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    隨著科學技術進步及人們生活水平的提高，電冰箱已成為不可缺少的生活必需品。世界冰箱產量約80×106臺/年，其中APEC國家達45×106臺/年^[2]。近10年來，我國電冰箱產量呈迅猛增長之勢，年均增長11.1%^[3]，其耗電量占民用總用電量的比例越來越大。電冰箱節能已成為能源工作的重要組成部分，也是電冰箱行業發展的永恒主題及熱點。而電冰箱制冷循環形式是其節能降耗的重要環節，本文以河南省科技攻關項目^[1]——電冰箱節能技術研究的研發實際，淺析電冰箱制冷循環與節能。

2.1 單路循環制冷系統：也稱雙溫單控系統，兩種典型系統如圖1、圖2。

    圖1為普通電冰箱經常采用的單路循環制冷系統，僅具有單一的一套運轉系統。一般冷藏室溫度靠機械溫控調節，而冷凍室溫度則據系統的匹配隨冷藏室溫控器的擋位及環境溫度變化而變化，無法單獨受控。

    圖2為L-M循環系統圖。是Lorenz和Meutzner提出的用于冷凍、冷藏箱的循環，應用非共沸混合工質的蒸發過程中，由于各組分的相變溫度不同而使整個混合物的飽和溫度不斷變化，從而導致溫度滑移效應，據所需溫度滑移溫差大小，適當選擇混合工質以滿足不同溫度的冷量供應。從圖中可知，節流后的制冷工質先進入冷凍室蒸發器，再進入冷藏室蒸發器，在兩個蒸發器之間引入了一個中間熱交換器，利用非共沸混合工質所特有的溫度滑移效應，使其在低溫蒸發器中部分蒸發，再進入中間換熱器，一方面進一步降低節流閥前工質溫度，另一方面提高高溫蒸發器前工質的進口溫度，以彌補非共沸混合工質滑移溫差較小的不足，從而減小了高溫蒸發器的傳熱溫差，降低了火用損失，提高了系統的COP值。

2.2 雙路循環制冷系統：也稱雙溫雙控系統，較典型的有圖3、圖4、圖5、圖7等四種。

    圖3所示系統，可據冷藏或冷凍室對制冷量的不同需求，通過電磁閥控制分配流向冷藏室或冷凍室的循環制冷劑，冷凍室和冷藏室溫度分別可以由溫控器獨立控制。

    圖4示系統為冷藏蒸發器與冷凍蒸發器并列制冷，相互間不受影響。冷藏蒸發器和冷凍蒸發器分別受兩室的溫度控制，兩室的制冷是輪流進行，當冷藏室要求制冷時，三通電磁閥會接通冷藏室蒸發器，使制冷系統只對冷藏室制冷，當溫度達到要求后，會自動停止冷藏室制冷；當冷凍室要求制冷時，三通電磁閥會接通冷凍室蒸發器，制冷系統只對冷凍室制冷。由于兩室的制冷過程互不關聯，因此兩室的溫度也相互不影響，從而保證兩室的溫度相對穩定，也由于兩室的制冷相對獨立，可以分別作不同的溫度調節或停止制冷運轉，從而可以實現對各種使用環境和溫度環境的適應要求。

    圖5為雙溫冰箱冷藏室和冷凍室蒸發器并聯的壓縮/噴射混合制冷循環系統，圖6為其循環壓焓圖。壓縮機CP出口的過熱汽2經過冷凝器C變成冷凝液3，然后，一路通過冷藏室節流機構T_h形成濕蒸汽4，另一路通過冷凍室節流機構T₁形成濕蒸汽6；冷藏室蒸發器出口的飽和蒸汽5經噴嘴降壓加速達到狀態8，與被引射的冷凍室蒸發器出口蒸汽7混合成蒸汽9，再經噴射器的擴壓段降速升壓形成過熱蒸汽1進入壓縮機，從而構成了這種理論的混合制冷循環。與簡單循環情況下的壓縮機氣體進口狀態7相比，狀態1的壓力高，比容小，因而壓縮機的耗功減少，排汽量增加；同時，混合制冷循環的節流損失減小，單位質量制冷量增大，因而混合制冷循環的性能系數和容積制冷量都將顯著提高。

 

    圖7為另一種壓縮/噴射混合制冷循環，簡稱CJM循環。它采用兩次節流，兩個蒸發器，并增加了一個噴射器和氣液分離器。該循環因為減少了高溫蒸發器的傳熱溫差，降低了高溫蒸發器的火用損失，同時，由于噴射器的作用提高了壓縮機吸氣壓力，減少了壓縮機耗功，從而使系統的COP值和制冷量均有明顯提高。顯然，CJM循環無論采用純工質或非共沸混合工質時，都會有節能效果。理論研究表明^[4]，當噴射器噴嘴和擴大壓管的效率均為0.8時，這一循環同CFC-12簡單循環相比，在使用非共沸混合工質時，COP值可提高20%，使用R134a時，COP值約提高12.4%。

2.3 多路循環制冷系統：典型的有三路循環制冷系統，如圖8示。該系統有3個獨立的制冷回路，2個電磁閥及先進的智能控制器。該系統可將制冷劑按需供給冷藏室、冷凍室以及生物保鮮室內的三個獨立蒸發器，從而實現三個間室內溫度的精確控制。當三個室同時需要冷量時，智能控制器將根據生物保鮮室及冷藏室優先分配原則配給冷量。

2.4 雙機制冷循環系統：即為冷藏室外冷凍室分別提供一套獨立的包含各自的壓縮機、冷凝器、節流裝置和蒸發器的制冷循環，以滿足冷凍室、冷藏室不同的溫度要求。經理論分析并經實驗證明，雙機循環在同等條件下比簡單循環節能12%^[5]。

2.5 雙級制冷循環系統：為降低電冰箱能耗，已有多種雙級制冷系統冰箱問世，這些冰箱高、低壓級的兩個壓縮機均工作于較低的壓力比之下，大大減小了耗功率，其壓焓圖如圖9所法。有文獻指出，在相同總制冷量情況下，該系統比單級制冷系統節能48.6%^[6]。

3.1 電冰箱能耗與制冷循環對比分析

    圖1所示單路循環制冷系統，在實際運轉過程中，由于環境溫度變化、開門次數多少及放置食品狀況等影響，使冷凍、冷藏間室的冷量負荷比不可能保持在設計值。夏天，往往因為環溫較高，造成壓縮機頻繁啟動，使冷凍室溫度偏低，浪費了電能。冬天，經常需要打開溫度補償開關，以幫助壓縮機啟動，也造成電能的浪費。而圖2的L-M循環必須采用非共沸混合工質（嚴格的成份要求），這種循環的應用必須以制冷劑研究成果為前提，對純工質及近共沸混合工質沒有混度滑移特性，采用L-M循環不會有節能效果。

    對雙路循環制冷系統，如圖3示，由于引入了電磁閥和電子溫控裝置，所以其成本相對地單路循環制冷系統有所增加，但系統的匹配性能卻比單路循環系統好，對大容積冷凍室電冰箱節能效果明顯。而圖4的兩只蒸發器并列制冷且都控制壓縮機運行，極易造成開機頻繁現象。圖5示制冷循環雖然比簡單循環性能系數高，容積制冷量大，但其主要解決因冷藏室傳熱溫差太大而造成可觀的可用能損失問題，即火用損失。故對小冷藏室冰箱應用節能效果不明顯，而且噴射器合理設計及與毛細管合理匹配是兩個重要問題。而圖7的CJM循環采用兩次節流，并增加了噴射器及氣液分離器，兩個蒸發過程均需單獨的溫度控制裝置，且冷凍室冷卻速度緩慢。

    對多路循環制冷系統（如圖8示），需通過多個電磁閥、多個獨立的蒸發器及先進的智能控制系統才能使各室溫在一個不同季節環境下得到精確控制。而雙機制冷循環系統雖然節能顯著，但冰箱的制冷系統復雜，成本增加，且會使壓縮機容積效率變小，對歐美等國家普遍使用的500L以上冰箱才是經濟合理的，對我國廣泛使用的200L左右冰箱并不合理。而雙級制冷循環系統由于成本及系統復雜性等原因目前未能推廣，國外市場占有率也很低。

3.2 電冰箱制冷循環主要特點的定性分析

    電冰箱五種典型制冷循環主要特點的定性比較見表1。

    從表1分析，單路循環制冷系統采用一個蒸發器同時對冷凍室和冷藏室降溫，系統的匹配性差，兩室的蒸發溫度基本一樣，冷藏室與冷凍室相比，傳熱溫差甚大，從而導致冷藏室制冷系數下降。多路循環與雙機和雙級制冷循環雖然可使各室溫度得到準確控制節能效果明顯，但是，設備增加，制冷系統復雜，成本增大，市場占有率不大。雙路循環制冷系統既使各室溫得到較好控制又節能降耗且系統簡單、成本較低。但它也存在一定問題。本項目在研制過程中綜合各種因素，完善雙路循環制冷系統，并且改進控制方式，既解決目前應用較多的雙路循環制冷系統存在的問題，又達冰箱節能降耗之目的。

4.1 雙路循環制冷系統存在問題

    對雙路循環制冷系統，合理的溫控方式是各間室獨立控溫，使每個間室的溫度控制在規定規定的溫度范圍內，但是在實際生產和使用中，這種雙溫雙控方式因冷凍、冷藏兩個溫控器都控制壓縮機，有時一個溫控器剛關機，另一個又馬上要求開機，因制冷系統未平衡造成壓縮機啟動功率增大，啟動困難以及熱保護器動作等，影響壓縮機及其附件的使用壽命，頻繁開、停機，耗電量也因此增加。

4.2 解決方案

    本項目提出的解決方案有兩種，其一，完善電路或采用電腦智能控制的方式解決。其二，采用雙穩態電磁閥的變溫控制技術。如圖10所示，雙穩態電磁閥1與變溫室蒸發器并聯，據變溫室溫度設定控制兩個雙穩態電磁閥的通、斷特性，實現兩個支路的運行。
支路一：制冷劑由壓縮機、門邊除漏管、主副冷凝器、干燥過濾器、毛細管經變溫室蒸發器、冷凍室蒸發器、冷藏室蒸發器、貯液器和回氣換熱器后回到壓縮機形成循環回路。支路二：制冷劑由壓縮機、門邊除漏管、主副冷凝器、干燥過濾器、毛細管經雙穩態電磁閥1、冷凍室蒸發器、冷藏室蒸發器、貯液器和回氣換熱器后回到壓縮機形成循環回路。

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    在結構設計中，電冰箱由上而下分為冷凍室、變溫室和冷藏室（變溫室也可設置在冷凍室或冷藏室內部），各間室都有相對獨立的蒸發器。變溫室蒸發器設計時較大，滿足變溫室作為三星冷凍室的匹配。而該間室作為其他功能間室使用（如冷藏、軟冷凍等）時，可以通過設在變溫室的溫度傳感器將溫度信號送至電冰箱的控制裝置中，控制裝置據溫度設定值對雙穩態電磁閥的通路進行切換實現。當電冰箱啟動運行時，電磁閥1、2年于通電狀態，系統按照支路二形成的循環回路運行，同時變溫室的溫度傳感器檢測變溫室的溫度。變溫室溫度若在變溫室的設定溫度范圍內，系統按照支路二形成的循環回路繼續運行。若檢測到溫度高于變溫室設定值上限，電冰箱的控制裝置使雙穩態電磁閥1處于斷電狀態，而雙穩態電磁閥2仍通電，系統按照支路一形成的循環回路運行，直到溫度傳感器應到溫度低于變溫室的溫度設定值下限時，雙穩態電磁閥1執行通電通作，而雙穩態電磁閥2斷電，系統又按支路二循環回路運行。此時冷凍室和冷藏室溫度繼續下降，直到冷藏室溫度達到標準后，壓縮機停機，系統如此往復循環。這種設計，控制壓縮機啟停的是冷藏室溫度，而變溫室溫度的設定及變化僅控制雙穩態電磁閥的通斷，以切換制冷劑流向，并不直接控制壓縮機的運行，故可較好解決雙路循環系統存在的頻繁開、停機現象，既使壓縮機及其附件壽命延長，又減少啟動功率，耗電量也隨之降低。

    需要指出，變溫室蒸發器按三星級冷凍室要求（-18℃）與冷凍、冷藏室蒸發器匹配，制冷劑充注量也按變溫室為冷凍室制冷能力充注，這樣一來，通過溫度設定控制雙穩態電磁閥以切換制冷劑流向，可將變溫室按冷凍室或軟冷凍（-7~-10℃）或冷藏室使用，也可關閉，與可關閉，與同樣大小固定冷凍室容積的電冰箱相比，此變溫技術既滿足消費者對冰箱溫區的多方需求，又節能降耗，為高效節能使用電冰箱提供廣闊前景。表2為能耗實測數據（變溫室由冷凍室分割形成），可以看出，單獨調高冷凍室溫度（將變溫室作為軟冷凍室或冷藏室）可以節能，單獨關閉變溫室更加節能。

    綜合分析電冰箱的典型制冷循環，本項目采用并研究了雙路循環制冷系統，針對雙路循環制冷系統在應用中存在的問題，改進控制方式，完善制冷循環，通過變溫控制技術的優化設計，既滿足消費者對冰箱溫區的多方需求，又顯著節能降耗。研制的BCD-186CHS節能冰箱在最大負荷時日耗電0.39度（每百升容積耗電小于0.24度），而在節能狀態下耗電在0.35度以下，最低達0.31度。