冰箱换热器低碳高效技术要求标准化探索

陈 林 钱 峰 江晨钟

（广东美的制冷设备有限公司 佛山 528311）

引言

据国际能源署（IEA）发布的《全球能源与碳排放状况年度报告》显示，家电用电量占比超过20 %，住宅碳排放量占比超过30 %。在碳中和及能源危机的背景下，各国均大幅提升家用电器的能效标准，这就要求，冰箱等制冷家电产品需要进一步提升制冷效率。另一方面，随着冰箱作为嵌入式家电的重要代表，对于冰箱容积率的追求越来越极致化。GB/T 8059-2016《家用和类似用途制冷器具》国家标准中已取消了冰箱有效容积的概念，只保留了实测容积的概念。挤占实测容积的除了泡层之外，主要是压缩机仓、风道组件和换热器组件。

因此，换热器（含冷凝器和蒸发器）作为冰箱换热核心设备，正不断向着高换热效率、小尺寸、低耗材的方向发展[1]，尤其是近年来发展迅速的微通道换热器、小管径翅片式换热器，其小型化高换热效率的特点已成为家用冰箱换热器重要的研发方向[2]。而这方面的技术要求，尤其是如何以标准形式进行统一的要求，目前仍在探索阶段。

1 冰箱换热器技术发展方向和标准化需求

结构紧凑、低重量、小体积、换热性能良好的换热器是当前换热器发展的主要方向，总的要求即“低碳”+“高效”。究其原因，要求“低碳”主要是因为换热器完全由金属制成，在冰箱制冷系统中，重量、体积占比均较高，其小型低碳化设计，具有提高冰箱的容积率、节省金属耗材、降低整机重量、减少制冷剂充注量等多重作用。目前较为主流的翅片式换热器的换热管管径为 8 mm。若换热器管径进一步缩小到 6 mm 甚至5 mm，即使在管壁厚度不变的情况下，铜管、铝管的用量均可大幅减少。实际上，由于管径变小后耐压强度的增加，换热管的壁厚可以相应变薄，进一步减少铜铝等耗材在换热器上的使用。将小管径的换热管应用于换热器，可以有效减少材料消耗和制冷剂充注，降低制冷设备厂商的生产成本。

而 “高效”是一直以来的追求，低碳的同时要更为“高效”，这就筛选出同时符合这两个要求的换热器类型。和其他类型的换热器相比，翅片式换热器和微通道换热器的换热性能相对更好，在满足相同制冷量的前提下体积可以相对更小。但微通道换热器有易积灰、结霜的缺点，应用场景易受限。整体而言，翅片式换热器具有传热性能好、运行可靠等特点，应用场景适应性相对更广，能较好适应换热器的整体发展方向。

“低碳”+“高效”虽然是换热器发展的方向，但是如何在标准中提出相应的指标，目前缺乏相应的实践。在实际工作中，由于换热器本身属于零部件，对其低碳和高效的标准指标需求相对于冰箱整机来说迫切程度降低，但市场面临着技术路线的选择，如果有标准指标对于换热器的低碳和高效指标进行衡量，将大大有助于小管径冰箱换热器等产品的推广和使用，从而加速技术的迭代。

2 冰箱换热器低碳高效要求标准发展现状

在2020 年之前，我国冰箱换热器相关的国家标准主要是GB/T 23133-2008《家用电冰箱蒸发器》和GB/T 23134-2008《家用电冰箱冷凝器》。这两份标准虽然规定了家用冰箱蒸发器和冷凝器相关术语、分类和一般的技术要求，但是没有规定换热量、流体阻力等概念、要求和测试方法[3]。而其他行业领域的换热器标准受制于换热量范围，并不适合家用冰箱换热器。为了研究冰箱换热器换热性能测试方法，行业内制定了DB34/T 3373-2019《家用和类似用途电器换热器换热量及流体阻力测试方法》安徽省地方标准、T/GDEACC 09-2019《家用电冰箱和类似用途电器换热器换热性能测试方法》广东省家电商会团体标准，这两份标准关于冰箱换热器的试验方法内容近似，较好地反映了行业内通行做法，也得到了业界的认可。2020 年，原GB/T 23133-2008《家用电冰箱蒸发器》和GB/T 23134-2008《家用电冰箱冷凝器》合并修订为GB/T 39557-2020《家用电冰箱换热器》[4]，除了换热器概念上的合并，增加了翅片式换热器、丝管式换热器、旋翅式换热器和微通道换热器的尺寸及极限偏差之外，最主要的内容是增加了换热器性能要求和性能测试方法，内容基本引用了前述安徽省地标，为冰箱和换热器企业提供一个统一的评价依据。

但是GB/T 39557-2020《家用电冰箱换热器》并没有提出更为明确的换热性能指标要求，仅仅规定“实测换热量不应低于名义换热量的90 %”。

近年来业内也出现了针对小管径换热器的相关团体标准，如T/CI 028-2022《4 毫米小管径管翅式不锈钢换热器》[5]等，不过均未明确提出对于低碳（耗材节省）和高效（换热效率提高）的标准指标要求。

笔者近期参与了T/CI 169-2022《低碳高效冰箱换热器技术要求》[6]中国国际科技促进会团体标准的制定工作，该标准针对翅片式冰箱换热器如何衡量低碳和高效的标准指标，进行了探索。

3 冰箱换热器低碳要求标准指标探索

3.1 基准换热器

所谓低碳要求，一般是要计算出产品的碳排放当量。但是换热器产品由于设计的需要，在不同功率要求的冰箱整机产品上，会设计不同的大小尺寸。因此，单纯规定某个换热器产品的碳排放当量而不考虑换热器大小是不现实的，必须要找到一个可以对比的“基准换热器”，在满足冰箱热负荷需求情况下，取材料属性相同（管和翅片材料属性分别相同）、外形尺寸（长宽高）等同的待测换热器和基准换热器，分别测量两者的相关参数进行比对，这样才具有衡量低碳指标的意义和可行性。

“基准换热器”的参数，考虑到行业情况，我们规定如下：D8*0.75 平片换热器（管内直径为8 mm，壁厚0.75 mm），翅片间距10/5 mm（对于排数>2 的底部两排翅片间距10 mm，其余5 mm；对于排数≤2 的翅片间距为10 mm），翅片厚度0.15 mm，排间距22 mm，列间距19 mm。

一般情况材料的属性有：管和翅片均为一种材料、管为一种材料翅片为另一种材料，不太可能出现管有混材或者翅片有混材的情况，因此基准换热器材料属性只需保证管和翅片分别与待测换热器的管和翅片相同即可。

3.2 碳排放边界的取舍和“低碳”指标

有了基准换热器的概念和参数，那么换热器的碳排放当量如何计算，我们首先考虑了换热器碳排放边界问题。正常的排放边界应涵盖原材料加工、产品生产制造、产品销售、产品使用、产品回收全生命周期，但是考虑到换热器本身产品的生产制造、产品销售以及产品回收阶段碳排放核算无法基于产品本身指标得出数据，因此为了实际的计算和对比，舍去这些因素，暂只考虑材料制造碳排放及产品使用过程碳排放。将同尺寸、同材料属性待测换热器和基准换热器材料制造碳排放当量和使用过程碳排放当量分别测算，分别进行对比，不计算和对比总的碳排放。

对于“低碳”指标，考虑到行业实际情况，规定“低碳高效换热器的材料制造碳排放当量应低于基准换热器的5 %及以上，且装在同型号冰箱整机上的使用过程碳排放低于基准换热器使用过程碳排放。”使用过程碳排放不一并规定应低于基准换热器的5 %，主要是考虑到现在低碳高效换热器尤其是小管径换热器的应用还刚刚开始，其在冰箱整机上的效能发挥还受到多重因素的影响，因此暂时降低要求，只要低碳高效换热器对比基准换热器，实测出冰箱整机能耗有所降低即可。

3.3 材料制造碳排放当量和使用过程碳排放当量的计算

对于材料制造碳排放当量的计算：先将同尺寸、同材料属性（管和翅片的材料属性分别相同）的待测低碳高效换热器和基准换热器分别拆解为铝材和铜材，分别测待测换热器和基准换热器的铝材和铜材质量，铝材加工耗电设为 A kW*h/ 吨，铜材加工耗电设为B kW*h/ 吨，CO2排放量（kg）= 耗电度数×0.785，通过换热器材料重量先折算为制造耗电量，再折算为CO2排放量。

换热器材料碳排放（kg）=[铝材质量（吨）×A kW*h/ 吨+ 铜材质量（吨）×B kW*h/ 吨]×0.785 kg/kW*h。

铝材和铜材加工耗电量会随着技术发展、原材料生产企业工艺的不同而发生变化，为了便于计算，我们将铝材加工耗电取 A =13 500 kW*h/吨，铜材加工耗电取B =1 100kW*h/吨。如若低碳高效换热器的管或翅片采用了不锈钢等其他新材料，应制作与之相同材料属性的基准换热器，并查询新材料的加工耗电量，按照相同的方法测算总的材料碳排放。

对于使用过程碳排放当量的计算：分别将同尺寸、同材料属性低碳高效换热器和基准换热器安装在同一型号冰箱整机上，分别测得低碳高效换热器和基准换热器的整机日均耗电量C 和 D（kW*h/日）， 结果应为：C ＜D。如需继续算出数值，使用过程CO2排放量（kg）=日均耗电量（kW*h/日）×365×0.785。

材料碳排放实际测量中，我们使用了全铝的基准换热器和待测换热器，得出材料碳排放降低达到22.7 %，符合标准要求，具体参数见表1。

表1 常规换热器与美的换热器成本及碳排放

在使用过程碳排放实际的测量中，我们将项目开发的低碳高效换热器分为大波纹翅片侧和小管径内齿管侧两部分对比基准换热器进行测量。依据国标GB 12021.2-2015《家用电冰箱耗电量限定值和能效等级》，对常规换热器与项目开发的大波纹翅片测换热器和常规换热器与项目开发的小管径内齿管侧换热器进行测试对比，可以看到采用大波纹翅片换热器整机能耗下降3.62 %，采用小管径内齿管换热器整机能耗下降2.09 %。综合而言，采用项目开发的大波纹小管径内齿管换热器，可以时冰箱整机提升能效5.7 %，符合标准要求，详见表2。

表2 常规换热器与参评低碳高效换热器整机性能提升对比

4 冰箱换热器高效要求标准指标探索

有了前文定义的“基准换热器”，对于换热器换热量“高效”的指标要求和衡量方法，也就有了方案：在满足冰箱热负荷需求情况下，取材料属性相同、外形尺寸（长宽高）等同或不小于待测低碳高效换热器的基准换热器，分别测量低碳高效换热器和基准换热器的换热量， 低碳高效换热器的换热量应高于基准换热器5 %。

具体的试验方法参照国标GB/T 39557-2020 附录C。标准工况：空气进口温度-18 ℃，空气进口流速0.5 m/s，冷冻液进口温度-28 ℃，冷冻液进口流速0.1 m/s，环境室干球温度-20 ℃，环境室相对湿度RH75 %。

在换热量的实际测量中，在相同尺寸换热器下，大波纹翅片侧比基准换热器换热面积增大30 %，相应换热量提升了14.75 %。，小管径内齿管侧比基准换热器换热面积增大100 %，相应换热量提升了8.2 %。综合得出：大波纹小管径内齿管换热器比基准换热器的换热量提升22.95 %，满足标准要求。

5 其他指标的设置

除了“低碳”“高效”这两个最关键的指标，为了增大换热面积和制冷剂流速，多项研究对于换热器管内结构也进行了革新，如增加内齿结构等，如图1 所示。因此，对于具有内齿结构宣称低碳高效的换热器，我们也给出相应的管内结构尺寸标准指标：管内可为光管或内齿管，如为内齿管齿型可为梯形或三角形等多种形状，内齿管齿数n 满足：20 ≤n ≤100，齿高e 满足：e ≥0.05 mm，齿顶角α 满足：α ≤20 °。管外径d 满足：5 mm ≤d ≤8 mm，极限偏差±0.05 mm，壁厚δ满足：0.5 mm ≤δ ≤0.75 mm，极限偏差±0.02 mm，翅片厚度δ1 满足：0.095 mm ≤δ1 ≤0.15 mm，极限偏差±0.01 mm，翅片换热面积S>翅片在进风方向垂直面上的投影面积（最大的投影面积）的105 %。

图1 内齿小管径换热器剖面图

6 结束语

低碳时代已加速来临，作为冰箱技术革新的前沿，换热器的低碳和高效要求，也需要通过标准指标的形式加以固化。本文通过探索冰箱换热器低碳高效标准指标的规定方法，以“基准换热器”为参照物，将同尺寸大小的待测换热器与基准换热器进行参数的比较，并合理选择碳排放边界，将“材料制造碳排放当量和使用过程碳排放当量”作为核算的重点，衡量出换热器低碳高效的具体指标要求，并给出测算方法。该探索给业内提出了一种衡量低碳高效冰箱换热器先进性的标准化方法，有助于先进换热器技术的推广和应用。如何进一步提高标准的适用性，简化标准测试方法，从而找出更为优化的换热器低碳高效标准测试衡量路径，需要业界进一步开展创新性研究。