VIP板用于冰箱热负荷仿真模型研究及应用

崔培培 魏邦福 尚殿波 马长州

合肥美菱股份有限公司 安徽合肥 230601

1 引言

冰箱行业，VIP板的使用越来越受到重视。一方面，GB 12021.2-2015标准强制性能效国家标准正式发布，一级能效指数水平由原标准的40%提升至25%，冰箱行业市场准入门槛提高，而聚氨酯发泡材料VIP板是一种更高效的保温节能材料，可为冰箱节能提供直接的提升效果；另一方面，目前高地价，高房价“新常态”，“新常态”下的冰箱设计需要更高的容积率，VIP板的使用可直接提升冰箱箱体的容积率。行业内面临着新能效标准实施及产业外围环境相关政策的变化，给冰箱产品设计要求提出新的挑战。但如何在冰箱上快速、准确、合理、有效的发挥VIP板的效果，对冰箱设计起着关键作用。目前，对绝大多数冰箱企业，对“VIP板+保温层”的优化技术研究以实验为主，多数还是依靠经验进行总结，不具有普遍性。这种静态的设计方法无法分析与研究设计的合理性与经济性，对于产品的开发而言，无法提前对产品进行理论分析，不知是否处于最佳优化状态，尤其设计质量的好坏完全依赖于最后各种试验的检验结果，造成开发产品风险大、成功率低、成本较高，因此，这种设计方法已经不太适应快速变化的冰箱制冷时代。

本文利用传热学理论和工程经验公式对聚氨酯和VIP板两种保温材料组成的复合二维传热进行分析，通过热流传感器测试修正，并制作样机，进行能耗验证，建立带VIP板的冰箱热负荷传热模型。该仿真模型的建立，对提高VIP板在冰箱上生产和应用水平具有一定的指导意义。

2 热负荷模型建立

2.1 冰箱热负荷传热分析

冰箱热负荷在冰箱设计中是一个重要参数，它是冰箱制冷系统设计包括蒸发器、冷凝器设计和压缩机选配的设计参数。热负荷与冰箱的箱体结构、冰箱的内容积，箱体绝热层的厚度和绝热材料的优劣等因素有关。

冰箱的漏热主要包括：箱体泄漏热量（Q1）、开门漏热量（Q2）、贮物热量（Q3）和其他热量（Q4）。而箱体泄漏热量（Q1）包括：箱体隔热层的漏热量Qa，通过箱门和门封条的漏热量Qb，箱体结构形成热桥的漏热量Qc。箱体漏热量Q1是箱体设计中最关键的计算部分，其他均按箱体泄漏热负荷给出余量。

对于冰箱箱体结构部件的漏热量Qc部分，箱体内外壳体之间支撑方法不同，Qc值也不同，因此同样也不易通过公式计算。一般可取Qc值为Qa值的3%左右。目前采用聚氨酯发泡成型隔热结构的箱体，无支撑架形成的冷桥，因此Qc值可不计算，本文传热模型亦忽略此部位的漏热量。

冰箱箱体漏热量包括通过箱体隔热层的漏热量Qa，通过箱门和门封条的漏热量Qb，和通过箱体结构形成热桥的漏热量Qc。即：

理论上，一般冰箱箱体每个面可按一维平壁传热：Q=K×S×Δt，其中1/K=d/λ+1/αo+1/αi，如图1所示。

箱体隔热层的漏热量Qa，由于箱体外壳钢板很薄，而其热导率λ值很大，所以热阻很小，可忽略不计。目前冰箱内壳多用ABS或HIPS塑料板真空成形，最薄的四周部位只有1.0mm。塑料热阻较大，可将其厚度一起计入隔热层，因此箱体的传热可视为单层平壁的传热过程。即：

Qa=KA（T1-T2）

式中：A-箱体外表面，单位为m2；

K-传热系数 (单位为W／(m2•K)) 表面传热系数，单位为W／(m2•K)；

图1 一维平壁传热过程示意图

图2 带VIP板的保温层传热图

式中：

αi——内箱壁表面对箱为箱内表面的空气表面表面传热系数；

αo——箱外空气对箱体外表面的内空气的表面传热系数，单位为W／(m2•K)；

δ——聚氨酯发泡层厚度，单位为m；

λ——聚氨酯发泡层导热系数，单位为W／(m•K)。

2.2 带VIP冰箱面传热模型分析

对于VIP板在冰箱中的使用，主要贴合至冰箱外壳内部，经聚氨酯发泡形成“VIP+聚氨酯”两种保温材料的复合二维平壁。增加VIP板的面积，在冰箱正常稳定制冷状态下，一方面其冰箱保温层厚度与冰箱尺寸比例大于1；另一方面聚氨酯和VIP板两种材料导热系数差别较大，故可将两种保温材料的复合平壁传热模型看成复合平壁的二维稳态传热，如图2。

2.2.1 二维稳态传热模型修正

VIP板的有效导热系数，与发泡层导热系数差距较大，二者叠加后存在二维传热变化及接触传热，总热阻的计算与实际情况有偏差，需将计算结果乘以由实验确定的修正系数，借助工程经验进行修正，如表1，VIP板导热系数/聚氨酯导热系数比约为0.1，即λ2/λ1=0.1，故修正系数φ=0.86。

2.2.2 VIP有效导热系数修正模型

聚氨酯发泡材料相比VIP板其结构单一质地均匀，属于各向同性材料。而VIP板则完全不同，它是一个结构性的复合体，主要由三部分组成，包括外部的薄膜阻隔袋、内部的芯材和吸气剂，结构相对复杂，属于各向异性材料。VIP板的热桥效应和综合导热系数不同于常规的绝热材料，因其结构性整体上为非匀质材料，其表面隔膜的热导率很大，与内部芯材的热导率相比，一般可相差两个数量级甚至更大，因此部分热量会经过封口边缘经阻隔袋直接由热端传向冷端，在VIP封口边缘形成热桥，造成热量流失，VIP板的边角位置的导热系数明显大于其中心导热系数，热桥效应明显。边界的导热系数远大于隔热板的导热系数。这在冰箱的实际应用中我们应该给予考虑。国内外对热桥效应的研究亦较多，本文参考温永刚等[3]建立的热桥效应扩展模型。产生边界效应的主要原因是由层叠塑料膜中铝层所引起。铝层的导热系数较大，铝层越厚，隔热板的尺寸越小，则真空隔热板边界热损失率越大。因此，使用中必须根据绝热板的尺寸大小选定铝层厚度，在结构允许情况下尽可能减少铝层厚度并增加隔热板尺寸，以减少真空隔热板热损失率。因此VIP板实际的有效导热系数大于中心点测试的导热系数。具体影响参数如下：芯材厚度、导热系数、阻隔膜导热系数、阻隔膜厚度、VIP尺寸。有文献拟合VIP整体有效导热系数计算公式：

表1 二维稳态传热修正系数表查询表

图3 VIP板热桥效应示意图

图4 薄膜热流计测试冰箱示意图

图5 薄膜热流计测试冰箱复合平壁热流密度

图6 45mm厚复合平壁理论传热系数与实际传热系数对比图

表2 某冷藏冷冻箱原型机和增加VIP板后热负荷模型

式中：λeff——使用的VIP板的有效导热系数，单位为W／(m•K)；

λcop——VIP板厂家宣称的VIP板中心导热系数，单位为W／(m•K)；

Ip——使用的VIP板周长，单位为m；

Sp——使用的VIP板面积，单位为m2。

2.2.3 带VIP板传热模型建立

冰箱单面增加VIP板后，主要考虑二维复合传热和VIP板边界效应影响，单面使用VIP板：

式中：A为冰箱使用VIP板面的总面积，A1为VIP板使用面积；

αi——内箱壁表面对箱为箱内表面的空气表面表面传热系数；

αo——箱外空气对箱体外表面的内空气的表面传热系数，单位为W／(m2•K)；

δ——冰箱保温层总厚度，单位为m，其中δ=δ1+δ2；

δ1——聚氨酯隔热层厚度，单位为m；

δ2——VIP板厚度，单位为m；

λ1——聚氨酯热材料的导热系数，单位为W／(m•K)；

λ2——使用的VIP有效导热系数，即上文的λeff，单位为W／(m•K)；

φ——二维复合导热系数修正；

箱体各面的漏热等于冰箱各面漏热之和。

3 实验修正

3.1 门封漏热量Qb

通过箱门与门封条进入的漏热量Qb，采用反向热负荷的方法，即通过箱体外表面贴薄膜热流计，箱体内加热的方法测得，门封漏热=箱体总热负荷减号各面热流量。

通过反向热负荷门封漏热按单位长度拟合：

Qb=klΔt

式中：k——门封漏热系数，单位为W／(m•K)；

l——门封长度，单位为W／(m•K)。

3.2 VIP板实际使用修正

为保证VIP板使用模型的准确性，理论模型计算增加VIP板部分热流密度，与实际箱体使用VIP板面热流密度做对比。即制作冰箱箱体精确定位VIP板在箱体面的位置，冰箱正常制冷保证箱体内外具有一定温差。通过将需要分析的冰箱面划分区域，冰箱表面布置薄膜热流计测试修正冰箱整个面热负荷。

通过上述实验，对冰箱使用VIP板的热负荷仿真模型进行修正，针对阴阳膜VIP板，VIP板厚度在d=8～15mm范围内，VIP板边界效应影响根据整体尺寸使用的不同存在2～3d的影响。即直接在二维复合平壁传热模型中将使用VIP板的尺寸减小，如表2，某冷藏冷冻箱原型机和增加VIP板后热负荷模型。

表3 样机VIP板的使用情况

表4 BCD-560W VIP板样机耗电量测试与仿真模型预测结果

表5 BCD-650W VIP板样机耗电量测试与仿真模型预测结果

4 样机实验验证

通过冰箱各部分漏热模型分析和实验修正后的仿真模型对实际冰箱使用VIP板效果进行验证。本文以公司BCD-560W对开门和BCD-650W两个载体各制作2台VIP板样机，如表3为两个产品的样机使用VIP板的情况。

依据GB 12021.2-2015能耗测试方法进行测试，考虑影响冰箱耗电量的因素较多，特别是风冷冰箱，故仅比较稳定状态下的稳定耗电量，同时为避免系统效率影响稳态耗电量结果，实验中，通过在小范围内调整变频压缩机转速以减小原型机与增加VIP板后制冷系统循环效率的差异。如表4和表5两款冰箱使用VIP板耗电量测试验证结果，560W VIP板样机实验测试耗电量结果与仿真模型预测结果误差均在2%以内，650W VIP板样机实验测试耗电量结果与仿真模型预测结果误差均在6%以内。从两款冰箱样机测试结果可以推断，仿真模型预测热负荷结果与实际热负荷可控制在6%以内。

5 结论

本文利用传热学理论和工程经验公式对聚氨酯和VIP板两种保温材料组成的复合二维传热进行分析，通过热流传感器测试修正，并制作样机进行耗电量测试，验证了热负荷仿真模型的准确性。该热负荷仿真模型一方面可用于预测目前载体上使用VIP板的效果和VIP板使用性价比；另一方面可用于公司新产品开发性价比预测，特别是薄壁冰箱的性价比预测。对公司冰箱设计和生产应用能起到一定的指导作用。

[1] 杨世铭, 陶文铨. 传热学. 北京：高等教育出版社（第四版），2006.

[2] 章熙民，任泽霈. 传热学. 北京：高等教育出版社（第四版），2002.

[3] 温永刚，王先荣，陈光奇等. 真空绝热板VIP热桥效应分析[J]. 2009全国低温工程大会,2009.

[4] 马长州，魏邦福，崔培培. 热流量传感器在冰箱设计中的应用探讨[J]．2012年中国家用电器技术大会论文集. 中国轻工业出版社，2012.

[5] VIP板应用于冰箱时的优化研究[J]．2016年中国家用电器技术大会论文集. 中国轻工业出版社，2016.