直冷冰箱节能技术研究

崔培培 邓萍萍 马长州

（长虹美菱股份有限公司 合肥 230601）

引言

节能是冰箱各厂商永恒持续追求的目标。随着欧盟ERP 能效法规EU 2019/2016 和欧盟测试标准EN 62552-2020 相继发布及实施，欧盟对进入欧洲市场的家电产能效要求大幅提升。尤其近一年俄乌战争的持续造成的欧洲的能源短缺，进一步推进了欧盟市场对家电产品高能效要求落地实施的步伐，见表1。

1 标准分析

欧盟测试标准EN 62552-2020 中能耗测试需要在16 ℃和32 ℃两种环境温度下分别测试，获得稳定耗电量E16，E32，计算能效指数EEI：

式中，新欧盟能效指令计算能效指数影响参数：

C—combi 系数（冷冻室容积占比）；

D—多门修正系数；

L—load 系数，3 星，4 星制冷器具L=0.9，其他制冷器具L=1；

c—间室类型；

n—间室序号；

Ac—化霜方式；

Bc—嵌入式系数；

Mc，Nc—间室类型系数；

V—容积；

rc—间室系数；

Eaux.—温度控制的防凝露加热设备能耗。

对应现行国标实施标准GB 12021.2-2015 能效等级指数ηs：

其中：

Fc—常数，无霜制冷器具强制对流的间室等于1.5，其他类型间室等于1.0。

对比国标GB 12021.2-2015 能效等级限定值计算方法和欧盟EU 2019/2016 能效等级计算方法，欧盟EU 2019/2016 能效等级计算方法中Ac自动化霜系数仅为1.1，国标GB 12021.2-2015 自动化霜系数则为1.5，非自动除霜系数均为1.0，相对风冷，新欧标能效指令对直冷冰箱更为有利。因此从标准政策指向看，相比国内市场，预测未来直冷冰箱在欧洲市场占比仍旧会较高。

国标GB 12021.2-2015 自2015年发布已实施多年，但因其标准导向对采用直冷制冷系统的冰箱极为不利，2015年～2021年期间冰箱各厂商对直冷冰箱在16 ℃和32 ℃两种环境温度下的标准耗电量提升研究较少。2020年，欧盟EN62552-2020 能耗测试标准及能效指令EU 2019/2016 发布后，因标准导向对直冷冰箱无不利因素，欧洲市场直冷冰箱仍占据较高市场比例，其ERP指令对进入欧洲市场准入级门槛逐年提升，2024年3月之后，新入市欧洲市场的产品能效等级门槛提升至E 级，因此仍有必要对直冷冰箱在新欧标实施后进行优化改进，寻求直冷两门冰箱节能方案。

本文针对上述问题，选取冷藏冷冻两门冰箱，通过箱体冷藏冷冻漏热量、制冷系统循环、换热效率和制冷剂分布等方面在高低环境温度下表现特性分析，优化制冷系统换热器与制冷分配，制定能耗优化方案，并验证整机主要制冷性能，获得提升直冷单循环系统能效的优化方案。

2 原型机测试与分析

2.1 原型机样机选择

本次研究选择样机型号BCD-260 两门直冷单循环制冷系统冰箱，温度控制安装在冷藏室，由冷藏蒸室温度进行控制压缩机开停，原型机基本参数见表2，其间室及结构分布如图1 所示。

图1 原型机冰箱间室及结构分布示意图

表2 原型机样机参数

2.2 耗电量试验

根据EN 62552-2020 欧盟家用制冷器具特性试验测试方法对原型机冰箱在两种环境条件下分别测试，冰箱试验台位、布点、放置位置均按EN 62552-2020 标准要求。除标准要求测试点外，为获得冰箱运行制冷系统关键参数，分别在原型机冷藏蒸发器进口，冷藏蒸发器出口，回气管和过滤器布置热电偶，检测冰箱制冷循环运行工况。

环境条件1：环境温度32 ℃ ，相对湿度85 %（温度许可范围 ±0.5 ℃；相对湿度偏差±3 %）； 环境条件2：环境温度32 ℃ ，相对湿度85 %（温度许可范围±0.5 ℃；相对湿度偏差±3 %）；试验电压/频率：230 V/50 Hz，额定电压 ±1 %, 额定频率±1 %；

2.3 测试结果分析

依据EN 62252-2020 耗电量测试试验方法，对载体进行耗电量测试，稳定运行后计算能耗，并按EU 2019/2016 能效指令计算实际能效指数。16 ℃和32 ℃能耗测试结果如表3 所示，从测试数据可看出，载体单循环直冷冰箱，因冷藏单独控温冷冻无法单独控温，16 ℃和32 ℃两种环境温度下为满足标准要求的能耗测试特性点T冷藏≤4 ℃，T冷藏≤-18 ℃时，会出现冷冻室在32 ℃能耗时冷冻温度偏低-18 ℃较多，16 ℃时冷藏温度偏低4 ℃较多，对冰箱能耗不利。

表3 原型机耗电量测试

针对两种环境温度下测试耗电量，为达到两个环境温度下综合耗电量最优，需要针对直冷两门单循环制冷系统进行匹配，而根据16 ℃和32 ℃漏热量计算：

在冰箱结构、保温层厚度和导热系数不变的情况下，间室的漏热量仅与间室内外的温差有关，按照EN 62552-2020，冷藏室内部温度取特性温度 4 ℃，冷冻室内部温度取平均温度 -18 ℃，外部温度分别取 32 ℃和16 ℃，据此按照热量公式进行计算，得出在不同环温 下，冷藏室和冷冻室的漏热量，如表4 所示。从表中可看出，从32 ℃降低至16 ℃，冷藏漏热量占比从56.94 %下降至47.69 %，冷冻漏热量从43.06 %升高至52.31 %，其漏热量变化较大，制冷系统需要相应匹配以适应漏热量比例的变化。

表4 冰箱不同环境温度下箱体漏热量

如图2 原型机耗电量测试曲线，可以看出在现有冷藏和冷冻蒸发器匹配面积情况下，32 ℃为最大化满足冷藏漏热量大问题，需要冷藏蒸发器使用面积最大化，充分发挥冷藏蒸发器换热能力，图2（a）所示，32 ℃耗电量，压缩机开机初期蒸发器出口存在短暂过热，之后蒸发器出口温度快速降低至与蒸发器进口温度基本一致，制冷系统足够的制冷剂灌注量使冷藏蒸发器发挥最优制冷效果。如图2（b）16 ℃时，因外界环境温度降低，更多的制冷剂存于箱体外部冷凝器中，压缩机开机一段时间，冷藏室蒸发器出口表现较大的过热，整个压缩机运行周期约一半时间处于过热状态，此种制冷剂分配可一定程度缓解16 ℃低环温冷藏漏热量低的问题。

图2 原型机耗电量测试运行曲线

另外，因直冷单循环系统冷藏室和冷冻室蒸发器串联，如图3（a）直冷两门单循环系统制冷原理图，经毛细管节流后的制冷剂先进入冷冻蒸发器再进入冷藏蒸发器，如图在3（b）制冷系统温熵图上其制冷效率表现为一个蒸发温度T，当冷藏室蒸发器控制压缩机制冷时，若冷藏漏热量增大无法满足冷藏需求制冷量时，制冷系统自动调节将压缩式制冷系统蒸发温度T 拉低以满足冷藏制冷量需求Qc=KAΔTc，此时会降低整机制冷系统循环效率，反之如提升32 ℃蒸发器温度，则可以提升整体蒸发温度，提升制冷系统循环效率。

图3 制冷原理图

3 方案改进

根据上述分析，一方面在尽量提升32 ℃冷藏蒸发器面积并充分利用情况下，提高制冷系统循环效率，另一方面利用16 ℃和32 ℃制冷剂分配特性，减小32 ℃冷藏蒸发器过热，提高16 ℃冷藏蒸发器过热，制定改进方案，冷藏蒸发器更改方案如图4（b）所示，将储液器设置在距离冷藏蒸发器进口约2/3 处。按改进方案制作样机，采用原型机同样的能耗测试方法，同时在储液器前、储液器后布置热电偶检测耗电量情况下的制冷系统工况表现。

图4 蒸发器方案

如图5 改进方案耗电量测试运行曲线，以32 ℃能耗进行系统匹配，如图5（a）压缩机原型前段因系统平衡存在少段时间过热，压缩机运行后半段，储液器前和储液器后端蒸发温度表现基本趋于一致，保证32 ℃冷藏蒸发器面积发挥最大化。反测16 ℃耗电量，如图5（b）压缩机整个运行阶段保持过热状态运行，且冷藏最低温度高于0 ℃，从而极大化利用16 ℃过热缓解冷藏漏热量小的问题。

图5 改进方案耗电量测试运行曲线

其耗电量测试结果如表5，32 ℃在满足4 ℃特性点温度时，冷冻室温度相比原型机提升约3.5 ℃，制冷系统平均蒸发温度相应提高，提升了32 ℃环温下制冷循环效率，此时16 ℃耗电量因冷藏温度相对有一定降低，耗电量稍有升高约2 %，但满足EN 62552-2020 测试标准对冷藏室储藏温度测试不能过零的要求。改进方案耗电量为0.593 kw.h/24 h，相比原型机耗电量0.656 kw.h/24 h降低了9.7 %。

表5 改进样机耗电量测试结果

4 结论

本文通过研究直冷冰箱在欧盟标准中的政策优势，选取现有两门单循环直冷冰箱，从箱体漏热量变化、制冷系统循环、换热效率和制冷剂等方面在不同环境温度下分布特性，研究单循环系统直冷冰箱匹配特性，获取方案优化切入点，结合欧盟标准对能耗要求，依据高低环温冷藏冷冻漏热量变化特点，改进冷藏蒸发器结构和制冷系统匹配方案。结果表明：改进方案可提升制冷系统平均蒸发温度，进而提升32 ℃环温下制冷循环效率，同时16 ℃耗电量因冷藏温度相对有一定降低，耗电量稍有升高，冷藏室储藏温度满足测试要求，最终能耗可有效提升约9.7 %。