PS219C4-AST

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PS219C4-AST描述

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摘要： 為研究變頻壓縮機對冰箱的節(jié)能效果，通過仿真軟件分別對變頻壓縮機與定頻壓縮機在不同類型冰箱上進行分析，研究變頻壓縮機節(jié)能的效果以及應用它產生的問題，并為如何提高變頻壓縮機的節(jié)能效果提出一些方向。
　　1 前言
　　對于目前冰箱的研究來說，冰箱的能耗要求已經處于比較重要的地位。為降低冰箱的能耗，在綜合對其各部件的優(yōu)化設計、改良性能以外，提高壓縮機的效率是最主要的決定因素。從2000年開始，壓縮機的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%，但同時因環(huán)保的要求，冰箱發(fā)泡材料由R11改為環(huán)戊烷后，導熱系數由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%。對于生產冰箱的企業(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。
　　當壓縮機的技術發(fā)展到一定程度后，再提高壓縮機的COP已經是有相當的困難，因此目前市場上開始推行變頻壓縮機。變頻壓縮機對冰箱的性能會不會有什么大的變化？筆者通過自主開發(fā)的冰箱性能仿真系統(tǒng)軟件，對變頻壓縮機裝配在不同類型的產品上，與同性能要求的交流定頻壓縮機進行能耗對比分析。
　　變頻壓縮機主要以直流變頻為主，采用BLDC電機，目前它的效率也可以達到1.8左右的水平，與高效的交流定頻壓縮機能效相差不大。對于它在低轉速和高轉速的運行情況下，其效率會比在中轉速的情況下有所降低。某型號變頻壓縮機的效率變化如表1所示。對于變頻壓縮機來說，需要變頻板的控制，會消耗2W左右的能耗；而且主控板還需要采用開關電源設計，對比于機械溫控或開關電源控制的普通冰箱，大約增加0.05kWh/24h的能耗。

　　2 仿真對比分析
　　變頻壓縮機對環(huán)境的適應能力很強，當冰箱的工作環(huán)境或使用環(huán)境發(fā)生改變時，壓縮機會通過改變轉速產生不同的制冷量來滿足冰箱的負荷要求。另外當壓縮機處于小功率運行時，由于蒸發(fā)溫度的提高，壓縮機的COP會上升，從而降低冰箱的耗電量。那么這種因蒸發(fā)溫度的上升對提高性能有多大的變化，筆者通過自開發(fā)的仿真軟件對變頻壓縮機和定頻壓縮機在直冷冰箱、無霜冰箱以及采用風直冷多循環(huán)系統(tǒng)的冰箱上進行模擬計算。
　　2.1直冷單循環(huán)制冷系統(tǒng)冰箱
　　變頻壓縮機選其在2400RPM的制冷量與COP，同時也選用相當的交流定頻壓縮機，輸入相應仿真軟件系統(tǒng)進行計算。圖1為機械溫控冰箱采用仿真軟件的相關計算結果。
　　對于電腦溫控冰箱，如果控制板采用開關電源設計，則控制板的功耗可降低至0.2W以下，耗電量約為0.0048kWh/24h。對于機械溫控冰箱，除壓縮機外沒有其它的功耗，所以采用定頻壓縮機的冰箱耗電量為0.44kWh/24h。
　　如果采用定頻壓縮機，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，變頻板的功耗一般為2W，選用變頻壓縮機2400轉運行，它的制冷量與定頻壓縮機相同時，冰箱的能耗也約為0.48kWh/24h，相對于機械溫控冰箱，耗電量會加大約10%的水平。
　　由于變頻壓縮機可以通過改變轉速進行節(jié)能，當變頻壓縮機按1600轉運行時，壓縮機的制冷量會減少。對于冰箱制冷系統(tǒng)來說，蒸發(fā)溫度會上升。蒸發(fā)器上升后，會帶來壓縮機的效率提高。從圖2的仿真計算結果看，冰箱的耗電量減小至0.45kWh/24h，與機械溫控的冰箱能耗比較接近。在這種低轉速的情況下，冰箱的開機率會加大，蒸發(fā)溫度也上升約2.5℃，壓縮機的效率提高了10%，基本上可以消除由于控制板的功耗產生的能量損失。另外從冰箱的運行開機率的數據可以說明壓縮機的制冷量仍然偏大。

　　當壓縮機選用更低轉速時，壓縮機制冷量更低。當變頻壓縮機按1000RPM運行時，仿真計算顯示(見圖3)，冰箱的耗電量達到0.43kWh/24h，也達到機械溫控冰箱的效果，開機率也達到可以控制的要求。此時壓縮機的效率更高，蒸發(fā)溫度也上升更多。
　　通過對變頻壓縮機在直冷單循環(huán)系統(tǒng)上的不同制冷量情況下運行，從計算的結果中也可以看出壓縮機對直冷冰箱的系統(tǒng)結構要求也發(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到最佳節(jié)能的效果。但變頻壓縮機由于能量的變化，造成冷藏與冷凍的蒸發(fā)器面積匹配也發(fā)生了變化，這對于直冷單循環(huán)系統(tǒng)冰箱來說，是不可能會自動適應壓縮機的變化要求。當壓縮機低速運行時，在冷凍蒸發(fā)器的面積不變的情況下，可以通過對比發(fā)現冷藏室的蒸發(fā)器面積也在變小；當壓縮機的制冷量加大時，要求冷藏的蒸發(fā)面積加大，但對于此類產品，在實際中是不可能會改變，這樣會出現的問題是冷藏室的制冷量偏小，當冷凍室的溫度超過要求，冰箱耗電量會加大，也無法體現變頻壓縮機快速制冷的特點。圖4為變頻壓縮機采用高轉速運行時的計算結果。

　　對于直冷冰箱來說，由于系統(tǒng)的簡單性，圖6 變頻壓縮機在無霜冰箱中低速運行計算結果圖7 變頻壓縮機在低速運行的計算結果（調整化霜） 圖8 變頻壓縮機在高速運行的計算結果技術含量降低，以及控制系統(tǒng)中的能耗控制方式與成本的對比，采用變頻壓縮機對產品的能耗并不能體現它的優(yōu)點。同時由于系統(tǒng)匹配的限制，對于變頻壓縮機由于具有可變的冷量，可以快速降溫，從而達到提高食品的保鮮效果，也無法得到實現。變頻壓縮機在高速運行時，冰箱壓縮機的開機率減小，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)面積無法適應變頻壓縮機的調節(jié)要求，筆者同樣通過對同一種類型的無霜冰箱進行仿真系統(tǒng)的模擬計算。
　　無霜冰箱的制冷系統(tǒng)要復雜很多，在涉及到普通制冷系統(tǒng)的同時，還涉及到風道系統(tǒng)，同時還包括了化霜系統(tǒng)，因此對它的分析難度要大更多，但通過仿真計算（見圖5），大約可以分析出結論。
　　在化霜累計時間不變的情況下，依然按壓縮機累計運行時間計算，選變頻壓縮要低轉速1600RPM情況下運行。圖6為變頻壓縮機在低速時的運行計算結果。
　　從對比結果來看，蒸發(fā)溫度上升約2℃，壓縮機的效率也提高約10%，但冰箱的耗電量卻加大約4%，另外開機率也加大了40%。造成能耗加大的原因，是由于化霜累計時間發(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，當化霜累計時間越短時，產生的能耗影響越大，但是時間的長短與冰箱的化霜效果以及制冷的效果也是相關聯的，對其時間的長短確定，也是有一個優(yōu)化的過程。為更好研究變頻壓縮機的節(jié)能效果，筆者依實際的經驗，改變化霜的累計時間，由原設計的時間改為更為合理的時間，從而適應變頻壓縮機的低速特點。圖7為變頻壓縮機在低速運行的計算結果（調整化霜）。
　　由于冷藏與冷凍間的風量可以通過風門進行自動調節(jié)，它會克服直冷冰箱中蒸發(fā)器面積的不匹配產生的問題，但是對于風冷冰箱來說，本身也有自身的問題存在，如化霜的問題，如果設計不好，還是會產生比較大的能耗。通過調整好化霜狀態(tài)，在不考慮控制板的功耗情況下，壓縮機在低速運行時，對能耗有一點好處，但也只有3%左右的水平，說明變頻壓縮機通過改變轉速達到節(jié)能的效果有一定的限度。
　　采用變頻壓縮機在高轉速的情況下運行，冰箱的開機率降低20%，說明冰箱的降溫速度加快，制冷量大，這種冰箱對于高溫環(huán)境下具有較強的制冷能力，但冰箱的耗電量在加大。圖8為變頻壓縮機在高速運行的計算結果。
　　通過變頻壓縮機在無霜冰箱上的仿真分析，雖然對冰箱系統(tǒng)的結構要求降低了，在重新解決化霜系統(tǒng)的設計方案后，有一點節(jié)能效果但不太明顯。這些冰箱還只是基于采用電動風門設計，控制板的功耗與變頻壓縮機相同的情況下發(fā)生，所以對于目前流行的對開門冰箱，采用變頻壓縮機有一定的作用。
　　2.3風直冷多循環(huán)系統(tǒng)冰箱
　　對于采用雙循環(huán)獨立制冷的冰箱來說，冷藏室與冷凍室都是獨立運行，兩者的蒸發(fā)器采用并聯的設計方式，這也是筆者公司產品具有的分立多循環(huán)制冷系統(tǒng)的特點。采用分立多循環(huán)的冰箱由于每一個室都可以獨立運行，它的運行時間長短都是按照每一個室的實際能量需求，來決定它的壓縮機運行時間的長短，雖然它并不能調節(jié)壓縮機的實際制冷量，但是它也可以通過主動適應冰箱使用環(huán)境的變化要求，來達到快速制冷的目的，而且它也適用于壓縮機小制冷量與大制冷量的變化。為對比分析，筆者選用某型號產品進行對比，該產品的冷凍室采用無霜設計，冷藏室采用直冷設計。同樣筆者通過相應仿真軟件系統(tǒng)進行模擬計算，研究兩者的節(jié)能情況。
　　當選用相同的制冷量和制冷效率的壓縮機后（變頻壓縮機選為中轉速2400RPM），冰箱的控制板的功耗選2W。圖9為壓縮機在風直冷雙循環(huán)系統(tǒng)冰箱中的運行計算結果。
　　通過風直冷冰箱進行模擬計算，可以看出冰箱兩室不同的蒸發(fā)溫度要求，不同的壓縮機制冷量變化，當冷凍室在進行變化時，冷藏室的參數將保持不變化。
　　當采用變頻壓縮機的低轉速運行參數時，冰箱的運行參數如圖10所示。

　　冷藏室與冷凍室的蒸發(fā)溫度都上升，說明壓縮機的效率都會上升，冰箱的耗電量也降低了3.5%左右。但是冰箱的開機率明顯出現加大，這樣對于冷凍室來說，化霜會加大一部分能耗。從圖9與圖10的對比可以看出，冰箱降低的能耗主要是冷藏室，而冷凍室并沒有什么效果，這同樣是因為化霜累計時間的影響。
　　上面的對比分析只是基于控制板的功率為2W的情況下，對于采用定頻壓縮機來說，可以通過采用開關電源設計進行節(jié)能，圖11為定頻壓縮機在采用低功耗控制板的情況下的冰箱能耗計算結果。
　　將控制板的線性變壓器采用開關電源設計，降低的能耗約8%，大大低于采用變頻壓縮機的低轉速運行時的能耗。
　　3 結論
　　通過變頻壓縮機在上述幾種類型冰箱中的仿真分析，采用變頻壓縮機對冰箱的節(jié)能在特殊的情況下有一點效果，這一點主要基于控制板的功耗和控制程序的優(yōu)化，雖然它可能會因為對環(huán)境具有多變適應功能，但是對于目前冰箱中出現的多循環(huán)制冷系統(tǒng)已經克服了單一制冷系統(tǒng)的缺點。另外采用變頻壓縮機在控制技術方面存在較大的能耗，對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。
　　對于變頻控制系統(tǒng)的設計，目前也采用了許多的抗干擾技術，如濾波、電抗器等，但它還是會對電網或其它電器設備有干擾，所以對于冰箱來說，如果想達到節(jié)能的效果而選用變頻壓縮機，在方向上還不是非常明智的選擇。

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