摘要： 為研究變頻壓縮機(jī)對(duì)冰箱的節(jié)能效果，通過仿真軟件分別對(duì)變頻壓縮機(jī)與定頻壓縮機(jī)在不同類型冰箱上進(jìn)行分析，研究變頻壓縮機(jī)節(jié)能的效果以及應(yīng)用它產(chǎn)生的問題，并為如何提高變頻壓縮機(jī)的節(jié)能效果提出一些方向。

　　1 前言

　　對(duì)于目前冰箱的研究來說，冰箱的能耗要求已經(jīng)處于比較重要的地位。為降低冰箱的能耗，在綜合對(duì)其各部件的優(yōu)化設(shè)計(jì)、改良性能以外，提高壓縮機(jī)的效率是主要的決定因素。從2000年開始，壓縮機(jī)的COP從1 .3左右上升至1.8左右，基本上將冰箱的能耗降低50%，但同時(shí)因環(huán)保的要求，冰箱發(fā)泡材料由R11改為環(huán)戊烷后，導(dǎo)熱系數(shù)由0.16提高至0.20左右，發(fā)泡材料的性能變差20%，即基本上將冰箱的能耗加大20%。對(duì)于生產(chǎn)冰箱的企業(yè)來說，也通過加大冰箱的發(fā)泡層或通過改進(jìn)發(fā)泡材料的性能降低冰箱的能耗，如采用245fa或采用添加劑作為發(fā)泡劑來改善保溫的性能。

　　當(dāng)壓縮機(jī)的技術(shù)發(fā)展到一定程度后，再提高壓縮機(jī)的COP已經(jīng)是有相當(dāng)?shù)睦щy，因此目前市場(chǎng)上開始推行變頻壓縮機(jī)。變頻壓縮機(jī)對(duì)冰箱的性能會(huì)不會(huì)有什么大的變化？筆者通過自主開發(fā)的冰箱性能仿真系統(tǒng)軟件，對(duì)變頻壓縮機(jī)裝配在不同類型的產(chǎn)品上，與同性能要求的交流定頻壓縮機(jī)進(jìn)行能耗對(duì)比分析。

　　變頻壓縮機(jī)主要以直流變頻為主，采用BLDC電機(jī)，目前它的效率也可以達(dá)到1.8左右的水平，與高效的交流定頻壓縮機(jī)能效相差不大。對(duì)于它在低轉(zhuǎn)速和高轉(zhuǎn)速的運(yùn)行情況下，其效率會(huì)比在中轉(zhuǎn)速的情況下有所降低。某型號(hào)變頻壓縮機(jī)的效率變化如表1所示。對(duì)于變頻壓縮機(jī)來說，需要變頻板的控制，會(huì)消耗2W左右的能耗；而且主控板還需要采用開關(guān)電源設(shè)計(jì)，對(duì)比于機(jī)械溫控或開關(guān)電源控制的普通冰箱，大約增加0.05kWh/24h的能耗。

　　2 仿真對(duì)比分析

　　變頻壓縮機(jī)對(duì)環(huán)境的適應(yīng)能力很強(qiáng)，當(dāng)冰箱的工作環(huán)境或使用環(huán)境發(fā)生改變時(shí)，壓縮機(jī)會(huì)通過改變轉(zhuǎn)速產(chǎn)生不同的制冷量來滿足冰箱的負(fù)荷要求。另外當(dāng)壓縮機(jī)處于小功率運(yùn)行時(shí)，由于蒸發(fā)溫度的提高，壓縮機(jī)的COP會(huì)上升，從而降低冰箱的耗電量。那么這種因蒸發(fā)溫度的上升對(duì)提高性能有多大的變化，筆者通過自開發(fā)的仿真軟件對(duì)變頻壓縮機(jī)和定頻壓縮機(jī)在直冷冰箱、無霜冰箱以及采用風(fēng)直冷多循環(huán)系統(tǒng)的冰箱上進(jìn)行模擬計(jì)算。

　　2.1直冷單循環(huán)制冷系統(tǒng)冰箱

　　變頻壓縮機(jī)選其在2400RPM的制冷量與COP，同時(shí)也選用相當(dāng)?shù)慕涣鞫l壓縮機(jī)，輸入相應(yīng)仿真軟件系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算。圖1為機(jī)械溫控冰箱采用仿真軟件的相關(guān)計(jì)算結(jié)果。

　　對(duì)于電腦溫控冰箱，如果控制板采用開關(guān)電源設(shè)計(jì)，則控制板的功耗可降低至0.2W以下，耗電量約為0.0048kWh/24h。對(duì)于機(jī)械溫控冰箱，除壓縮機(jī)外沒有其它的功耗，所以采用定頻壓縮機(jī)的冰箱耗電量為0.44kWh/24h。

　　如果采用定頻壓縮機(jī)，控制板采用變壓器線性降壓，控制板的功耗為2W，則冰箱的耗電量為0.48kWh/24h，能耗增加10%。同樣采用變頻壓縮機(jī)，變頻板的功耗一般為2W，選用變頻壓縮機(jī)2400轉(zhuǎn)運(yùn)行，它的制冷量與定頻壓縮機(jī)相同時(shí)，冰箱的能耗也約為0.48kWh/24h，相對(duì)于機(jī)械溫控冰箱，耗電量會(huì)加大約10%的水平。

　　由于變頻壓縮機(jī)可以通過改變轉(zhuǎn)速進(jìn)行節(jié)能，當(dāng)變頻壓縮機(jī)按1600轉(zhuǎn)運(yùn)行時(shí)，壓縮機(jī)的制冷量會(huì)減少。對(duì)于冰箱制冷系統(tǒng)來說，蒸發(fā)溫度會(huì)上升。蒸發(fā)器上升后，會(huì)帶來壓縮機(jī)的效率提高。從圖2的仿真計(jì)算結(jié)果看，冰箱的耗電量減小至0.45kWh/24h，與機(jī)械溫控的冰箱能耗比較接近。在這種低轉(zhuǎn)速的情況下，冰箱的開機(jī)率會(huì)加大，蒸發(fā)溫度也上升約2.5℃，壓縮機(jī)的效率提高了10%，基本上可以消除由于控制板的功耗產(chǎn)生的能量損失。另外從冰箱的運(yùn)行開機(jī)率的數(shù)據(jù)可以說明壓縮機(jī)的制冷量仍然偏大。

　　當(dāng)壓縮機(jī)選用更低轉(zhuǎn)速時(shí)，壓縮機(jī)制冷量更低。當(dāng)變頻壓縮機(jī)按1000RPM運(yùn)行時(shí)，仿真計(jì)算顯示(見圖3)，冰箱的耗電量達(dá)到0.43kWh/24h，也達(dá)到機(jī)械溫控冰箱的效果，開機(jī)率也達(dá)到可以控制的要求。此時(shí)壓縮機(jī)的效率更高，蒸發(fā)溫度也上升更多。

　　通過對(duì)變頻壓縮機(jī)在直冷單循環(huán)系統(tǒng)上的不同制冷量情況下運(yùn)行，從計(jì)算的結(jié)果中也可以看出壓縮機(jī)對(duì)直冷冰箱的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)要求也發(fā)生的變化。一般直冷單循環(huán)系統(tǒng)冰箱，冷藏室蒸發(fā)器的蒸發(fā)面積與冷凍室是通過匹配來達(dá)到節(jié)能的效果。但變頻壓縮機(jī)由于能量的變化，造成冷藏與冷凍的蒸發(fā)器面積匹配也發(fā)生了變化，這對(duì)于直冷單循環(huán)系統(tǒng)冰箱來說，是不可能會(huì)自動(dòng)適應(yīng)壓縮機(jī)的變化要求。當(dāng)壓縮機(jī)低速運(yùn)行時(shí)，在冷凍蒸發(fā)器的面積不變的情況下，可以通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)冷藏室的蒸發(fā)器面積也在變小；當(dāng)壓縮機(jī)的制冷量加大時(shí)，要求冷藏的蒸發(fā)面積加大，但對(duì)于此類產(chǎn)品，在實(shí)際中是不可能會(huì)改變，這樣會(huì)出現(xiàn)的問題是冷藏室的制冷量偏小，當(dāng)冷凍室的溫度超過要求，冰箱耗電量會(huì)加大，也無法體現(xiàn)變頻壓縮機(jī)快速制冷的特點(diǎn)。圖4為變頻壓縮機(jī)采用高轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí)的計(jì)算結(jié)果。

　　對(duì)于直冷冰箱來說，由于系統(tǒng)的簡(jiǎn)單性，圖6 變頻壓縮機(jī)在無霜冰箱中低速運(yùn)行計(jì)算結(jié)果圖7 變頻壓縮機(jī)在低速運(yùn)行的計(jì)算結(jié)果（調(diào)整化霜） 圖8 變頻壓縮機(jī)在高速運(yùn)行的計(jì)算結(jié)果技術(shù)含量降低，以及控制系統(tǒng)中的能耗控制方式與成本的對(duì)比，采用變頻壓縮機(jī)對(duì)產(chǎn)品的能耗并不能體現(xiàn)它的優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)由于系統(tǒng)匹配的限制，對(duì)于變頻壓縮機(jī)由于具有可變的冷量，可以快速降溫，從而達(dá)到提高食品的保鮮效果，也無法得到實(shí)現(xiàn)。變頻壓縮機(jī)在高速運(yùn)行時(shí)，冰箱壓縮機(jī)的開機(jī)率減小，但冷藏的蒸發(fā)器面積卻無法加大。

　　2.2無霜冰箱

　　由于直冷冰箱系統(tǒng)的蒸發(fā)面積無法適應(yīng)變頻壓縮機(jī)的調(diào)節(jié)要求，筆者同樣通過對(duì)同一種類型的無霜冰箱進(jìn)行仿真系統(tǒng)的模擬計(jì)算。

　　無霜冰箱的制冷系統(tǒng)要復(fù)雜很多，在涉及到普通制冷系統(tǒng)的同時(shí)，還涉及到風(fēng)道系統(tǒng)，同時(shí)還包括了化霜系統(tǒng)，因此對(duì)它的分析難度要大更多，但通過仿真計(jì)算（見圖5），大約可以分析出結(jié)論。

　　在化霜累計(jì)時(shí)間不變的情況下，依然按壓縮機(jī)累計(jì)運(yùn)行時(shí)間計(jì)算，選變頻壓縮要低轉(zhuǎn)速1600RPM情況下運(yùn)行。圖6為變頻壓縮機(jī)在低速時(shí)的運(yùn)行計(jì)算結(jié)果。

　　從對(duì)比結(jié)果來看，蒸發(fā)溫度上升約2℃，壓縮機(jī)的效率也提高約10%，但冰箱的耗電量卻加大約4%，另外開機(jī)率也加大了40%。造成能耗加大的原因，是由于化霜累計(jì)時(shí)間發(fā)生了變化，一般來說，無霜冰箱的化霜能耗占冰箱的總能耗約10%的水平，當(dāng)化霜累計(jì)時(shí)間越短時(shí)，產(chǎn)生的能耗影響越大，但是時(shí)間的長(zhǎng)短與冰箱的化霜效果以及制冷的效果也是相關(guān)聯(lián)的，對(duì)其時(shí)間的長(zhǎng)短確定，也是有一個(gè)優(yōu)化的過程。為更好研究變頻壓縮機(jī)的節(jié)能效果，筆者依實(shí)際的經(jīng)驗(yàn)，改變化霜的累計(jì)時(shí)間，由原設(shè)計(jì)的時(shí)間改為更為合理的時(shí)間，從而適應(yīng)變頻壓縮機(jī)的低速特點(diǎn)。圖7為變頻壓縮機(jī)在低速運(yùn)行的計(jì)算結(jié)果（調(diào)整化霜）。

　　由于冷藏與冷凍間的風(fēng)量可以通過風(fēng)門進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，它會(huì)克服直冷冰箱中蒸發(fā)器面積的不匹配產(chǎn)生的問題，但是對(duì)于風(fēng)冷冰箱來說，本身也有自身的問題存在，如化霜的問題，如果設(shè)計(jì)不好，還是會(huì)產(chǎn)生比較大的能耗。通過調(diào)整好化霜狀態(tài)，在不考慮控制板的功耗情況下，壓縮機(jī)在低速運(yùn)行時(shí)，對(duì)能耗有一點(diǎn)好處，但也只有3%左右的水平，說明變頻壓縮機(jī)通過改變轉(zhuǎn)速達(dá)到節(jié)能的效果有一定的限度。

　　采用變頻壓縮機(jī)在高轉(zhuǎn)速的情況下運(yùn)行，冰箱的開機(jī)率降低20%，說明冰箱的降溫速度加快，制冷量大，這種冰箱對(duì)于高溫環(huán)境下具有較強(qiáng)的制冷能力，但冰箱的耗電量在加大。圖8為變頻壓縮機(jī)在高速運(yùn)行的計(jì)算結(jié)果。

　　通過變頻壓縮機(jī)在無霜冰箱上的仿真分析，雖然對(duì)冰箱系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)要求降低了，在重新解決化霜系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案后，有一點(diǎn)節(jié)能效果但不太明顯。這些冰箱還只是基于采用電動(dòng)風(fēng)門設(shè)計(jì)，控制板的功耗與變頻壓縮機(jī)相同的情況下發(fā)生，所以對(duì)于目前流行的對(duì)開門冰箱，采用變頻壓縮機(jī)有一定的作用。

　　2.3風(fēng)直冷多循環(huán)系統(tǒng)冰箱

　　對(duì)于采用雙循環(huán)獨(dú)立制冷的冰箱來說，冷藏室與冷凍室都是獨(dú)立運(yùn)行，兩者的蒸發(fā)器采用并聯(lián)的設(shè)計(jì)方式，這也是筆者公司產(chǎn)品具有的分立多循環(huán)制冷系統(tǒng)的特點(diǎn)。采用分立多循環(huán)的冰箱由于每一個(gè)室都可以獨(dú)立運(yùn)行，它的運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)短都是按照每一個(gè)室的實(shí)際能量需求，來決定它的壓縮機(jī)運(yùn)行時(shí)間的長(zhǎng)短，雖然它并不能調(diào)節(jié)壓縮機(jī)的實(shí)際制冷量，但是它也可以通過主動(dòng)適應(yīng)冰箱使用環(huán)境的變化要求，來達(dá)到快速制冷的目的，而且它也適用于壓縮機(jī)小制冷量與大制冷量的變化。為對(duì)比分析，筆者選用某型號(hào)產(chǎn)品進(jìn)行對(duì)比，該產(chǎn)品的冷凍室采用無霜設(shè)計(jì)，冷藏室采用直冷設(shè)計(jì)。同樣筆者通過相應(yīng)仿真軟件系統(tǒng)進(jìn)行模擬計(jì)算，研究?jī)烧叩墓?jié)能情況。

　　當(dāng)選用相同的制冷量和制冷效率的壓縮機(jī)后（變頻壓縮機(jī)選為中轉(zhuǎn)速2400RPM），冰箱的控制板的功耗選2W。圖9為壓縮機(jī)在風(fēng)直冷雙循環(huán)系統(tǒng)冰箱中的運(yùn)行計(jì)算結(jié)果。

　　通過風(fēng)直冷冰箱進(jìn)行模擬計(jì)算，可以看出冰箱兩室不同的蒸發(fā)溫度要求，不同的壓縮機(jī)制冷量變化，當(dāng)冷凍室在進(jìn)行變化時(shí)，冷藏室的參數(shù)將保持不變化。

　　當(dāng)采用變頻壓縮機(jī)的低轉(zhuǎn)速運(yùn)行參數(shù)時(shí)，冰箱的運(yùn)行參數(shù)如圖10所示。

　　冷藏室與冷凍室的蒸發(fā)溫度都上升，說明壓縮機(jī)的效率都會(huì)上升，冰箱的耗電量也降低了3.5%左右。但是冰箱的開機(jī)率明顯出現(xiàn)加大，這樣對(duì)于冷凍室來說，化霜會(huì)加大一部分能耗。從圖9與圖10的對(duì)比可以看出，冰箱降低的能耗主要是冷藏室，而冷凍室并沒有什么效果，這同樣是因?yàn)榛塾?jì)時(shí)間的影響。

　　上面的對(duì)比分析只是基于控制板的功率為2W的情況下，對(duì)于采用定頻壓縮機(jī)來說，可以通過采用開關(guān)電源設(shè)計(jì)進(jìn)行節(jié)能，圖11為定頻壓縮機(jī)在采用低功耗控制板的情況下的冰箱能耗計(jì)算結(jié)果。

　　將控制板的線性變壓器采用開關(guān)電源設(shè)計(jì)，降低的能耗約8%，大大低于采用變頻壓縮機(jī)的低轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí)的能耗。

　　3 結(jié)論

　　通過變頻壓縮機(jī)在上述幾種類型冰箱中的仿真分析，采用變頻壓縮機(jī)對(duì)冰箱的節(jié)能在特殊的情況下有一點(diǎn)效果，這一點(diǎn)主要基于控制板的功耗和控制程序的優(yōu)化，雖然它可能會(huì)因?yàn)閷?duì)環(huán)境具有多變適應(yīng)功能，但是對(duì)于目前冰箱中出現(xiàn)的多循環(huán)制冷系統(tǒng)已經(jīng)克服了單一制冷系統(tǒng)的缺點(diǎn)。另外采用變頻壓縮機(jī)在控制技術(shù)方面存在較大的能耗，對(duì)于目前冰箱的能耗普遍較低的情況下，這也制約了它的節(jié)能效果。

　　對(duì)于變頻控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，目前也采用了許多的抗干擾技術(shù)，如濾波、電抗器等，但它還是會(huì)對(duì)電網(wǎng)或其它電器設(shè)備有干擾，所以對(duì)于冰箱來說，如果想達(dá)到節(jié)能的效果而選用變頻壓縮機(jī)，在方向上還不是非常明智的選擇。