风冷变频冰箱控制参数优化及其节能研究

李培培 刘 雷

（长虹美菱股份有限公司 合肥 230601）

引言

随着国内家电产业发展以及产品消费升级，家用电冰箱对节能降耗的要求越来越高。对于变频冰箱而言，因配备了变频压缩机，可以改变转速而产生不同的制冷量，在高温环境下冰箱的负荷很大[2]，通过增加运行转速提高压缩机的制冷量，适应冰箱在高温环境下的负荷需求，而在低温环境下冰箱的负荷相对较小，通过减小运行转速降低压缩机的制冷量，使制冷量与冰箱热负荷相匹配，确保冰箱性能在合理水平，进而达到降低耗电量的目的。

所述变频压缩机的节能原理[3]是，当环境温度降低或冰箱热负荷减小时，冰箱的蒸发器温度会降低，制冷系统COP下降，而压缩机转速降低后，压缩机排气量降低，提高了蒸发温度，继而使制冷系统COP升高，从而降低冰箱运行能耗。然而压缩机转速并非越低越好，转速过低时，制冷量过低，无法满足冰箱正常制冷需求，压缩机运行率过大，不但不能降低冰箱运行能耗，反而会增加其耗电量。另外，冷冻风机运行转速对冰箱整机性能有一定影响，特别是再压缩机低转速运行、冷藏制冷时，风机转速告诉运行，使系统蒸发温度进一步提高，不利于冷冻制冷降温。

对此，本文选用BCD-338W变频冰箱为研究对象，通过相应的试验测试，分析出压缩机转速、冷冻风机转速以及冷藏控温参数对耗电量的影响，并通过优化这些控制参数，降低整机运行能耗。

1 实验测试

1.1 实验样品

本次实验所用样机是型号为BCD-338W的单循环风冷变频两门冰箱，如图1所示，为上藏下冻结构、双温双控产品，总容积338 L，冷藏、冷冻间室共用一个冷冻蒸发器，制冷剂为R600a。冷冻室后背处的蒸发器为冰箱提供冷源，并通过冷冻风机以及风道系统形成循环风为冷藏、冷冻间室输送冷量。冷藏制冷时，压缩机启动，电动风门打开，冷冻风机启动运行，为冷藏输送冷风，在冷藏风道上部风口出风，之后冷风与冷藏室藏品进行热交换，温度升高后从冷藏室下部的回风口进入冷藏回风道，最后经过回风道进入蒸发器底部，完成冷藏制冷风循环。冷冻制冷时，电动风门关闭，压缩机、冷冻风机均运行，空气经过蒸发器降温后从冷冻面罩出风口排出，使冷冻间室进行制冷降温，然后从冷冻风道底部回风通道进入蒸发器底部，如此形成冷冻制冷风循环。

图1 冰箱结构示意图

1.2 测试方法

本次实验数据是在环境温度为32 ℃，相对湿度为50 %的条件下取得。实验过程中，采用铜-康铜热电偶来测量温度，并按GB 12021.2-2015进行耗电量测试，测试要求在箱体内部布置温度测点，监测冰箱运行期间各测点的温度变化，要求冷藏间室平均温度不大于4 ℃、冷冻间室平均温度不大于-18 ℃。数据采集间隔设定为30 s，同时采用数字测试仪测量冰箱的运行功率和耗电量。

2 性能分析研究

2.1 压缩机转速对整机能耗的影响

首先，在冰箱的制冷系统设计确定后，蒸发面积与冷凝面积多是固定且不可改变，影响冰箱制冷系统制冷量与散热量的参数主要是蒸发器与冷凝器的换热温差和换热系数。当温差变小时，换热系数也会变小，但相对而言，温差的改变对制冷量或散热量的影响更大[2]。对于变频压缩机而言，在制冷系统固定不变的情况下，不同的压缩机转速会产生不同的蒸发温度和冷凝温度。压缩机转速增大时，压缩机排气量增多，冷凝器热负荷增大，在冷凝器换热面积不变的情况下，冷凝压力、冷凝温度必然会升高，冷凝器换热温差变大，提高了冷凝器散热量，这样才能满足冰箱冷凝散热需求。因冷凝压力升高、毛细管入口压力变大的作用，管内制冷剂流量增大，制冷剂流动阻力及毛细管压降变大，且压降增幅大于冷凝压力增幅，最终导致冰箱蒸发压力及蒸发温度降低，蒸发器换热温差变大，制冷量提高，压缩机运行率降低。反之，压缩机转速减小时，蒸发器制冷量减小，压缩机运行率会提高。

其次，决定冰箱运行能耗大小的两个参数，一是压缩机运行率，二是压缩机运行功率。压缩机转速高时，压缩机运行率低，但压缩机运行功率大；压缩机转速低时，压缩机运行率大，但压缩机运行功率小。对此，这就需要在压缩机运行率和运行功率之间找到平衡点，使冰箱整机运行能耗相对较低。本试验样机选用气缸容积为7.0 cm3排量的变频压缩机，压缩机转速范围为1 200～4 500 rpm。表1为该压缩机的性能参数表，从数据中可以看出，压缩机转速在2 400 rpm时COP最高，压缩机转速在4 500 rpm时制冷量最大，压缩机转速在200 rpm时输入功率最小。

表1 压缩机性能参数表

如表2所示，实验样机在环境温度为32 ℃时实验测试数据，压缩机转速从2 550 rpm逐步降到2 190 rpm，运行率逐渐变大，耗电量降低3 %，但转速从2 190 rpm降到2 100 rpm时，压缩机运行率快速上升到91.18 %，增幅17 %，而压缩机运行功率降幅只有3.9 %，导致整机耗电量不降反升。由此可见，对于变频冰箱，并非压缩机转速越低，耗电量越小，还要综合考虑压缩机运行率和运行功率，这样才能确定压缩机的最佳转速。

2.2 冷藏控温参数对整机能耗的影响

针对表2中压缩机转速2 100 rpm时整机耗电量过大问题做进一步分析。图2为压缩机按2 100 rpm转速运行时冰箱整机运行曲线图。从图2中的冷冻温度和冷藏温度曲线对比可以看出，每当冷藏制冷时冷冻温度都会快速升温，究其原因，一是冷藏制冷时蒸发器蒸发温度相对较高，二是冷藏制冷开始时刻要么是冷冻制冷刚结束没有多久，要么是冷冻制冷即将结束，此时冷冻温度处在波动低谷处，温度相对较低，导致蒸发温度高于冷冻温度。蒸发器不但不能对冷冻进行降温，反而会起动加热作用，加速冷冻回温，最终导致压缩机运行率很大，耗电量快速增大。

表2 不同压缩机转速下冰箱运行参数

图2 2 100 rpm压缩机转速的运行曲线图

造成压缩机2 100 rpm转速时冰箱耗电量快速增加的主要原因是冷藏制冷周期和冷冻制冷周期的时间匹配设计不合理所致。若解决该问题，需要对冷藏制冷周期时间长度进行调整，使冷藏制冷时冷冻温度处于波峰附近，蒸发温度不高于或小于冷冻温度，减小整机运行率。如图3所示，冷藏制冷周期时间加长后的冰箱整机运行曲线图。从图3中可以看出，压缩机停机时间加长，冷冻回温到一定值后冷藏才开始制冷，且冷藏制冷时蒸发温度和冷冻温度差值很小，冷冻回温速度减弱，即降低了冷藏制冷对冷冻温度的负作用。表3所列数据是不同冷藏制冷时间下冰箱运行参数。从中可以看出，随着冰箱冷藏制冷周期的加长，冰箱压缩机运行率在逐步下降，整机整机耗电量也从最初的0.91 kW.h/24 h下降到0.77 kW.h/24 h，约降低15 %。

图3 冷藏制冷周期调整后运行曲线图

表3 不同冷藏制冷时间下冰箱运行参数

2.3 风机转速对整机能耗的影响

如上文所述，通过调整冷藏制冷周期时间长度，降低了冰箱整机运行率，但从图3整机运行曲线图中可以看出，冷藏制冷时蒸发温度和冷冻温度相差很小，冷藏制冷时制冷系统对冷冻无明显制冷效果，压缩机还需为冷冻单独制冷另外做功，徒增冰箱整机运行能耗。若要继续降低冰箱运行能耗，必须解决冷藏制冷时蒸发温度过高问题，使蒸发温度下降到冷冻温度以下。在不增加压缩机转速的前提下，降低冷冻风机运行转速，减少蒸发器制冷剂蒸发量，降低蒸发器表面温度，使其温度低于冷冻间室温度，提高蒸发器对冷冻室的制冷效果。

如表4所示，本实验样机使用的冷冻风机按运行占空比方式控制其运行转速，其中运行占空比是单位时间内风机运行时间占总时长的百分比。每个风机档位对应一个运行占空比，其中最大运行档位是S12，对应占空比是100 %，风机以最高转速1 840 rpm运行。其次，本样机冷冻风机运行规则是，冷冻制冷时风机按S12固定档位运行，另外利用显示板程序参数控制冷藏制冷时风机运行档位，分别验证不同风机运行档位下冰箱运行状况。

表4 冷冻风机运行档位转速匹配表

表5所示数据为冷藏制冷时冷冻风机在不同运行档位下冰箱运行数据。随着冷冻风机运行档位逐渐下降，冷藏风道的出风量逐渐减少，冷藏制冷效果变差，冷藏单次制冷时间逐渐增大。同时，因为风机转速降低，蒸发器制冷剂蒸发效果降低，蒸发温度下降。如图4所示，风机转速下降到S6档，冷藏制冷时蒸发温度均比冷冻温度小1.5～2 ℃，冷冻温度曲线基本呈现水平状，冷冻基本不回温，冷冻温度波动峰值减小，缩短了冷冻额外制冷所需的压缩机做功时间，最终降低了压缩机运行率，使冰箱整机耗电量从原来的0.77 kW.h/24 h下降到0.744 kW.h/24 h，约降低3.4 %。然当风机转速下降到S4档时，因风机转速过低，冷藏制冷效率下降过多，反而会增加了冰箱整机运行率，耗电量不降反升。

表5 冷冻风机运行档位转速匹配表

图4 风机S6档转速时冰箱运行曲线图

3 结论

本文论述的冰箱性能优化方法，是在冰箱结构及制冷系统固定不变的情况下，通过优化调整压缩机转速、冷藏控温参数以及风机转速的措施，没有成本增加，降低冰箱整机运行能耗，实现零成本的性能改进。本文研究成果丰富了冰箱的性能匹配优化方法，为单系统风冷冰箱的性能改进提供必要的设计参考。