隨著家用電器的普及，家用電器的節(jié)能問題越來越受到關注。在歐洲，家用制冷設備消耗了歐洲總發(fā)電量的4%[1]。由于家用冰箱日益普及，產品也向大容量、多間室和方便使用的方向發(fā)展，將來冰箱能耗占家庭總能耗的比例（美國為135）會越來越高。這表明，21世紀的能源危機中，冰箱是否節(jié)能對于能源安全具有重要的意義。

冰箱在生產、使用和最后的報廢過程均對環(huán)境產生污染。近幾年，人們進一步認識到，冰箱在長期使用過程中耗電的間接影響是最大的。由于耗電產生的間接有害物占生產、使用、報廢全過程中所產生的有害物的90%左右，因此冰箱的節(jié)能不僅對經濟而且對環(huán)境保護也有深遠的意義。提高冰箱能效比，已經受到世界各國政府和冰箱生產企業(yè)的普遍重視。為了鼓勵企業(yè)和用戶生產、購買節(jié)能冰箱，世界各國采取了一系列措施。據(jù)統(tǒng)計，到2001年，已經有37年國家和地區(qū)實施了能源效率新標準，如歐洲的節(jié)能計劃（SAVE Programme），美國能源部（DOE）、環(huán)保署（EPA）和工業(yè)介共同發(fā)起的能源之星（Energy Star）計劃等。這些標準的實施有效地推動了冰箱節(jié)能的進程。

1、箱體保溫層的研究和改進[2]

對于家用冰箱，箱體的漏熱和壓縮機運行能耗對整機的能耗高低，起著決定性作用。因此研究者在不斷改進壓縮機性能，提高壓縮機效率的同時，對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（導熱系數(shù)為21mW/m·K）廣泛應用于冰箱、冷柜、展示柜和其它商用制冷設備中。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，先進的真空絕熱板不僅符合未來環(huán)保的要求，也具備了良好的隔熱性能（導熱系數(shù)約為6 mW/m·K）。Yen-Ming Chang等[2]測試了兩臺冰箱樣機，均為上冷凍室雙門結構，總有效容積為480升，并具有“四星級”（-24℃）冰箱的冷凍能力.其中一臺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，其他隔熱結構采用PU發(fā)泡材料填充；另一臺冰箱樣機箱體保溫層全部采用PU發(fā)泡材料。實驗測量表明，各間室的總體換熱系數(shù)對于箱體和環(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。在不同的箱體內外溫差下，箱體的漏熱系數(shù)沒有明顯的變化，而隨著溫差的增大，總體換熱系數(shù)也逐漸增大。同時對比兩冰箱樣機的測量結果可以明顯看出，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荷也降低了10%。在較大溫差下，兩臺冰箱冷凍室和冷藏室的總體換熱系數(shù)相差不大。當冷凍室溫度達到-18℃同時冷藏室溫度達到以3℃時，采用PU發(fā)泡材料的冰箱樣機的熱負荷為78W，使用真空絕熱板的冰箱樣機熱負荷為72W。這說明采用真空絕熱板可以降低熱負荷。同時采用紅外溫度成像儀測得冰箱樣機表面的溫度分布表明，采用PU發(fā)泡材料的冰箱樣機表面與環(huán)境之間的溫差大于采用真空絕熱板的冰箱樣機。因此采用真空絕熱板的冰箱樣機。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。冰箱的運行試驗結果還表明，采用真空絕熱板的冰箱樣機的開停周期較長，然而其功率比采用PU發(fā)泡材料的冰箱高出4.2%，但是其壓縮機開機時間較短，因此在長期運行時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計

由于CFC類制冷劑替代日期日益臨近，各國學者和生產商對于替代制冷劑做了大量的研究，目前碳氫化合物及其混合物在冰箱中的應用取得了突破性進展。在20世紀90年代初期，德國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，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。使用適當比例的HC-290/HC600a混合物作為制冷劑有可能降低壓縮機的能耗，然而由于組分在冷凝和蒸發(fā)過程中的熱力性能與單一制冷劑不同，因此需要對混合物的傳熱條件以及換熱器的結構和表現(xiàn)進行研究。在建立使用HC混合物的冷凝器數(shù)學模型之前，必須得到單一HC制冷劑的熱力學性能。為了得到HC混全物的熱力學性能，必須選擇合適的管內兩相流冷凝過程的模型來模擬實際的流動，也需要對許多與流動結構有關的參數(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)，壓力等進行分析。并且要分析傳熱條件，例如混合物與管路內壁面的溫差，每一相的流動方向，液相的換熱系數(shù)，冷凝液體的流動方式和熱通量等。所有這些參數(shù)都隨著管路長度的不同而變化。

實驗結果表明，在假設的參數(shù)條件下，采用均相模型計算雙組分HC混合物冷凝換熱可以得到很好的結果。對于40%~60%R290和R600a的混合物，在3.3mm直徑的管內冷凝時，當質量流量為0.0035kg/s~0.005kg/s時，采用Akers-Adams和Cavallini-Zeccin關聯(lián)式效果最好，誤差在-1%~+9%之間；當質量流量為0.007 kg/s~0.009 kg/s時，采用Shah關聯(lián)式效果最好，誤差在+2%~+12%之間。這些結論為采用HC制冷劑及其混合物的冰箱冷凝器的設計提供了依據(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節(jié)流的制冷系統(tǒng)。制冷劑膨脹產生的機械可以驅動一個或者多個換熱器的風扇。文獻[3]測量了一臺290升的家用風冷式冰箱，采用透平膨脹機代替毛細管。測試結果表明，在假設膨脹機效率為80%的條件下，由于采用透平膨脹機，COP提高了1.1%并產生了1.12W的機械功，因此要求透平膨脹機產生的機械功可以保證風扇產生足夠的強制對流能力。為了提高透平膨脹機產生的機械力，最好的途徑就是降低過冷度。圖1給出了透平膨脹樣機產生的機械功和制冷量隨過冷度變化的曲線。過冷度的提高可以提高產生的機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)能來源于用機械功代替了電能來驅動風扇。



圖2給出了不同過冷度下能耗計算結果與參照系統(tǒng)能耗的對比。其中模擬結果1為相對于參照過冷度（26.7K）節(jié)能10%。模擬計算2、3和4分別將過冷度降低為23.7、20.7和19.7K，分別節(jié)能9%、8.5%和8%。模擬計算4種透平膨脹機產生的機械功驅動風扇時，在循環(huán)COP降低的同時節(jié)能也是可能的。

歐洲及美國、日本和許多其他國家都制定了法規(guī)來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，設備和部件的設計者不得不改進設計來提高它們產品的能效比。對于制冷裝置能效比提高的可行方案進行的技術評測表明，全封閉壓縮機引入的許多技術革新已經將其能效比提高了約60%；通過增加保溫層厚度來減少漏熱，保溫層的厚度已經增加了20~30%；在無霜制冷裝置和冰箱中由電機驅動的風扇的效率也由于技術進步有了提高，電子控制的引入可以更好地控制設備的溫度并減小了家用壓縮機開/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品達到了歐洲A級標準，但是新的能耗限制標準的引進對能耗提出了更高的要求，因此生產廠家需要用更先進的方法使制冷裝置達到更好的運行性能。

1、制冷系統(tǒng)模型研究

隨著計算機技術的發(fā)展，制冷系統(tǒng)的計算模擬已經成為冰箱節(jié)能研究的重要手段之一，因此不斷地研究制冷系統(tǒng)計算模型并提高其預測的準確性已經成為一項重要課題。在冰箱制冷系統(tǒng)計算模擬中，有限元法，有限差分法、有限容積法以及計算流體動力學等方法得到了廣泛地應用，然后這些模型均比較復雜，也運用不夠靈活，同時需要比較長的求解時間。為了得到一個簡單且方便實用的集中參數(shù)模型，Giovanni Cerri等人[1]對一臺冰箱樣機（RE125 Aut.）在無負載條件下進行動態(tài)性能實驗研究，將冰箱一個運行周期分成若干時間段，研究了每個特征時間段冰箱運行的特點以及與總體能耗的關系，提出了研究冰箱動態(tài)運行性能的模型。該模型的計算結果與實驗結果吻合良好，說明該模型可以很好地體現(xiàn)冰箱的實際運行性能，是研究冰箱在一段時間內溫度和能耗隨時間變化的有力工具，并將為冰箱性能的改進提供依據(jù)。

2、影響冰箱能耗的因素

從工作環(huán)境進入冰箱內的水蒸氣是冰箱的主要負荷之一。在冰箱門處于關閉狀態(tài)時，水蒸氣通過門封和壁面滲透進入冰箱內。當冰箱門打開時，大量流入的空氣攜帶的水蒸氣造成了冰箱內水的凝結。Cemil Inan等人[2]分析了冰箱門處于開啟和關閉兩種狀態(tài)下，冰箱內部與環(huán)境之間的濕交換。在冰箱門處于關閉狀態(tài)時，提出了兩個理想模型和一個經驗模型。第一個理想模型就是簡單的水蒸氣擴散模型來描述水蒸氣通過門封的傳遞。另一個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)的一個開停循環(huán)中，間室內溫度的變化引起壓力的變化，使得冰箱內部壓力與環(huán)境壓力存在壓差變化，造成水蒸氣的滲入，該模型被形象地稱為間室呼吸模型。經驗模型是基于一系列實驗數(shù)據(jù)提出的。當冰箱門處于開啟狀態(tài)時，由于冰箱內冷空氣與環(huán)境空氣的密度差造成內外空氣自然對流。實驗研究表明此時的內外空氣交換可以分為兩個基本階段，初始階段和穩(wěn)定階段。初始階段時間在10秒以內，10秒后空氣交換進入穩(wěn)定階段。由于不知道箱內空氣和環(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，而給出了一個簡化的空氣流量模型。在穩(wěn)定階段，流入冰箱內的空氣氣流的面積大于流出箱內氣流面積，而其速度相對較小。文獻中給出了質量傳遞系數(shù)的一個估算公式。冰箱間室內外水蒸氣的傳遞影響了冰箱蒸發(fā)器的結霜和除霜過程，也從而影響了系統(tǒng)能耗。為了更準確得出冰箱內外水蒸氣的傳遞規(guī)律，需要進行進一步的研究工作。例如，進行熱質傳遞模型的驗證來確定基于自然對流的質量傳遞模型是否可行，研究當食品暫時從間室內取出時對于冰箱濕負荷的影響，進一步研究冰箱內外水蒸氣傳遞的現(xiàn)象和機理等。

為了更詳細了解冰箱內自然對流換熱和空氣流動情況，Sami Ben Amara等人[3]對一臺直冷冰箱樣機在環(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行性能進行了實驗研究，測量了箱內空氣溫度分布。同時采用CFD軟件對箱內空氣流動和換熱情況進行了數(shù)值模擬。數(shù)值模擬的結果表明，箱內溫度從底部到頂部逐漸升高。在沒有層架時，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，溫度層分布與沒有層架類似，且溫度邊界層基本相同，但是在兩個層架之間溫度分布相對均勻。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有層架時低。層架的存在將平均溫度提高了約0.5℃。速度場的計算結果表明，在沒有層架時，冷空氣以加速度沿著蒸發(fā)器壁面向下流動，直到蒸發(fā)器底部速度矢量達到最大，然后空氣沿著門的壁面以減速向上流動，而由通過門的傳熱使空氣溫度上升。冰箱頂部空氣幾乎不流動，這也是造成頂部溫度高的原因。當安裝了層架時，空氣在沿著蒸發(fā)器壁面和門流動的同時在層架之間有回流產生?；亓髟诘貙幼蠲黠@而其他各層更加混亂。最大流速低于沒有層架時的最大流速。與實驗結果相比，在沒有安裝層架時，計算結果中溫度普遍高于實驗測量溫度，尤其在頂部更加明顯。這可能是由于在計算模型中沒有考慮壁面輻射造成的。因此在進一步的研究中需要考慮箱體各壁面之間的輻射換熱對于箱內溫度分布的影響。而在安裝了層架的情況下，溫度預測與實驗測量更加接近，這可能是由于層架起到了阻隔輻射作用的結果。這些研究結果對于設計者和用戶都有很好的指導作用。

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]在假定制冷劑流動為一維牛頓穩(wěn)態(tài)流動，制冷劑在任何橫截面上均勻分布，兩相流處于動態(tài)平衡狀態(tài)，液體和蒸汽均勻混合且速度相同等條件下，分析并得出了毛細管、換熱器和壓縮機的模型，構造了制冷系統(tǒng)和工作環(huán)境的耦合模型，并預測了廚房溫度對于冰箱能耗的影響。同時對處于不同環(huán)境下的兩臺冰箱樣機進行了實驗研究，得出了環(huán)境條件變化對于冰箱能耗影響的實驗數(shù)據(jù)。

研究結果表明，所構建的廚房環(huán)境和家用冰箱的耦合模型可以用來預測廚房溫度對冰箱能耗和家庭總能耗的影響。同時用穩(wěn)態(tài)模型預測了制冷系統(tǒng)各個部件中的制冷劑參數(shù)如壓力、溫工和速度等，預測結果與以前文南中給定的一致。實驗結果表明隨著室內溫度的不同，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)能將是冰箱產品競爭力中的最主要因素。我國冰箱行業(yè)起步較晚，雖然發(fā)展很快，但是與世界先進水平仍然存在一定的差距。不斷獲取和應用國內外先進的技術和經驗，提高產品的質量，是當前國內冰箱企業(yè)面臨的重要任務，也只有這樣才能在國際市場競爭中取得一定的位置。