混合制冷剂对于冰箱节能和冷量优化的影响

薛文超 朱小兵 张奎 刘建如

1.青岛海尔电冰箱有限公司 山东青岛 266101；

2.海尔智家股份有限公司 山东青岛 266101

0 引言

2020年12月21 日，中国国务院发布《新时代的中国能源发展》白皮书[1]，中国力争2030年达到碳达峰，2060年实现碳中和。为了实现该目标，需要全社会的共同努力。对家电企业来说，碳排放减少主要有两个方向：一是从碳排放核算角度，主要是减少企业范围二直接排放和范围三间接排放；二是从碳足迹的角度，从冰箱的整个生命周期核算碳排放。而冰箱节能减排对于冰箱碳足迹具有重要的意义。

根据国家统计局数据，自2010年以来，中国冰箱产量都在7000万台以上，其中2020年产量达到9014.7万台。从中国电力消耗来看，根据国家能源局发布数据整理，如表1所示，居民生活用电量近年来逐年增加，占全社会用电量的13%～15%之间，有接近万亿千瓦时的耗电量。依美国能源部数据，美国约有7.2%的家庭耗电来自电冰箱[2]，按照类似比例推算，则中国冰箱耗电量可能接近700亿千瓦时。冰箱作为在城乡居民普及率高，全时间段通电使用的家电，其降耗节能具有极其重要的意义。

表1 全国电力统计一览表

然而，随着人们生活水平的提高，人们对于食品冷藏、冷冻保鲜的需求越来越高，对食品冷冻储藏提出了更低的温度需求。储藏温度的降低，又势必带来冰箱热负荷和耗电的增加。为了降低能耗，冰箱节能的措施有使用高效压缩机（变频、变容、线性压缩机等）[3]，优化控制策略，增加隔热层厚度或者增强隔热材料绝热性能（采用隔热性能更佳聚氨酯、VIP等），提高门封性能（多气囊、辅助气囊、加强筋、波纹管结构、辅助边缘等结构优化，TPE和PVC材料优化等[4]），提高蒸发器和冷凝器换热能力[5]等。近来，使用相变材料（PCM）成为重要手段之一。PCM主要功能是减小间室的温度波动，降低开机率，匹配合适的情况下，COP能够增加10%～30%。[6]

除上述降低能耗的方式外，对于需要低温或者大冷量储存的冰箱，制冷剂也需要针对性进行相应优化。而有时单一制冷剂难以满足制冷系统的需求，需要根据制冷系统进行相应的混合优化。

1 理论模型

制冷系统中制冷剂的制冷压缩循环如图1所示。1点是压缩机的吸气点，回气温度按照32.2℃，2点是压缩机的排气点，1至2点按照等熵压缩计算，3是冰箱的除露管出口温度，按照32.2℃计算，4是冰箱的蒸发器进口点状态，3至4过程认为等焓降压。在计算过程中，对于混合制冷剂，其蒸发温度按照其露点温度计算，其冷凝温度按照泡点温度计算。

图1 制冷循环

在制冷循环中，压缩机容积效率ηv=λv·λp·λT·λl，压缩机的其他效率在某确定转速下认为是恒定值，其中，λv为压缩机间隙造成的容积系数，为压力系数，λT为温度系数为气密系数。

式中：C-相对余隙容积；-压缩比；m为多变膨胀指数；吸气压力损失；Ts-回气温度/K；Tc-冷凝温度/K；θ-过热度/K。

以压缩机VDTB90为例，使用Refprop进行拟合计算。取压缩机1380 r/min，制冷剂R600a和R290质量比为6:4，回气温度32.2℃，除露管过冷后温度32.2℃，进行非线性回归分析拟合，如表2。参数拟合后结果如图2所示，可以看到功率和制冷量的拟合误差都在3%以内，基本满足分析需求。

表2 方程拟合计算结果对比

暂不考虑由于制冷剂温度滑移导致的换热变化，蒸发压力、冷凝压力导致的压缩机电机效率、机械效率等，认为参数拟合值是一致的。

2 数据分析

在冷凝温度40℃下，不同蒸发温度下的制冷系统制冷量如图2所示。可以看到R600a、R290及R600a:R290不同质量比制冷剂混合物，其制冷量都随着蒸发温度降低而降低，且随着蒸发温度降低，制冷量衰减率越来越高。相对来说，R290制冷量随蒸发温度衰减更慢，R600a制冷量随蒸发温度衰减最快，混合制冷剂居中。以常用的蒸发温度-25℃为例，R600a冷量随着蒸发温度每降低1℃约降低5.2%，而纯R290制冷量随着蒸发温度每降低1℃约降低4.5%，5:5制冷剂混合物蒸发温度每降低1℃制冷量约降低5%。当蒸发温度降低至-45℃时，R600a制冷量随着蒸发温度每降低1℃约降低6.5%，而纯R290蒸发温度每降低1℃约降低5.5%，5:5混合制冷剂蒸发温度每降低1℃制冷量约降低6.4%。同时可以看到，相同蒸发温度下，R600a的制冷量要远低于R290制冷剂，对混合制冷剂，其制冷量随着R290含量增加而增加。在-40℃蒸发温度下，R600a制冷量为35.3 W，5:5混合制冷剂制冷量为50.5 W，比纯R600a制冷量高43%，R290制冷量为118.3 W，比R600a制冷量高235%。

图2 不同制冷剂在冷凝温度40℃，不同蒸发温度下的制冷量

从图3功率曲线来看，压缩机耗电功率也随着蒸发温度降低而降低，功率曲线衰减相对制冷量衰减更加平缓，每提高1℃蒸发温度，功率约降低2%～3%，而最终导致的结果如图4所示，随着蒸发温度降低，制冷系统的COP下降。整体来看，R600a系统的COP最高，R600a:R290=3:7的混合制冷剂COP最低。

图3 不同制冷剂在冷凝温度40℃，不同蒸发温度下的压缩机耗电功率

图4 不同制冷剂在冷凝温度40℃，不同蒸发温度下的COP

混合制冷剂的COP低，一部分原因是没有计算其温度滑移。混合制冷剂其蒸发温度和冷凝温度并不是恒定值，而是随着蒸发冷凝过程逐渐变化的。如图5所示，在冷凝温度40℃，R600a:R290质量比为5:5时，冷凝温度滑移6.8℃，蒸发温度滑移8.3℃以上，且随着蒸发温度降低，温度滑移逐渐增大。

图5 不同R600a和R290在质量比在冷凝温度40℃，不同蒸发温度下的温度滑移

以蒸发器、冷凝器滑移前后温度取算术平均值作为蒸发温度和冷凝温度进行校正，如图6、图7、图8所示，可以看到R600a和R290的混合制冷剂其COP位于R600a和R290二者之间，低于R600a，高于R290。R290混入R600a后，主要有两个不利影响，一是增加了制冷剂的冷凝压力，增大压缩机的噪声，二是降低了系统的COP，增加了耗电。但是在R600a中引入R290可以显著提高系统的制冷量。所以，从能耗和噪声综合角度考虑，在满足冷量需求下，使用R290和R600a混合制冷剂应尽可能降低R290的含量。

图6 R600a和R290按照滑移温度校正后，不同蒸发温度下的制冷量

图7 R600a和R290按照滑移温度校正后，不同蒸发温度下的功率

图8 R600a和R290按照滑移温度校正后，不同蒸发温度下的COP

3 结论

混合制冷剂能够满足冰箱更广温度范围的制冷需求。在冰箱有更大制冷量和更低的温度需求时，可以在合适开机率和噪声情况下，在R600a制冷剂中混入一定量的R290，尽量在满足冷量需求下，降低R290混入的比例。此外，对于混合制冷剂的温度滑移，也需要相应优化换热器的效率，针对性地设计制冷系统，以发挥混合制冷剂的最优效果。