王增杰，徐 鳴，黃躍進(jìn)，顧江萍，沈 希

（浙江工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，浙江 杭州 310014）

0 引 言

當(dāng)前的冰箱市場(chǎng)上，直冷式單循冰箱占據(jù)了主要地位。而在單循環(huán)冰箱中，冷藏、冷凍蒸發(fā)器采用了串聯(lián)的連接方式，各室溫度則是通過(guò)壓縮機(jī)的開(kāi)/停來(lái)控制的。由于冷藏室溫度的控制要求較嚴(yán)格，溫度控制器一般置于冷藏室內(nèi)。相對(duì)于冷藏室，冷凍室溫度的控制主要是通過(guò)冷藏、冷凍蒸發(fā)器的面積匹配來(lái)實(shí)現(xiàn)的［1］。而冰箱冷藏、冷凍蒸發(fā)器的面積只能在特定的條件下進(jìn)行匹配，當(dāng)冰箱運(yùn)行工況發(fā)生改變時(shí)，兩者之間的匹配關(guān)系也會(huì)發(fā)生變化。因此對(duì)于輸氣量確定的定頻壓縮機(jī)，研究者就很難去控制冷凍室的溫度。而隨著變頻壓縮機(jī)的出現(xiàn)，研究人員通過(guò)控制壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速的變化來(lái)改變輸氣量，使冰箱溫度控制的性能得到了改善。但要使冰箱溫度控制設(shè)計(jì)得更加合理、冰箱能耗最少，研究人員還需對(duì)變頻制冷系統(tǒng)在不同的工作環(huán)境溫度下運(yùn)行的特性進(jìn)行深入的研究。

文獻(xiàn)［2］研究了環(huán)境溫濕度對(duì)制冷系統(tǒng)蒸發(fā)器熱負(fù)荷的影響；文獻(xiàn)［3］介紹了環(huán)境溫濕度對(duì)陳列柜制冷系統(tǒng)的運(yùn)行特性影響并做了相關(guān)的研究；文獻(xiàn)［4］給出了不同環(huán)境溫度對(duì)直冷式冰箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行了影響分析；文獻(xiàn)［5］對(duì)制冷壓縮機(jī)變轉(zhuǎn)速工況下進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究；文獻(xiàn)［6］對(duì)變頻壓縮機(jī)的變工況運(yùn)行的性能曲線進(jìn)行了研究。

本研究參考以上文獻(xiàn)的研究實(shí)驗(yàn)方法，以雙溫室的變頻冰箱為研究對(duì)象，在不同的環(huán)境溫度和壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速等工況下，從冰箱制冷系統(tǒng)制冷量和熱負(fù)荷的關(guān)系角度來(lái)分析冰箱箱內(nèi)溫度變化和能耗等特性，從而為變頻冰箱的控制策略研究提供一定參考。

1 變頻冰箱性能影響因素的分析

1.1 環(huán)境溫度對(duì)普通冰箱熱負(fù)荷影響

冰箱制冷系統(tǒng)的工作過(guò)程可以簡(jiǎn)單描述為壓縮機(jī)產(chǎn)生制冷量去克服冰箱熱負(fù)荷的過(guò)程。冰箱制冷系統(tǒng)穩(wěn)定工作后，制冷系統(tǒng)的熱負(fù)荷主要是箱體的漏熱量Q漏：

式中：K—箱體傳熱系數(shù)，F(xiàn)—箱體傳熱面積，t1—環(huán)境溫度，t2—箱內(nèi)溫度。

當(dāng)冰箱箱體設(shè)計(jì)完成后，K·F即確定，因此冰箱的熱負(fù)荷與環(huán)境溫度t1及箱內(nèi)溫度t2有關(guān)。冰箱的熱負(fù)荷會(huì)隨著環(huán)境溫度的改變而不同，而且制冷系統(tǒng)的制冷量也隨著環(huán)境溫度不同而異，環(huán)境溫度和冰箱性能的簡(jiǎn)單關(guān)系如圖1所示。當(dāng)環(huán)境溫度發(fā)生變化時(shí)，冰箱內(nèi)兩室的漏熱比也會(huì)發(fā)生改變［7］。以國(guó)際規(guī)定的溫帶型三星級(jí)冰箱為例：環(huán)境溫度t1取32℃、16℃和5℃。當(dāng)t1為32℃時(shí)，冷藏室溫度tm為5℃；t1為16℃、5℃時(shí)，tm為0℃。冷凍室溫度均取-18℃，則不同環(huán)境溫度下兩室的漏熱量及漏熱比如表1所示。

圖1 環(huán)境溫度與冰箱性能關(guān)系圖

由表1可知，隨著環(huán)境溫度的降低，冷凍室與冷藏室的漏熱量比會(huì)增大，也就是冷凍室需要的相對(duì)制冷量會(huì)相應(yīng)的增加。所以環(huán)境溫度低時(shí)很難達(dá)到冷凍室和冷藏室的溫度要求，如：環(huán)境溫度為16℃時(shí)，冷藏室溫度已達(dá)到0℃時(shí)，冷凍室溫度還未達(dá)到-18℃。

表1 各環(huán)境溫度下的冰箱溫室漏熱量及漏熱比

因此，當(dāng)實(shí)際工作的環(huán)境溫度不同于設(shè)計(jì)的環(huán)境溫度時(shí)，會(huì)對(duì)冰箱制冷系統(tǒng)造成一定的影響：①引起冰箱制冷系統(tǒng)熱負(fù)荷的變化，使系統(tǒng)對(duì)制冷量的需求發(fā)生改變；②引起制冷系統(tǒng)的實(shí)際制冷能力的變化；③造成冰箱兩溫室漏熱比的變化，使兩室對(duì)冷量的需求發(fā)生改變，使兩室的溫度匹配發(fā)生改變。

1.2 變頻冰箱應(yīng)對(duì)環(huán)境溫度影響的優(yōu)勢(shì)

由熱負(fù)荷、制冷量與環(huán)境溫度三者的關(guān)系可知，制冷系統(tǒng)的熱負(fù)荷隨環(huán)境溫度增加而增加，系統(tǒng)的制冷量隨環(huán)境溫度增加而減小。為了能夠達(dá)到所需制冷溫度的要求，定速壓縮機(jī)制冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)一般要求制冷系統(tǒng)制冷量要比最大負(fù)荷略大一些。但在實(shí)際的工作中，系統(tǒng)處于最大負(fù)荷的工作時(shí)間只有10%～20%，在大多數(shù)的運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間內(nèi)系統(tǒng)的制冷量都大于熱負(fù)荷［8］。當(dāng)制冷量遠(yuǎn)大于熱負(fù)荷時(shí)，箱內(nèi)溫度下降就會(huì)變快，因此制冷系統(tǒng)的停開(kāi)次數(shù)就會(huì)增多，這對(duì)制冷系統(tǒng)的能耗是不利的。

而變頻壓縮機(jī)可以通過(guò)改變轉(zhuǎn)速來(lái)調(diào)節(jié)輸氣量，產(chǎn)生不同的制冷量，制冷量與變頻壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速成正比關(guān)系。因此，變頻冰箱可以很好地適應(yīng)環(huán)境溫度，通過(guò)改變壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速產(chǎn)生不同的制冷量來(lái)滿足冰箱熱負(fù)荷的變化，可以實(shí)現(xiàn)制冷系統(tǒng)的最佳能量匹配，使得能耗得到改善。

隨著變頻壓縮機(jī)產(chǎn)生制冷量的不同，冷藏與冷凍的蒸發(fā)器面積匹配關(guān)系會(huì)發(fā)生改變［9］。當(dāng)壓縮機(jī)的輸氣量增大時(shí)，冷凍室與冷藏室相比，冷凍室得到的相對(duì)制冷量會(huì)增大。因此，本研究可以通過(guò)改變變頻壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速，也可以通過(guò)有效調(diào)節(jié)環(huán)境溫度因素對(duì)冷藏室和冷凍室相對(duì)冷量的影響，使冷藏室冷凍室的溫度匹配得到改善。

2 變頻冰箱性能影響的實(shí)驗(yàn)分析

2.1 實(shí)驗(yàn)條件與方法

該實(shí)驗(yàn)的測(cè)試冰箱采用青島海信集團(tuán)的變頻冰箱：該冰箱是直冷式單循環(huán)變頻冰箱，只設(shè)置冷藏室的溫度，它是“上冷藏室、下冷凍室”結(jié)構(gòu)，其中冷藏室容量為111 L，冷凍室容量為75 L，制冷劑R600a，充注量50 g，變頻壓縮機(jī)的型號(hào)為C-BHV120LH。筆者通過(guò)一套冰箱測(cè)控系統(tǒng)對(duì)冰箱進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析，測(cè)試是在能設(shè)定各種環(huán)境溫度的環(huán)境實(shí)驗(yàn)房里進(jìn)行的，測(cè)控系統(tǒng)的原理如圖2所示。

圖2 測(cè)控系統(tǒng)原理圖

實(shí)驗(yàn)方法：以冷藏室溫度為控制目標(biāo)，改變變頻冰箱的工作環(huán)境溫度、壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速等因素，通過(guò)記錄冷凍室的溫度和冰箱能耗等變化分析其對(duì)性能的影響。為了研究變頻冰箱的性能影響因素，本研究進(jìn)行了8個(gè)工況的測(cè)試，實(shí)驗(yàn)測(cè)試工況如表2所示。

表2 實(shí)驗(yàn)測(cè)試工況

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.2.1 不同環(huán)境溫度對(duì)制冷系統(tǒng)影響的分析

首先，本研究給定冷藏室溫度控制目標(biāo)在4℃～8℃，壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速為1 800 r/min工況時(shí)，在不同的環(huán)境溫度下（即工況1，2，3，4），冰箱冷凍室溫度變化曲線、壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)情況和耗電量分別如圖3、表3所示。

由圖3和表3可知，當(dāng)壓縮機(jī)工作在1 800 r/min時(shí)，隨著環(huán)境溫度的升高，冷凍室的平均溫度會(huì)相應(yīng)下降。但環(huán)境溫度過(guò)高時(shí)，冷凍室平均溫度會(huì)上升，壓縮機(jī)的開(kāi)停比例和耗電量會(huì)隨著環(huán)境溫度的上升而增加。

圖3 不同環(huán)境溫度下冰箱冷凍室溫度曲線

表3 不同環(huán)境溫度下冰箱制冷系統(tǒng)特性

由上一節(jié)的漏熱比分析可知，環(huán)境溫度低時(shí)，冷凍室需要的相對(duì)冷量要比環(huán)境溫度高時(shí)要多；當(dāng)控制相同的冷藏室溫度，環(huán)境溫度低時(shí)，冷凍室得到的相對(duì)冷量就少。因此，冷凍室的平均溫度會(huì)相對(duì)較低。冰箱冷凍室熱負(fù)荷由環(huán)境溫度與冷凍室溫度差決定。當(dāng)環(huán)境溫度較高時(shí)，隨著冷凍室溫度的下降，熱負(fù)荷會(huì)加大，壓縮機(jī)在1 800 r/min轉(zhuǎn)速工作時(shí)產(chǎn)生的制冷量難以滿足冰箱熱負(fù)荷的要求，冷凍室溫度就很難下降。因此，環(huán)境溫度過(guò)高將導(dǎo)致冷凍室下限溫度相對(duì)較高。

當(dāng)以冷藏室溫度控制為目標(biāo)且當(dāng)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速一定時(shí)，壓縮機(jī)的制冷量與環(huán)境溫度呈非線性關(guān)系。壓縮機(jī)的制冷量隨著環(huán)境溫度的降低而增大，但當(dāng)環(huán)境溫度下降到一定程度時(shí)制冷量又會(huì)下降。當(dāng)環(huán)境溫度高時(shí)，熱負(fù)荷高且制冷量低，因此冰箱運(yùn)行時(shí)間多；當(dāng)環(huán)境溫度低時(shí)，雖然熱負(fù)荷很低，但壓縮機(jī)產(chǎn)生的制冷量也相對(duì)少，因此工作于16℃和20℃時(shí)的壓縮機(jī)運(yùn)行時(shí)間的差值不是很大。

2.2.2 不同壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)制冷系統(tǒng)影響的分析

其次，本研究給定冷藏室溫度控制在4℃～8℃，環(huán)境溫度為25℃工況時(shí)，在不同的壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速下，冰箱冷凍室溫度變化曲線（即工況3，5，6），壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)情況和耗電量分別如圖4、表4所示。

圖4 不同壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速下冰箱冷凍室溫度曲線

表4 不同轉(zhuǎn)速下冰箱制冷系統(tǒng)特性

由圖4和表4可知，當(dāng)環(huán)境溫度相同時(shí)，隨著壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速的升高，冷凍室平均溫度會(huì)相應(yīng)下降，壓縮機(jī)運(yùn)行的相對(duì)時(shí)間變小，耗電量增大。

變頻壓縮機(jī)工作于不同的工況下，會(huì)有不同的熱力學(xué)性能。文獻(xiàn)［11］已經(jīng)對(duì)型號(hào)為C-BHV120LH的變頻壓縮機(jī)進(jìn)行了熱力性能分析。制冷量與變頻壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速成正比關(guān)系，壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速越高則產(chǎn)生的制冷量越大，溫度下降越快。因此如果壓縮機(jī)以3 900 r/min工作時(shí)，冰箱單位周期運(yùn)行的時(shí)間最短。而冰箱制冷系統(tǒng)的COP（Coefficient of Performance）在一定的工況下與變頻壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速呈非線性關(guān)系，當(dāng)轉(zhuǎn)速為1 800 r/min時(shí)，COP最大。因此，當(dāng)壓縮機(jī)以1 800 r/min工作時(shí)，冰箱日耗電量最省。

冰箱冷藏室和冷凍室得到的相對(duì)制冷量會(huì)隨著變頻壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速的不同而改變。當(dāng)壓縮機(jī)的輸氣量增大時(shí)，冷凍室與冷藏室相比，冷凍室得到的相對(duì)制冷量會(huì)增大。因此，控制相同的冷藏室溫度的情況下，冷凍室平均溫度會(huì)隨著壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速的增大而相應(yīng)降低。

2.2.3 不同冷藏控制溫度對(duì)制冷系統(tǒng)影響的分析

最后，本研究在給定壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速為1 800 r/min，環(huán)境溫度為25℃時(shí)，設(shè)定不同的冷藏室溫度（即工況3，7，8），冰箱冷凍室溫度變化曲線、壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)情況和耗電量分別如圖5、表5所示。

圖5 不同冷藏控制溫度下冰箱冷凍室的溫度曲線

表5 不同低溫?zé)嵩粗评湎到y(tǒng)特性

由圖5和表5可知，在相同環(huán)境溫度和壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速下，隨著冷藏室目標(biāo)控制溫度的下降，冷凍室的平均溫度也相應(yīng)下降，壓縮機(jī)的運(yùn)行時(shí)間也相應(yīng)的增加，耗電量也相應(yīng)增大。

當(dāng)冷藏室目標(biāo)控制溫度下降時(shí)，冷藏室的漏熱量會(huì)相應(yīng)增大，根據(jù)漏熱比分析，冷凍室的漏熱量也會(huì)增大，因此，冷凍室溫度會(huì)相應(yīng)降低。當(dāng)以冷藏室溫度控制為目標(biāo)時(shí)，壓縮機(jī)的運(yùn)行時(shí)間由制冷量和冷藏室熱負(fù)荷決定。當(dāng)冷藏室目標(biāo)控制溫度降低時(shí)，漏熱量相應(yīng)增大，即熱負(fù)荷增大；而在相同環(huán)境溫度和轉(zhuǎn)速下產(chǎn)生的制冷量相同，因此壓縮機(jī)的運(yùn)行時(shí)間會(huì)相應(yīng)增多，能耗也會(huì)增多。

3 結(jié)束語(yǔ)

本研究對(duì)變頻冰箱在不同工作環(huán)境下的性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，并對(duì)實(shí)驗(yàn)測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析。冰箱的熱負(fù)荷會(huì)隨著環(huán)境溫度的不同而改變，其冷藏室和冷凍室的溫度匹配關(guān)系也會(huì)發(fā)生變化。在冰箱控制策略的設(shè)計(jì)中應(yīng)充分考慮環(huán)境溫度的變化。研究者可以通過(guò)低溫?zé)嵩囱a(bǔ)償和改變壓縮機(jī)的制冷量的方法，來(lái)實(shí)現(xiàn)冰箱冷藏室冷凍室的匹配控制。根據(jù)熱負(fù)荷來(lái)改變壓縮機(jī)制冷量，可以實(shí)現(xiàn)能量的最佳匹配，實(shí)現(xiàn)溫度準(zhǔn)確控制和節(jié)能的目的。

（References）：

［1］ 盧智利.直冷式多路循環(huán)冰箱特性研究［D］.上海：上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，2006：3-8.

［2］ CORTELLA G，MANZAN M，COMINI G.CFD simulation of refrigerated display cabinets［J］.International Journal of Refrigeration，2001，24（3）：250-260.

［3］ 謝 堃.環(huán)境溫濕度對(duì)陳列柜制冷系統(tǒng)運(yùn)行特性影響的實(shí)驗(yàn)［J］.上海水產(chǎn)大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，16（5）：4-8.

［4］ 邵延年.談?wù)勚崩涫诫p門雙溫冰箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性［J］.家電科技，1986（6）：4-7.

［5］ 傅烈虎.變轉(zhuǎn)速制冷壓縮機(jī)的實(shí)驗(yàn)研究［J］.制冷與空調(diào)，2008，8（3）：44-46.

［6］ SHAO Shuan-gquan，SHI Wen-xing，LI Xian-ting，et al.Performance representation of variable-speed compressor for inverter air conditioners based on experimental data［J］.InternationalJournalofRefrigeration，2004（27）：805-815.

［7］ 葉文浩.雙門雙溫直冷式冰箱不同環(huán)境溫度下設(shè)計(jì)合理性淺談［J］.家電科技，1987（5）：3-6

［8］ 石毅登.采用變頻技術(shù)的制冷裝置的優(yōu)勢(shì)分析［J］.制冷與空調(diào)，2004，4（5）：59-62.

［9］ 李成武.變頻壓縮機(jī)對(duì)冰箱節(jié)能的影響［J］.家電科技，2010（9）：78-80.

［10］丁國(guó)良.全年供冷的風(fēng)冷式冷水機(jī)組問(wèn)題分析與解決［J］.建筑熱能通風(fēng)空調(diào)，2004，23（2）：7-12.

［11］吳曉杰.變頻冰箱系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性及控制策略研究［D］.杭州：浙江工業(yè)大學(xué)機(jī)械學(xué)院，2011：13-23.