機和風機轉速控制、電動風門開關控制等。本文以某款大容積對開門單系統風冷冰箱BCD-540W為載體，以產品易實現、改動小等角度出發，從化霜加熱器工作效率、化霜加熱器退出溫度、化霜及恢復期壓縮機、制冷風機、電動風門等方面進行控制策略優化設計，并通過試驗驗證其優化效果。

2 降低風冷冰箱化霜增量的優化設計案例

2.1 化霜加熱器設計

風冷冰箱BCD-540W化霜加熱器采用鋼管材質，化霜加熱器布置在蒸發器最下端，如圖1所示。通過對風冷冰箱化霜過程蒸發器表面溫度監測可知，蒸發器除霜過程為“從下到上”逐步除霜方式。從熱量傳遞過程來看，蒸發器下部以熱輻射傳熱為主，除霜迅速，蒸發器中、上部以熱空氣對流傳熱途徑為主，最上部蒸發器溫度回升最慢。在風冷冰箱除霜后期，隨著蒸發器表面霜層逐漸融化，空氣流動阻力逐漸減小，自然對流加劇，箱內溫度迅速升高。

圖1 蒸發器與加熱器安裝方式

BCD-540W改進前的化霜加熱器大部分管路與蒸發器距離較遠，加熱效率較低，改進前化霜加熱器結構如圖2所示。針對該蒸發器倉布局方式，優化設計思路為在保證化霜接水盤和冷藏回風口除霜徹底的前提下，加熱器管路集中靠近蒸發器，提高加熱器熱量利用率，改進后化霜加熱器結構如圖3所示。同時把加熱器功率由原狀態242 W調整為201 W（201 W為常用的加熱器功率），驗證其改進效果。

圖2 改進前化霜加熱器結構

圖3 改進后化霜加熱器結構

如表1所示，以相同控制邏輯，分別設置242 W和201 W加熱器功率，改進后化霜加熱器工作時間同比縮短，化霜增量分別降低8.94%和10.23%。

表1 相同規則下加熱器改進前、后化霜增量對比數據

2.2 化霜及恢復期控制策略優化

如圖4所示，本文根據風冷冰箱化霜過程，把化霜及恢復期完整階段分解成若干個進程，并針對每個進程進行優化控制。

圖4 風冷冰箱化霜進程示意圖

化霜進程一，化霜前蒸發器預熱階段。

當風冷冰箱觸發化霜程序，壓縮機停止工作，冷凍風扇維持運行狀態，同時冷藏風門維持開啟狀態，待冷凍風扇運行3～4分鐘后關閉，同時關閉冷藏風門，打開化霜加熱器。確保在化霜加熱打開之前，利用蒸發器多余制冷量用于冷藏室制冷，并且蒸發器表面溫度一般可回升至-15～-13℃，提升蒸發器表面溫度，減少化霜加熱器工作時間。

化霜進程二，設定合理的化霜退出溫度。

為保證風冷冰箱蒸發器倉除霜干凈、無死角，通常在蒸發器最難除霜的位置設置化霜溫度傳感器，一般化霜退出溫度設定為8～12℃，通過設定退出溫度富余值來保證蒸發器除霜徹底。這種方式雖然能在一定程度上避免除霜不徹底的問題，但必然帶來多余能量消耗，增大冰箱耗電量。在35℃/85%濕度、連續開關門的惡劣測試工況下，通過監控蒸發器表面溫度和化霜結束拆開冷凍風道雙重手段，組合判斷蒸發器及周圍除霜狀況。通過多次的試驗驗證，化霜退出溫度設定為1～2℃可以保證蒸發器倉除霜干凈，同時減少能量浪費。

化霜進程三，滴水流程設置。

為保證風冷冰箱翅片蒸發器表面化霜水有足夠的時間流到箱體外部的接水盤，通常在化霜加熱器關閉后，所有負載停止工作并維持8～10分鐘，即為滴水時間。因鋼管加熱器與翅片蒸發器組合傳熱特性，蒸發器“從下到上”逐步除霜，蒸發器最上部溫度回升最慢。由于翅片與翅片之間搭建成“水橋”效應，蒸發器表面“積水”較多，化霜后期大部分蒸發器表面溫度早已高于0℃，化霜水已經基本排到箱外，在滴水過程中只有少量化霜水排出。因此，滴水時間設置在2～3分鐘，既能保證化霜水全部排出，也可以減少蒸發倉內的熱量進入到間室內部，減小間室內溫升。

化霜進程四，滴水結束，冰箱再次進入制冷狀態。

化霜結束后，壓縮機啟動，此時的蒸發器倉的部件、制冷劑和空氣等溫度很高，不適合立即啟動冷凍風扇，待壓縮機運行4～5分鐘，蒸發器倉溫度下降至一定溫度后再啟動冷凍風扇，能夠有效減少蒸發器倉內的熱空氣對冷凍間室溫度沖擊，降低恢復期能耗。

化霜進程五，化霜后首個制冷周期壓縮機轉速控制。

從化霜結束冰箱開始制冷到冰箱達到穩定運行狀態稱為化霜恢復期。由于化霜過程冷凍間室處于非制冷狀態，且化霜加熱器熱量進入冷凍間室，導致冷凍室內溫度回升過高，甚至達到0℃以上，需要通過消耗額外制冷量使冷凍室溫度重新達到穩定狀態。

在國家標準實驗室，按照32℃/50%濕度測試工況，BCD-540W化霜周期設定為固定60小時，其他測試條件保持一致，在化霜恢復期分別設定不同的壓縮機運行轉速，驗證化霜恢復期能耗增量。如表2所示，化霜恢復期壓縮機轉速越高，化霜增量越大，當化霜恢復期壓縮機運行轉速設置為穩定時壓縮機運行轉速，化霜增量最小。

表2 化霜恢復期壓縮機不同運行轉速的化霜增量數據

3 測試方案及驗證結果

3.1 試驗方案簡介

（1）試驗條件

試驗環境溫度：16℃和32℃；試驗環境濕度：50%；化霜加熱器功率：200 W。

（2）試驗方案

冰箱穩定運行后，每60小時進行一次除霜，化霜前蒸發器預熱階段壓縮機停機，冷藏風門打開，冷凍風扇運行3分鐘，化霜退出溫度設置2℃，滴水流程設置3分鐘，滴水流程結束風扇啟動，壓縮機延遲4分鐘啟動，并按照穩定轉速運行。

3.2 驗證結果

本文以單循環對開門BCD-540W為驗證載體，載體改進前、后化霜及恢復期耗電量增量對比數據如表3所示，數據描述的原狀態為驗證載體批量生產未作任何技術更改的狀態，數據描述的優化后狀態為本文2.1小節所述化霜加熱器結構和化霜功率更改以及3.1小節所述的試驗方案。通過一系列的優化方案實施，按照耗電量計算方式，環境溫度32℃和16℃分別為173天和192天計算，BCD-540W化霜增量降低43.30%，標準耗電量降低6.40%。

表3 相同載體改進前、后化霜及恢復期耗電量增量對比數據

4 結論

綜上所述，本文對風冷冰箱化霜及恢復期影響因素分析及優化設計，得到如下結論：

（1）通過研究風冷冰箱除霜過程可知，影響化霜和恢復期耗電量增量因素包括箱體保溫能力、風道保溫能力、化霜加熱器效率、蒸發器除霜效率、壓縮機和風機轉速控制、電動風門開關控制等；

（2）通過將化霜加熱器管路集中靠近蒸發器優化設計，提高加熱器熱量利用率，根據試驗可知，加熱器功率分別設置242 W和201 W，化霜增量分別降低8.94%和10.23%；

（3）本文從產品易實現、改動小等角度出發，從化霜加熱器工作效率、化霜加熱器退出溫度、化霜及恢復期壓縮機、制冷風機、電動風門等方面進行控制策略優化設計，由試驗可知：化霜加熱器打開前蒸發器預熱時間3～4分鐘，可使蒸發器表面溫度提升至-15～-13℃，減少化霜加熱器工作時間；化霜退出溫度設置1～2℃，滴水時間設置在2～3分鐘，化霜恢復期壓縮機運行轉速設置為化霜前穩定運行轉速，使風冷冰箱的化霜及恢復期耗電量增量降低43.30%，標準耗電量降低6.40%，為風冷冰箱提供一種通用的節能手段。