基于新能耗标准的冷柜制冷系统优化

徐 珂，冀盛亚

（1.河南工学院 工程技术教育中心，河南 新乡 453003；2.河南工学院 电缆工程学院，河南 新乡453003）

随着国家能效标准GB12021.2—2015 的实施，消费者对家电产品的能耗要求也越来越高，节能环保冷柜已经成为冷柜产品开发的一大趋势。家电制造企业应适应消费者的需求，在降低冷柜的耗电量上下功夫。

冷柜节能一般从两个方面考虑：一是如何有效利用冷量，减少冷量损失，即提高冷量利用率和改善冷柜箱体绝热，包括使用高效压缩机、加厚绝热层或使用真空绝热板等；二是如何进行高效能量转换，即设计高效节能制冷回路，如合理的制冷循环形式、蒸发器及冷凝器优化设计、合适的压缩机开停时间等[1]。

选用高效压缩机、加厚绝热层会导致冷柜成本增加，不易被市场接受。所以研究冷柜制冷系统的合理布局，是降低冷柜耗电量、提高能效的首选。

冷柜的制冷装置有两种，一种是上供下回的供液装置，这种装置蒸发器的传热系数约为5000kW/m2；另一种是下供上回的供液装置，这种改变传统制冷系统中制冷剂的流动方向，制冷剂在管路中反向流动(由下向上)，能充分地沸腾换热，吸收更多热量，同时使吸热蒸发的制冷剂气体更易于被压缩机吸入，可增加压缩机的制冷剂吸入量，使压缩机实际的工作时间减少，降低了能耗，而且单位时间内制冷剂蒸发比较充分，蒸发器管的传热系数提高到 8000kW/m2。[2,3]。

本文根据冷柜的两种制冷方式设计了三种制冷系统管路布局方案，使制冷系统内部制冷剂通过毛细管节流后所形成的低温低压液体分别流向冷柜的不同部位，通过对比试验，寻找出影响冷柜能耗的因素，在满足冷柜能耗达到新国标能耗要求的条件下，选择最合理的方案。

1 制冷系统布局方案

本文以BCD-192 卧式双箱冷柜为例，其冷冻室有效容积为100L，冷藏室有效容积为92L，二级能效限定值为0.625kwh/24h[4]。

三种制冷系统管路布局方案如下：

方案一：制冷剂首先流向冷藏室上部，双毛细管系统（如图1）。

图1 制冷系统流向：先走冷藏室上部

方案二：制冷剂首先流向冷冻室上部（如图2）。

图2 制冷系统流向：先走冷冻室上部

方案三：制冷剂首先流向冷冻室下部（如图3）。

图3 制冷系统流向：先走冷冻室下部

2 性能试验及分析

2.1 试验设备、装置和试验方法

试验设备及装置：冰箱性能试验监测室、计算机温度采集及分析系统、M 试验包、铜圆柱测温点、标准测温点等。

试验方法：将三种制冷系统的试验样机各一台放置于冰箱性能试验室中，按照国标要求在环境温度16℃和32℃，相对湿度45%～75%条件下分别进行测试，在冷冻室布M 试验包，冷藏室布铜圆柱测温点（见图4）[5]。将冷柜通上电源，调整温控器档位，保证冷冻室M 试验包最高点温度≤-18℃，冷藏室温度在国标规定的范围并且≤4℃。在冷柜连续工作24 小时后并处于稳定状态时，通过计算机温度采集与分析系统记录三台样机的温度数据及曲线，计算出耗电量。

图4 试验包及测温点布点图

2.2 耗电量测试结果

在冷冻室M 试验包最高点温度≤-18℃条件下，测得耗电量测试曲线如图5、6、7 所示。计算出三种样机耗电量，见表1。

图5 方案一的耗电量温度曲线（部分）

图6 方案二的耗电量温度曲线（部分）

图7 方案三的耗电量温度曲线（部分）

表1 BCD-192 冷藏冷冻箱耗电量一览表

2.3 耗电量分析

（1）方案一：制冷剂经压缩机压缩、冷凝器放热后，经过第一毛细管节流后形成低温低压液体，进入冷藏室蒸发器，吸热后再经第二毛细管节流进入冷冻室蒸发器。由第二毛细管节流所造成的有效能损失，在制冷剂为R12、R134a 时分别占输入功的11.29%、12.01%[6]，使得冷冻室温度波动较大，耗电量达不到二级能效限定值。

（2）方案二：制冷剂经毛细管节流后，进入冷冻室蒸发器上部，再走冷藏室上部。由于制冷剂流过冷冻盘管后要反向流动(由下向上)到冷藏盘管的上部，冷藏盘管虽然可以充分利用蒸发器的末端蒸发换热，来满足4℃的冷藏温度要求，但制冷剂的流动受沿程阻力影响，盘管竖向布置会使制冷剂在管路中流动阻力增大，产生有害压降，使系统制冷量减少，换热效率低，制冷剂蒸发不充分，节能率低。

该方案耗电量比方案一小。

（3）方案三：制冷剂经毛细管节流后，进入冷冻室蒸发器下部，再走冷藏室上部，改变了传统制冷系统中制冷剂的流动方向,制冷剂可以在管路中吸收更多热量，充分沸腾换热，同时冷藏盘管充分利用蒸发器的末端蒸发换热，来满足4℃的冷藏温度要求，降低了耗电量，提高了能效指数。这种下供上回满液式供液蒸发冷柜，制冷剂经过毛细管节流后，从蒸发器下口进入蒸发器，由下向上进行蒸发，气态制冷剂从蒸发器上口进回气管组，再回到压缩机；没有充分蒸发的制冷剂仍留在蒸发器下部形成满液式蒸发，进一步沸腾蒸发，直至完全汽化。这种方案单位时间内制冷剂蒸发比较充分，蒸发器管的传热系数提高到8000kW/m2，提高了单位时间制冷量，使压缩机实际的工作时间减少，降低了能耗[7]。

相比之下，方案三的耗电量最小，达到国标二级能效要求。

3 高温负载试验

3.1 32℃高温负载试验（冷冻室放入瓶装水）

制冷系统方案在满足国标所要求的耗电量的同时，需考虑消费者的使用习惯。

使用冷柜销售冰糕、瓶装水的用户，在夏天习惯将环境温度下的一箱(24 瓶)或两箱(48 瓶)瓶装水一次性放入冷冻室。这时，冷冻室与冷藏室的热负荷迅速发生变化，冷冻室需要大量的冷量来降低瓶装水温度，冷藏室温度就会升高。

按三种方案制作试验样机分别进行试验。将环境温度调整为32℃，冷冻室放入占冷冻室容积50%的冷冻负载（试验包），冷藏室布置铜质圆柱。调整温控器使冷冻室温度达到-18℃，稳态后运行6 个小时，在冷冻室放入40 瓶瓶装水进行试验。试验结果见表2。

表2 BCD-192 冷藏冷冻箱高温负载试验

试验结果表明：三种方案在放入瓶装水后，除方案一超标外，方案二与方案三冷藏室温度都小于4℃，符合国标要求。

3.2 32℃高温负载试验（冷藏室放入瓶装水）

将环境温度调整为32℃，冷冻室放入占冷冻室容积50%的冷冻负载（试验包），调整温控器使冷冻室温度达到-18℃，稳态后运行6 个小时，在冷藏室放入20 瓶瓶装水进行试验（冷冻室温度稳态后，方案一、二的冷藏室温度变化一致，只取方案二数据即可）。试验结果见表3。

表3 BCD-192 冷藏冷冻箱高温负载试验

试验结果显示：5 小时后方案三冷藏室水点平均温度比方案二低0.72℃，方案三降温速度快。

4 结论

（1）方案一耗电量最大，无法通过调整制冷方式达到国标能耗要求。

（2）方案二耗电量居中，能耗满足国标要求。但能耗值与标准值接近，调整空间小，冷柜生产时如制冷管路与内胆贴附不严，很容易出现制冷差等批量事故。

（3）方案三耗电量最小，能较好满足国标能耗要求。采用这种下供上回的供液装置、制冷剂流向先走冷冻室下部再走冷藏室上部的制冷系统，避免了不能满足能耗要求而必须开发全新产品的问题，可节省巨大的模具投入费用和产品设计开发费用。