本论文以具体型号不锈钢厨房冷冻柜为研究对象，研究了厨房冰箱由定频压缩机切换为变频压缩机时需要对制冷系统、控制系统和辅助部件的优化，并且对优化前后的样机进行用时能耗测试和分析，论文选题具有实际的工程意义，研究结果有一定的参考价值。
宋雪娜 李鹤 王双飞
思科普压缩机（天津）有限公司
摘要
Abstract
以某型号不锈钢厨房冷冻柜为载体，分析和实验了制冷系统的压缩机由定频切换为变频时对制冷系统的匹配和对控制系统以及附件能耗的优化，包括压缩机选型、毛细管和制冷剂充注量匹配，以及对化霜控制和辅助部件能耗的优化，并进行了耗电量实验检验匹配和优化措施对能耗的影响。实验结果表明，匹配合适的变频压缩机并对制冷系统进行优化可以降低冷柜的耗电量达到23%，若能对冷柜的控制系统和辅助部件的能耗进行整体优化，能耗可进一步降低达到37%。
关键词
Keywords
变频压缩机；制冷系统；匹配；能耗
DOI:10.19784/j.cnki.issn1672-0172.2021.05.011
1 引言
目前，我国正在积极加快生态文明建设，促进绿色消费，推动高质量发展，努力参与全球环境治理，这对制冷行业的发展也提出了新的要求。根据多部委联合颁发的《绿色高效制冷行动方案》要求，到2022年，商用冷柜、冷藏陈列柜的能效准入水平要提高20%，绿色高效产品市场占有率要提高20%；到2030年，能效准入水平要再提高15%，绿色高效产品的市场占有率提高40%[1]。对于轻商冷柜来说，能效的提升已是迫在眉睫的需求。
变频压缩机因为具有高能效、低功耗、宽冷力覆盖范围，低噪音、低震动，柜内温度波动小，高可靠性、高稳定性等特点，成为轻商冷柜提高能效时首先考虑选用的压缩机类型。变频压缩机可以根据柜体的热负荷调整转速，热负荷大时以高转速大冷量快速将柜内温度拉到设定温度，热负荷低时以低转速低功率保持冷柜以低能耗的状态运行。与定频压缩机制冷系统相比较，变频压缩机制冷系统具有制冷量可变、制冷剂流量可变、运转率高等特点。在制冷系统匹配上，变频压机系统的节流装置和换热器需要兼顾高转速和低转速时的制冷要求。在冷柜温控和辅助耗能部件如风扇、除霜加热器、防凝露加热器的控制上，需要根据变频压缩机高运转率的特点进行适当改善，以进一步减少柜体的能耗。
本文以一台高端不锈钢厨房柜为对象，匹配Secop R290变频压缩机SLVE18CN进行了实验，研究了制冷系统从定频压缩机改为变频压缩机时需要对制冷系统和控制系统进行的优化，并通过能耗实验检验了优化措施对能耗的影响。
2 实验设备和方法
本文所研究的冷柜为立式三门不锈钢冷冻柜，如图1所示，外尺寸为2050 mm×830 mm×1630 mm，毛容积2000 L，设计适用环境为气候类型4（30℃/55%RH）。柜内采用风机强制对流换热，翅片式蒸发器位于柜内顶部，压缩机和冷凝器位于冷柜底部。节流原件采用毛细管，蒸发器的化霜采用电加热方式。
冷柜的制冷系统如图2所示。实验开始前应在制冷系统各部位布置传感器，以监测系统各部位的温度和压力变化。系统优化时需要参考的指标一般有：压缩机的吸排气压力和温度，换热器进口、中间和出口的温度，冷柜内部的温度，压缩机负荷率，系统运行的功率等等。
3 系统优化分析
3.1 变频压缩机的选型
定频压缩机系统切换变频压缩机时，通常选用最高转速的制冷量与原来的定频压缩机相近的变频压缩机，以满足冷柜的最大制冷量需求。本文研究的冷柜原装压缩机为某型号排量为27.8 cc的R290定频压缩机，选型时挑选了最高转速制冷量与原装压机相近，但COP更高的变频压缩机SLVE18CN。两台压缩机的冷量对比如表1所示。
3.2 毛细管和制冷剂充注量的优化
定频制冷系统更换变频压缩机时，需要对毛细管和制冷剂充注量进行优化。变频制冷系统因为压缩机转速可变，工况的变化比定频压缩机系统更为复杂。毛细管和制冷剂充注量的选择不但要考虑环境因素，还要考虑不同转速的影响。
因为不同毛细管规格对应的制冷剂最佳充注量也不同，通常先确定毛细管的规格，然后再进行制冷剂充注量优化。变频压缩机制冷系统的毛细管流量和制冷剂充注量确定通常采用以下流程：
（1）计算压缩机在冷柜常用工况下中高转速的制冷量和所需毛细管流量，一般选择转速范围2/3处对应的转速。
（2）用毛细管流量计测量系统原始毛细管的流量，调整毛细管的长度，使其满足所需的流量。
（3）确认冷凝器出口液体温度过冷度，合适的毛细管过冷度一般为1～2℃。
（4）在压缩机最大转速、持续运转条件下调整充注量，由少到多。记录并绘制制冷系统各部位的温度、压缩机吸排气压力和系统功率的变化曲线。合适的充注量既能满足蒸发器出口过热度小的要求，又能使系统功率较低。
（5）确认当前毛细管和充注量是否满足高环温高转速、低环温低转速和常用运行环境的运行要求。
本实验所研究的冷柜常用的运行环境温度和湿度是气候类型4（30℃/55%RH），柜内温度控制在-18℃±2℃。SLVE18CN变频压缩机的转速范围为4500 r/min～2200 r/min，据此选定了用于计算毛细管流量的运行工况和压缩机转速，并用Secop毛细管流量计算工具计算了相应的毛细管流量，见表2。
随后的毛细管流量测试结果显示，系统的原始毛细管在10 bar压差下的流量为25.8 L/min，截短20 cm后流量达到26.2 L/min，达到了计算出的流量范围。经运行测试确认，冷凝器出口的过冷度在1～2℃范围内，毛细管的流量是合适的。
最佳制冷剂充注量是通过实验所测得的制冷剂充注量-温度/功率曲线来选择。如图3所示，在4500 r/min转速下，系统蒸发压力对应的温度和系统功率随充注量的变化不显著，但蒸发器出口过热度变化明显。当制冷剂充注量小于180 g时，蒸发器出口温度明显高于蒸发器入口和中部。当制冷剂充注量到180 g及以上时，蒸发器中部及出口温度曲线基本重合，出口过热度在1℃以下。如图4所示，在2200 r/min转速下，蒸发压力对应温度、功率和蒸发器温度都随制冷剂增加有明显变化。虽然制冷剂充注量在大于200 g时，蒸发器出口过热度较小。但制冷剂充注量大于180 g时，蒸发压力对应温度和系统功率明显上升。考虑到这台冷柜在稳定运行时转速稳定在2200 r/min，充注量的选择应保证2200 r/min时的功率较低。因此最佳充注量确定为180 g。之后进行的高转速拉温和稳定运行测试也显示180 g充注量可以满足高负荷和低负荷时的要求。
3.3 化霜控制的优化
电加热化霜控制参数包括化霜周期、化霜加热时间、化霜加热停止条件、滴水时间、化霜滴水后蒸发风扇的开启条件等。电加热化霜方式用于化霜的热量中仅15%有效，其余85%用于加热蒸发器盘管[2]。化霜加热过程中，蒸发器上的温度分布是不均匀的，蒸发器下端靠近加热管的区域温度相对较高[3]，而距离加热管较远的区域温度较低较难清除结霜。化霜控制优化关键是在保证蒸发器结霜能得到及时清除的前提下，尽量减少化霜加热引入柜内的热量。因为这部分热量增加了柜内热负荷，引起柜内温度的波动，对冷柜能耗的优化有负面的影响。本文研究的冷冻柜的化霜加热管设置在蒸发器下方，功率为950 W，化霜过程采用时间和温度参数控制，蒸发器温度探头设置在距离化霜加热管较远的蒸发器入口处。化霜终止温度为6℃，化霜加热终止后2 min蒸发风扇开启。实际测试显示，原始设置下能够保证蒸发器上的结霜及时清除，但化霜后蒸发风扇开启时，蒸发器中部的温度还在15℃左右，蒸发器上的热量被风扇吹进了柜内，引起M包的温度显著上升，也使化霜后的拉温时间较长。
为降低化霜后卷入柜内的热量，对蒸发风扇开启条件进行了优化。测试发现，当蒸发风扇开启条件改为蒸发器温度探头达到0℃时，卷入冷柜内的热量大大减少。如表3所示，M包的温升、化霜后的拉温时间以及稳定运行耗电量都有明显改善。
3.4 辅助部件的能耗优化
冷冻柜的一些辅助部件的能耗也对其整体能耗有显著影响，尤其对于随着压缩机的开停一起开停的附件，如冷凝风扇、防凝露加热器等，由于变频压缩机的运转率较高，这些部件的运转率和耗电量也会跟着增加，这样就会抵消一部分变频压缩机带来的能效提升。
本文将冷柜原装的低效率冷凝风扇电机更换为高效电机后，冷凝风扇功率由62 W降低到25 W，下降59.7%。若按照压缩机78%的运转率估计，采用高效率电机的冷凝风扇每天可节约0.693 kW•h。
冷柜门框的防凝露加热丝原来的控制逻辑为跟随压缩机一起开停。实验中发现，运转过程中门框外表面的温度上升到45℃，不但耗费电能，而且向柜内导入了额外的热负荷。当将防凝露加热丝的开启周期设定为5 min～10 min，开启率设定为40%时，即可使冷柜门框外表面的温度在凝露温度以上。若按照压缩机运转率78%估计，更改控制逻辑后，防凝露加热丝每日的能耗可以节约1.806 kW•h。
4 耗电量测试结果
本文按照前述的分析对冷冻柜的系统进行了优化，并按照SBT 10794.2-2012《商用冷柜 第2部分：分类、要求和试验条件》的规定的方法检验了冷冻柜更换变频压缩机前后的耗电量变化，按照GB 26920.2-2015《商用制冷器具能效限定值和能效等级 第2部分：自携冷凝机组商用冷柜》的规定进行了能效等级计算。测试显示，当原来的定频压缩机更换为变频压缩机，并且对毛细管和制冷剂充注量进行了优化后，冷冻柜的日耗电量降低了23%，能耗等级由3级上升为1级。在此基础上再对化霜控制进行了合理优化，并且采用高效率冷凝风扇电机和对防凝露加热器控制逻辑进行优化后，日耗电量降低达37%。
5 结论
本文以某型号不锈钢厨房冷冻柜为载体，研究了轻商冷柜由定频压缩机切换为变频压缩机时需要对制冷系统、控制系统和辅助部件的优化，并且对优化前后进行能耗测试对比，实验结果发现：
（1）匹配合适的变频压缩机可以显著降低冷柜的整体能耗，使冷柜的耗电量降低23%，能效等级由3级提升到1级；
（2）对毛细管流量和制冷剂充注量的优化能使变频压缩机的运行工况更为合理，有利于降低能耗；
（3）对化霜控制参数的优化可以有效减少化霜加热后卷入柜内的热量，使化霜后的拉温时间由27 min降低为18 min，稳定运行耗电量降低9%；
（4）对主要耗电的辅助部件的功率和控制逻辑的优化可以有效降低附件的耗电量，叠加变频压缩机的节能效果，能使冷柜整体能耗降低达37%。
参考文献
[1] 多部委. 关于印发《绿色高效制冷行动方案》的通知[OL]. 2019.6.13. http://www.ndrc.gov.cn/fzggw/jgsj/hzs/sjdt
[2] 李玉红, 陈天及, 余克志. 超市冷冻冷藏陈列柜的节能探讨[J]. 制冷, 2003(01): 75-78.
[3] 马迪, 毕海波, 朱莉. 通过间歇化霜控制对无霜冰箱制冷系统的优化[J]. 家电科技, 2019, (01): 68-69.
[4] SBT 10794.2-2012商用冷柜 第2部分：分类、要求和试验条件[S]. 中国标准出版社，2013.
[5] GB 26920.2-2015商用制冷器具能效限定值和能效等级 第2部分：自携冷凝机组商用冷柜[S]. 中国标准出版社，2015.
（责任编辑：张蕊）
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