风冷冰箱风机变频最佳耦合技术研究

陈开松 刘全义 马长州

（长虹美菱股份有限公司 合肥 230601）

前言

20年前，冰箱属于家电中的奢侈品，当时的整机容积也就两三百升，常规为两门直冷冰箱，主要为冷藏与冷冻温区。随着冰箱技术的不断进步，冰箱逐渐从两门过渡到三门，再到十字对开四门、对开门与法式五门主要结构类型，容积从两三百升逐渐提升至四五百升，再大的可以达到七八百升。冰箱容积大，负荷也会随之增加，整机耗电量也增加很多。为了使大容积风冷冰箱的具有较低的整机能耗，制冷系统主要从单系统到双系统，再到三系统设计，可以满足多间室冷藏、冷冻以及变温功能需求。

从节能角度出发，中国以及世界各国对冰箱整机能效要求每过几年都要进行修订，随着修订的逐步推荐，对大容积风冷冰箱整机能耗要求越来越严格，节能设计逐步成为各冰箱厂家重点工作之一。

若仅从技术方案角度出发，节能技术方案还是比较多的，但是考虑到冰箱整机的性价比以及市场竞争力，需要寻求性价比最优的技术方案，故超高性价比的冰箱节能技术研究是一项任重道远的持续工作。

1 具体方案

以一款十字对开门风冷冰箱为研究载体，具备四款风机与一款变频压缩机，外置冷凝器等，通过四款风机不同档位的匹配设计[1]，确保整机稳态能耗最佳，输出最佳风机耦合技术方案。

1.1 冰箱载体配置

该款冰箱载体为十字对开门风冷冰箱，具体设计方案如下：

1）冰箱结构：

该款冰箱载体由四个门组成，左右对称设计，见图1，上面两个门组成冷藏间室的门体，下面的左下门体为冷冻间室门体，右下门体为变温间室门体，故该冰箱载体具有冷藏室、变温室与冷冻室组成。

2）冰箱制冷系统选型：

为满足以上三间室制冷设计需求，采用三循环制冷系统设计，具体冰箱制冷系统原理图见图2所示。

从该制冷系统图中可知，该种三循环制冷系统为串并联设计，每一个制冷间室均具有可以单独制冷的毛细管，冷藏蒸发器、变温蒸发器分别与冷冻蒸发器串联，且冷藏蒸发器与变温蒸发器为并联状态，实现三循环制冷系统串并联的设计要求。

3）风道系统设计：

风冷冰箱最大的特色就是每一个间室都具有满足送风设计要求的制冷风道。该款十字对开门风冷冰箱冷藏间室、冷冻间室与变温间室内均具有独立的制冷风道，确保满足各自送达的设计要求。

4）风机选型设计：

该款冰箱载体中，每一个制冷间室内的制冷风道中均具有一个制冷风机。

通常条件下，冷藏制冷风机为离心制冷风机，见图3（a），直径为110 mm左右，档位为12档设计，额定转速为1 800 RPM。冷冻间室与变温间室用制冷风机也为离心制冷风机，见图3（b），直径为120 mm左右，档位为12档设计，额定转速为1 800 RPM。冷凝风机为轴流风机，见图3（c），直径为150 mm左右，档位为12档设计，额定转速为1 200 RPM，该种风机置于冰箱压缩机舱室内，与冰箱用外置冷凝模块（冷凝器为微通道结构）组合设计，确保满足冷凝器散热设计要求。

5）其他方面：

该款冰箱载体的冷藏温区为0～8 ℃、变温温区为-20～0 ℃、冷冻温区为-16～-24 ℃。能耗测试时，在32 ℃与16 ℃两种环温下分别进行测试对比验证。冷藏平均温度在4 ℃以下，变温平均温 ℃在-6 ℃以下，冷冻平均温度在-18 ℃以下。

冰箱在能耗测试时，冰箱后背板与测试台位背板之间的间距为50 mm。

图1 冰箱整机外观图

图2 制冷系统原理图

其他方面要求根据GB 12021.2-2015严格执行。

1.2 能效测试下的风机档位设置

实际使用过程中，冷藏风机、变温风机、冷冻风机以及冷凝风机的档位均为12档，不同档位代表着不同的风机档位，档位越高档位越大，1档档位最低，12档档位最大。

以冷冻风机为例，不同档位对应的风机档位见图4。

以上风机的不同档位控制是独立的，档位任意设定，常规冰箱均使用最高档位，确保冰箱制冷系统换热速度快，换热性能优。但研究发现，所有风机档位的耦合控制不是越大越好，中间档位的不同组合设计可以实现降能耗的设计要求。

2 试验结果分析

2.1 不同风机档位耦合的能耗结果

该冰箱载体具有四款风机，其中三款为制冷风机，一款为冷凝风机。冷藏风机与变温及冷冻风机尺寸不同，相同档位对应的档位也不同，相应数据可以参照以上描述。

不同风机、不同档位的耦合，整机能耗测试结果见图5、图6。对表中的数据分析如下：

图4 冷冻风机不同档位对应的档位

图5 16 ℃环温下冰箱用变频风机同档位耦合性能结果

1）参见图5，16 ℃环温下，因为环温偏低，实际冰箱载体的热负荷较低，风机档位从最大档位直接同步降低测试验证，从12档降至9档，冰箱整机能耗同步降低，主要是风机低档位功耗降低起主导作用引起的。

针对单冷凝风机而言，随着冷凝风机档位的降低，能耗先降低，待档位6档时，整机稳态能耗最佳，风机档位再降低时，能耗开始升高，说明制冷系统循环效率降低更快，超过了冷凝风机档位降低而降低的功耗。

针对冷藏风机而言，冷藏风机主要是应用于冷藏间室大容积中，容积三四百升，因冷藏温区温度为0～8 ℃，16 ℃环温下，所需风机实际运行时间较短，随着档位的逐渐增加，能耗有降低，但是不是很明显，从对比测试结果来看，5档性能最优。

针对变温风机而言，变温风机应用于变温间室中，能耗温区为-6 ℃以下，16 ℃环温下，从对比测试结果来看，5档性能最优。

针对变冷冻风机而言，冷冻风机应用于变温间室中，能耗温区为-18 ℃以下，16 ℃环温下，从对比测试结果来看，6档性能最优。

从最高档位到最优档位，整机稳态能耗从0.422 kWh/24 h降低至 0.404 kWh/24 h，降低比率约4 %。

2）参见图6，32 ℃环温下，因为环温偏低，实际冰箱载体的热负荷较高，风机需要较高档位运行才可以达到较佳的整机性能。

从最高档位到最优档位，整机稳态能档位降低方案与16 ℃环温类似，从数据中可知，冷藏风机、变温风机、冷冻风机与冷冻风机档位分别为8档、6档、6档与9档时，整机稳态能耗最佳。能耗从1.074 kWh/24 h降低至 1.033 kWh/24 h，降低比率约3.5 %。

综合而言，根据16 ℃与32 ℃环温下的冰箱载体的稳态能耗对比结果，通过几款风机不同档位的耦合，可以实现两种环温下的最佳能耗验证结果，达到节能的设计目标。

同时，通过控制逻辑的修改，整机不增本，整机性价比更优，故变频风冷冰箱针对不同的冰箱配置寻找出最佳的风机档位，实现最优的能耗设计是节能的一个重要方案。

图6 32 ℃环温下冰箱用变频风机同档位耦合性能结果

2.2 风机耦合设计原则

从以上测试与分析结果来看，风机不同档位的耦合设计可以降低带有变频风机的风冷冰箱的整机能耗，但风机不同档位的控制参数不是固定的，不同的风冷数量，规格也不尽相同，需根据实际使用状态匹配优化得到。从用户声品质角度出发，噪音要求尽可能低些，可以更好地满足用户的实际使用需求，故提几点变频风机耦合设计的原则：

1）冰箱用风机转速适中选配原则：既不用最高档位，也不用最低档位。32 ℃环温下，冷凝风机采用9～10档为最佳，冷藏风机采用8～9档位最佳，冷冻与变温风机采用6～7档位最佳。16 ℃环温下，冷凝风机采用6～7档为最佳，冷藏风机采用5～6档位最佳，冷冻与变温风机采用6～7档位最佳。

2）为实现以上的风机低档位设计，制冷系统需要做相应的匹配设计。与冷凝风机配套使用的冷凝器换热面积尽可能设计大些，冷凝风机低档位运行时，整机的散热效果不影响制冷循环效率。三款制冷风机与对应的蒸发器匹配设计，蒸发器面积在有限的空间中也尽量设计大一些，确保风机低档位运行的可靠性。

3）与对应风机运行的风道设计也是设计的一个重要方面，实际设计时，要充分考虑对应风机用于的对应空间，进行高效风道结构设计，要求风阻尽可能小，几乎无涡流等不足之处，放置出现风循环短路设计。

3 结论

依托十字对开门三循环制冷系统的大容积风冷冰箱，通过调整四款变频风机的不同档位，实现冰箱整机在两种环温下均达到最佳能耗设计要求。同时，风机控制逻辑设计不需要增加成本，综合而言，风冷冰箱风机变频最佳耦合技术是一种性价比左右的设计方案，为确保此种方案的可行性，实际设计需综合考虑制冷系统制冷部件与风道结构设计，确保整机性能更佳。