隨著家用電器的普及，家用電器的節(jié)能問(wèn)題越來(lái)越受到關(guān)注。在歐洲，家用制冷設(shè)備消耗了歐洲總發(fā)電量的4%[1]。由于家用冰箱日益普及，產(chǎn)品也向大容量、多間室和方便使用的方向發(fā)展，將來(lái)冰箱能耗占家庭總能耗的比例（美國(guó)為135）會(huì)越來(lái)越高。這表明，21世紀(jì)的能源危機(jī)中，冰箱是否節(jié)能對(duì)于能源安全具有重要的意義。

冰箱在生產(chǎn)、使用和最后的報(bào)廢過(guò)程均對(duì)環(huán)境產(chǎn)生污染。近幾年，人們進(jìn)一步認(rèn)識(shí)到，冰箱在長(zhǎng)期使用過(guò)程中耗電的間接影響是最大的。由于耗電產(chǎn)生的間接有害物占生產(chǎn)、使用、報(bào)廢全過(guò)程中所產(chǎn)生的有害物的90%左右，因此冰箱的節(jié)能不僅對(duì)經(jīng)濟(jì)而且對(duì)環(huán)境保護(hù)也有深遠(yuǎn)的意義。提高冰箱能效比，已經(jīng)受到世界各國(guó)政府和冰箱生產(chǎn)企業(yè)的普遍重視。為了鼓勵(lì)企業(yè)和用戶(hù)生產(chǎn)、購(gòu)買(mǎi)節(jié)能冰箱，世界各國(guó)采取了一系列措施。據(jù)統(tǒng)計(jì)，到2001年，已經(jīng)有37年國(guó)家和地區(qū)實(shí)施了能源效率新標(biāo)準(zhǔn)，如歐洲的節(jié)能計(jì)劃（SAVE Programme），美國(guó)能源部（DOE）、環(huán)保署（EPA）和工業(yè)介共同發(fā)起的能源之星（Energy Star）計(jì)劃等。這些標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施有效地推動(dòng)了冰箱節(jié)能的進(jìn)程。

1、箱體保溫層的研究和改進(jìn)[2]

對(duì)于家用冰箱，箱體的漏熱和壓縮機(jī)運(yùn)行能耗對(duì)整機(jī)的能耗高低，起著決定性作用。因此研究者在不斷改進(jìn)壓縮機(jī)性能，提高壓縮機(jī)效率的同時(shí)，對(duì)提高冰箱箱體的隔熱性能也做了不懈的努力。到目前為止，PU發(fā)泡材料仍然被視為最流行的隔熱材料之一（導(dǎo)熱系數(shù)為21mW/m·K）廣泛應(yīng)用于冰箱、冷柜、展示柜和其它商用制冷設(shè)備中。然而，由于用于PU發(fā)泡劑中的HCFC-141b將被限制使用并將最終被淘汰，因此必須研究其他合適的隔熱材料?；诃h(huán)保和節(jié)能的考慮，先進(jìn)的真空絕熱板不僅符合未來(lái)環(huán)保的要求，也具備了良好的隔熱性能（導(dǎo)熱系數(shù)約為6 mW/m·K）。Yen-Ming Chang等[2]測(cè)試了兩臺(tái)冰箱樣機(jī)，均為上冷凍室雙門(mén)結(jié)構(gòu)，總有效容積為480升，并具有“四星級(jí)”（-24℃）冰箱的冷凍能力.其中一臺(tái)冷凍室箱體隔熱層的58%采用真空絕熱板，冷藏室箱體的21%采用真空絕熱板，其他隔熱結(jié)構(gòu)采用PU發(fā)泡材料填充；另一臺(tái)冰箱樣機(jī)箱體保溫層全部采用PU發(fā)泡材料。實(shí)驗(yàn)測(cè)量表明，各間室的總體換熱系數(shù)對(duì)于箱體和環(huán)境之間的溫差不敏感，而在相同的環(huán)境下，使用真空絕熱板的箱體比PU發(fā)泡材料具有更好的隔熱性能。在不同的箱體內(nèi)外溫差下，箱體的漏熱系數(shù)沒(méi)有明顯的變化，而隨著溫差的增大，總體換熱系數(shù)也逐漸增大。同時(shí)對(duì)比兩冰箱樣機(jī)的測(cè)量結(jié)果可以明顯看出，采用真空絕熱板的冰箱的漏熱系數(shù)比使用傳統(tǒng)的PU發(fā)泡材料的冰箱降低了10%，如果不考慮冷凍室冷藏室之間的溫度梯度，采用真空絕熱板的冰箱的熱負(fù)荷也降低了10%。在較大溫差下，兩臺(tái)冰箱冷凍室和冷藏室的總體換熱系數(shù)相差不大。當(dāng)冷凍室溫度達(dá)到-18℃同時(shí)冷藏室溫度達(dá)到以3℃時(shí)，采用PU發(fā)泡材料的冰箱樣機(jī)的熱負(fù)荷為78W，使用真空絕熱板的冰箱樣機(jī)熱負(fù)荷為72W。這說(shuō)明采用真空絕熱板可以降低熱負(fù)荷。同時(shí)采用紅外溫度成像儀測(cè)得冰箱樣機(jī)表面的溫度分布表明，采用PU發(fā)泡材料的冰箱樣機(jī)表面與環(huán)境之間的溫差大于采用真空絕熱板的冰箱樣機(jī)。因此采用真空絕熱板的冰箱樣機(jī)。因此采用真空絕熱板的冰箱具有較小的漏熱系數(shù)和更好的隔熱性能。冰箱的運(yùn)行試驗(yàn)結(jié)果還表明，采用真空絕熱板的冰箱樣機(jī)的開(kāi)停周期較長(zhǎng)，然而其功率比采用PU發(fā)泡材料的冰箱高出4.2%，但是其壓縮機(jī)開(kāi)機(jī)時(shí)間較短，因此在長(zhǎng)期運(yùn)行時(shí)采用真空絕熱板的冰箱總體能耗較低。

2、采用新型制冷劑的換熱器設(shè)計(jì)

由于CFC類(lèi)制冷劑替代日期日益臨近，各國(guó)學(xué)者和生產(chǎn)商對(duì)于替代制冷劑做了大量的研究，目前碳?xì)浠衔锛捌浠旌衔镌诒渲械膽?yīng)用取得了突破性進(jìn)展。在20世紀(jì)90年代初期，德國(guó)和瑞典的制造商將采用HC-600a或HC-290/HC600a混合物作為制冷劑的的家用冰箱推向市場(chǎng)，與采用HCFC制冷劑的冰箱相比，這些冰箱具有高可靠性和低能耗的特點(diǎn)。使用適當(dāng)比例的HC-290/HC600a混合物作為制冷劑有可能降低壓縮機(jī)的能耗，然而由于組分在冷凝和蒸發(fā)過(guò)程中的熱力性能與單一制冷劑不同，因此需要對(duì)混合物的傳熱條件以及換熱器的結(jié)構(gòu)和表現(xiàn)進(jìn)行研究。在建立使用HC混合物的冷凝器數(shù)學(xué)模型之前，必須得到單一HC制冷劑的熱力學(xué)性能。為了得到HC混全物的熱力學(xué)性能，必須選擇合適的管內(nèi)兩相流冷凝過(guò)程的模型來(lái)模擬實(shí)際的流動(dòng)，也需要對(duì)許多與流動(dòng)結(jié)構(gòu)有關(guān)的參數(shù)，如混合物的組分和比例，混合物每一相的粘性和密度，液相的表面張力，管路的幾何參數(shù)，壓力等進(jìn)行分析。并且要分析傳熱條件，例如混合物與管路內(nèi)壁面的溫差，每一相的流動(dòng)方向，液相的換熱系數(shù)，冷凝液體的流動(dòng)方式和熱通量等。所有這些參數(shù)都隨著管路長(zhǎng)度的不同而變化。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在假設(shè)的參數(shù)條件下，采用均相模型計(jì)算雙組分HC混合物冷凝換熱可以得到很好的結(jié)果。對(duì)于40%~60%R290和R600a的混合物，在3.3mm直徑的管內(nèi)冷凝時(shí)，當(dāng)質(zhì)量流量為0.0035kg/s~0.005kg/s時(shí)，采用Akers-Adams和Cavallini-Zeccin關(guān)聯(lián)式效果最好，誤差在-1%~+9%之間；當(dāng)質(zhì)量流量為0.007 kg/s~0.009 kg/s時(shí)，采用Shah關(guān)聯(lián)式效果最好，誤差在+2%~+12%之間。這些結(jié)論為采用HC制冷劑及其混合物的冰箱冷凝器的設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。

3、新型節(jié)流裝置的采用

1999年Clodic發(fā)明了使用微型透平機(jī)節(jié)流的制冷系統(tǒng)。制冷劑膨脹產(chǎn)生的機(jī)械可以驅(qū)動(dòng)一個(gè)或者多個(gè)換熱器的風(fēng)扇。文獻(xiàn)[3]測(cè)量了一臺(tái)290升的家用風(fēng)冷式冰箱，采用透平膨脹機(jī)代替毛細(xì)管。測(cè)試結(jié)果表明，在假設(shè)膨脹機(jī)效率為80%的條件下，由于采用透平膨脹機(jī)，COP提高了1.1%并產(chǎn)生了1.12W的機(jī)械功，因此要求透平膨脹機(jī)產(chǎn)生的機(jī)械功可以保證風(fēng)扇產(chǎn)生足夠的強(qiáng)制對(duì)流能力。為了提高透平膨脹機(jī)產(chǎn)生的機(jī)械力，最好的途徑就是降低過(guò)冷度。圖1給出了透平膨脹樣機(jī)產(chǎn)生的機(jī)械功和制冷量隨過(guò)冷度變化的曲線。過(guò)冷度的提高可以提高產(chǎn)生的機(jī)械功但是降低了制冷量，也因此降低了系統(tǒng)的COP。在這種情況下，系統(tǒng)的節(jié)能來(lái)源于用機(jī)械功代替了電能來(lái)驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇。



圖2給出了不同過(guò)冷度下能耗計(jì)算結(jié)果與參照系統(tǒng)能耗的對(duì)比。其中模擬結(jié)果1為相對(duì)于參照過(guò)冷度（26.7K）節(jié)能10%。模擬計(jì)算2、3和4分別將過(guò)冷度降低為23.7、20.7和19.7K，分別節(jié)能9%、8.5%和8%。模擬計(jì)算4種透平膨脹機(jī)產(chǎn)生的機(jī)械功驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇時(shí)，在循環(huán)COP降低的同時(shí)節(jié)能也是可能的。

歐洲及美國(guó)、日本和許多其他國(guó)家都制定了法規(guī)來(lái)降低家用電器尤其是家用制冷裝置的能耗。由于這些法規(guī)的制定，設(shè)備和部件的設(shè)計(jì)者不得不改進(jìn)設(shè)計(jì)來(lái)提高它們產(chǎn)品的能效比。對(duì)于制冷裝置能效比提高的可行方案進(jìn)行的技術(shù)評(píng)測(cè)表明，全封閉壓縮機(jī)引入的許多技術(shù)革新已經(jīng)將其能效比提高了約60%；通過(guò)增加保溫層厚度來(lái)減少漏熱，保溫層的厚度已經(jīng)增加了20~30%；在無(wú)霜制冷裝置和冰箱中由電機(jī)驅(qū)動(dòng)的風(fēng)扇的效率也由于技術(shù)進(jìn)步有了提高，電子控制的引入可以更好地控制設(shè)備的溫度并減小了家用壓縮機(jī)開(kāi)/停的高效和低效的差別；換熱器的優(yōu)化提高了蒸發(fā)溫度并降低了冷凝溫度。許多制造商都采用了這些措施使得它們的產(chǎn)品達(dá)到了歐洲A級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，但是新的能耗限制標(biāo)準(zhǔn)的引進(jìn)對(duì)能耗提出了更高的要求，因此生產(chǎn)廠家需要用更先進(jìn)的方法使制冷裝置達(dá)到更好的運(yùn)行性能。

1、制冷系統(tǒng)模型研究

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，制冷系統(tǒng)的計(jì)算模擬已經(jīng)成為冰箱節(jié)能研究的重要手段之一，因此不斷地研究制冷系統(tǒng)計(jì)算模型并提高其預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性已經(jīng)成為一項(xiàng)重要課題。在冰箱制冷系統(tǒng)計(jì)算模擬中，有限元法，有限差分法、有限容積法以及計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)等方法得到了廣泛地應(yīng)用，然后這些模型均比較復(fù)雜，也運(yùn)用不夠靈活，同時(shí)需要比較長(zhǎng)的求解時(shí)間。為了得到一個(gè)簡(jiǎn)單且方便實(shí)用的集中參數(shù)模型，Giovanni Cerri等人[1]對(duì)一臺(tái)冰箱樣機(jī)（RE125 Aut.）在無(wú)負(fù)載條件下進(jìn)行動(dòng)態(tài)性能實(shí)驗(yàn)研究，將冰箱一個(gè)運(yùn)行周期分成若干時(shí)間段，研究了每個(gè)特征時(shí)間段冰箱運(yùn)行的特點(diǎn)以及與總體能耗的關(guān)系，提出了研究冰箱動(dòng)態(tài)運(yùn)行性能的模型。該模型的計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合良好，說(shuō)明該模型可以很好地體現(xiàn)冰箱的實(shí)際運(yùn)行性能，是研究冰箱在一段時(shí)間內(nèi)溫度和能耗隨時(shí)間變化的有力工具，并將為冰箱性能的改進(jìn)提供依據(jù)。

2、影響冰箱能耗的因素

從工作環(huán)境進(jìn)入冰箱內(nèi)的水蒸氣是冰箱的主要負(fù)荷之一。在冰箱門(mén)處于關(guān)閉狀態(tài)時(shí)，水蒸氣通過(guò)門(mén)封和壁面滲透進(jìn)入冰箱內(nèi)。當(dāng)冰箱門(mén)打開(kāi)時(shí)，大量流入的空氣攜帶的水蒸氣造成了冰箱內(nèi)水的凝結(jié)。Cemil Inan等人[2]分析了冰箱門(mén)處于開(kāi)啟和關(guān)閉兩種狀態(tài)下，冰箱內(nèi)部與環(huán)境之間的濕交換。在冰箱門(mén)處于關(guān)閉狀態(tài)時(shí)，提出了兩個(gè)理想模型和一個(gè)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?。第一個(gè)理想模型就是簡(jiǎn)單的水蒸氣擴(kuò)散模型來(lái)描述水蒸氣通過(guò)門(mén)封的傳遞。另一個(gè)理想模型將冰箱視為定壓而不是定容系統(tǒng)，在冰箱制冷系統(tǒng)的一個(gè)開(kāi)停循環(huán)中，間室內(nèi)溫度的變化引起壓力的變化，使得冰箱內(nèi)部壓力與環(huán)境壓力存在壓差變化，造成水蒸氣的滲入，該模型被形象地稱(chēng)為間室呼吸模型。經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ褪腔谝幌盗袑?shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)提出的。當(dāng)冰箱門(mén)處于開(kāi)啟狀態(tài)時(shí)，由于冰箱內(nèi)冷空氣與環(huán)境空氣的密度差造成內(nèi)外空氣自然對(duì)流。實(shí)驗(yàn)研究表明此時(shí)的內(nèi)外空氣交換可以分為兩個(gè)基本階段，初始階段和穩(wěn)定階段。初始階段時(shí)間在10秒以?xún)?nèi)，10秒后空氣交換進(jìn)入穩(wěn)定階段。由于不知道箱內(nèi)空氣和環(huán)境空氣的混合情況，因此很難給出精確描述初始階段的模型，而給出了一個(gè)簡(jiǎn)化的空氣流量模型。在穩(wěn)定階段，流入冰箱內(nèi)的空氣氣流的面積大于流出箱內(nèi)氣流面積，而其速度相對(duì)較小。文獻(xiàn)中給出了質(zhì)量傳遞系數(shù)的一個(gè)估算公式。冰箱間室內(nèi)外水蒸氣的傳遞影響了冰箱蒸發(fā)器的結(jié)霜和除霜過(guò)程，也從而影響了系統(tǒng)能耗。為了更準(zhǔn)確得出冰箱內(nèi)外水蒸氣的傳遞規(guī)律，需要進(jìn)行進(jìn)一步的研究工作。例如，進(jìn)行熱質(zhì)傳遞模型的驗(yàn)證來(lái)確定基于自然對(duì)流的質(zhì)量傳遞模型是否可行，研究當(dāng)食品暫時(shí)從間室內(nèi)取出時(shí)對(duì)于冰箱濕負(fù)荷的影響，進(jìn)一步研究冰箱內(nèi)外水蒸氣傳遞的現(xiàn)象和機(jī)理等。

為了更詳細(xì)了解冰箱內(nèi)自然對(duì)流換熱和空氣流動(dòng)情況，Sami Ben Amara等人[3]對(duì)一臺(tái)直冷冰箱樣機(jī)在環(huán)境溫度20℃±0.2℃條件下空箱狀態(tài)安裝食品層架和不安裝食品層架的運(yùn)行性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，測(cè)量了箱內(nèi)空氣溫度分布。同時(shí)采用CFD軟件對(duì)箱內(nèi)空氣流動(dòng)和換熱情況進(jìn)行了數(shù)值模擬。數(shù)值模擬的結(jié)果表明，箱內(nèi)溫度從底部到頂部逐漸升高。在沒(méi)有層架時(shí)，同一高度上溫度分布大致是均勻的，熱邊界層的厚度在蒸發(fā)器的頂部較小并且逐漸增大一直到蒸發(fā)器的底部，平均厚度約1.5cm。在安裝了透明層架時(shí)，溫度層分布與沒(méi)有層架類(lèi)似，且溫度邊界層基本相同，但是在兩個(gè)層架之間溫度分布相對(duì)均勻。盡管在兩種情況下冰箱上半部的溫度接近，但是下半部的溫度比沒(méi)有層架時(shí)低。層架的存在將平均溫度提高了約0.5℃。速度場(chǎng)的計(jì)算結(jié)果表明，在沒(méi)有層架時(shí)，冷空氣以加速度沿著蒸發(fā)器壁面向下流動(dòng)，直到蒸發(fā)器底部速度矢量達(dá)到最大，然后空氣沿著門(mén)的壁面以減速向上流動(dòng)，而由通過(guò)門(mén)的傳熱使空氣溫度上升。冰箱頂部空氣幾乎不流動(dòng)，這也是造成頂部溫度高的原因。當(dāng)安裝了層架時(shí)，空氣在沿著蒸發(fā)器壁面和門(mén)流動(dòng)的同時(shí)在層架之間有回流產(chǎn)生?；亓髟诘貙幼蠲黠@而其他各層更加混亂。最大流速低于沒(méi)有層架時(shí)的最大流速。與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相比，在沒(méi)有安裝層架時(shí)，計(jì)算結(jié)果中溫度普遍高于實(shí)驗(yàn)測(cè)量溫度，尤其在頂部更加明顯。這可能是由于在計(jì)算模型中沒(méi)有考慮壁面輻射造成的。因此在進(jìn)一步的研究中需要考慮箱體各壁面之間的輻射換熱對(duì)于箱內(nèi)溫度分布的影響。而在安裝了層架的情況下，溫度預(yù)測(cè)與實(shí)驗(yàn)測(cè)量更加接近，這可能是由于層架起到了阻隔輻射作用的結(jié)果。這些研究結(jié)果對(duì)于設(shè)計(jì)者和用戶(hù)都有很好的指導(dǎo)作用。

冰箱使用環(huán)境如房間的溫度和濕度，也是影響冰箱能耗的重要因素。Yamina Saheb等人[4]在假定制冷劑流動(dòng)為一維牛頓穩(wěn)態(tài)流動(dòng)，制冷劑在任何橫截面上均勻分布，兩相流處于動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)，液體和蒸汽均勻混合且速度相同等條件下，分析并得出了毛細(xì)管、換熱器和壓縮機(jī)的模型，構(gòu)造了制冷系統(tǒng)和工作環(huán)境的耦合模型，并預(yù)測(cè)了廚房溫度對(duì)于冰箱能耗的影響。同時(shí)對(duì)處于不同環(huán)境下的兩臺(tái)冰箱樣機(jī)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，得出了環(huán)境條件變化對(duì)于冰箱能耗影響的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

研究結(jié)果表明，所構(gòu)建的廚房環(huán)境和家用冰箱的耦合模型可以用來(lái)預(yù)測(cè)廚房溫度對(duì)冰箱能耗和家庭總能耗的影響。同時(shí)用穩(wěn)態(tài)模型預(yù)測(cè)了制冷系統(tǒng)各個(gè)部件中的制冷劑參數(shù)如壓力、溫工和速度等，預(yù)測(cè)結(jié)果與以前文南中給定的一致。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明隨著室內(nèi)溫度的不同，冰箱的能耗也將發(fā)生變化。

節(jié)能、環(huán)保和方便使用將是冰箱發(fā)展的主要方向，而其中節(jié)能將是冰箱產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力中的最主要因素。我國(guó)冰箱行業(yè)起步較晚，雖然發(fā)展很快，但是與世界先進(jìn)水平仍然存在一定的差距。不斷獲取和應(yīng)用國(guó)內(nèi)外先進(jìn)的技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)，提高產(chǎn)品的質(zhì)量，是當(dāng)前國(guó)內(nèi)冰箱企業(yè)面臨的重要任務(wù)，也只有這樣才能在國(guó)際市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中取得一定的位置。