空调、洗碗机、冰箱、洗衣机、热水器和其他大型家用电器制造商，为了应对立法压力、环保举措、能源成本飙升和消费者需求增加，正在开发更节能的产品。目标是减少多余的电力、天然气和水的消耗。

美国能源部（DOE，华盛顿特区）要求冰箱仅占住宅能源使用的12％。那是因为它是一件不断运行的设备。DOE有权为广泛的电器制定能效规则。但是，它在更新旧的方面并颁布新的。

尽管最近大肆宣传，但绿色家电并不是一个新概念。事实上，橡树岭国家实验室(Oak Ridge, TN)的工程师们在过去几十年里对这一课题进行了广泛的研究。因此，与35年前相比，如今拥有和操作大多数家电的成本更低。1980年至1990年间，一项主要的创新——改进的冰箱-冰箱压缩机——为消费者节省了60多亿美元的能源成本。

设备制造商多年来提供节能型号。“这是一个现在越来越多的主题，但自20世纪70年代初以来，我们已经参与了这个问题，”惠而浦公司的监管事务总监J.B. Hoyt。（宾顿港，MI）。“自20世纪70年代末以来，家电行业存在能效标准。结果，今天的冰箱使用了30年前他们做的四分之一的能量。“

惠而浦索赔其冰箱的年平均千瓦时使用额为74％，于1972年至2007年间跌幅为74％。通用电气公司（Fairfield，CT）声称其最新一代冰箱使用了40％的能源，而不是2001年销售的传统型号，50％比1993年以前制造的模型少于模型。制造商也大大提高了洗衣机的效率，将能源使用多达70％。

“家电标准排名与汽车燃料经济性标准作为两个最有效的联邦节能政策，”美国委员会一项节能经济委员会（华盛顿特区）委员会代理执行董事William Proindle说。“作为旧电器磨损并被替换，现有标准的节省将稳步增长。”

例如，2006年1月，对中央家用空调实施了一项新的强制性评级，结果效率提高了30%。Prindle预计，到2010年，节约的总电量将超过2500亿千瓦时，占预计用电量的6.5%。

为什么要去绿色？

“能源效率是一种产品差异化，”Freedonia Group Inc.（克利夫兰）的家电行业分析师Mike Deneen解释说。“它有助于推动市场的更换需求。但是，它肯定不是一个时尚。向绿色产品的转变为您在此留下来，需求将来会继续增长。“

Emerson Climate Technologies（Sidney，OH）工程副总裁Ken Monnier表示，能源效率是世界上许多地区目前正在进行的全球变暖减少计划的主要组成部分之一。“随着居民和商业应用的电力发电，代表美国二氧化碳排放量的三分之一，降低了任何设备中使用的电力量非常重要，”他指出。

莫尼埃说:“许多州正在制定的立法和联邦计划，如能源之星，都有助于提高能源效率，并鼓励房主购买最节能的产品。”“支持这些努力对环境和商业都有好处。”

这种情绪反映在铜开发协会公司（CDA，纽约CDA）进行的全国范围内进行了反映。参与者被问及他们对能源问题的了解以及确定他们的家用电器的选择。他们排名了几个影响其采购决策的因素，例如燃料选择（电力与天然气），价格，能源效率，品牌，产品特色，可用性和外观。

“在所有地区，能源效率取代了作为制作家电的关键决定因素的价格，”关联铜电机转子节目的副总裁John Cowie博士说。“大多数美国家庭现在断言他们将努力在未来购买节能电器。”

根据调查，75%的受访者表示，能源效率是他们在过去一年购买家电的一个非常重要的因素。84%的受访者表示，能源效率将是未来做出购买决定时“非常重要的考虑因素”。

该研究发现，对于更高效率的电器，25％的受访者愿意支付15％至25％的人。许多受访者还报告了看到能效相关的广告。

“这种提升的能源效率意识的原因肯定会记入目前的因素，包括不稳定的能源价格和斗争的美国经济，”凯莉说。

《电器设计》(Appliance Design)杂志是《组装》(ASSEMBLY)的姊妹刊物，该杂志主编理查德·巴亚克(Richard Babyak)表示，绿色电器有许多不同的色调。“我通常对使用‘绿色’这个词持谨慎态度，因为它很模糊，”Babyak说。“绿色可指耗电的能源效益、耗气的能源效益、湿式电器的节水、使用可回收材料，或使用制冷剂和发泡剂(全球变暖潜势较低)。”因此，设备可能在一个方面是绿色的，而在另一个方面明显是非绿色的。

“而且，当谈到回收时，潜在可回收和实际被回收之间也是有区别的，”Babyak补充说。“例如，许多塑料部件，比如聚丙烯干燥桶，在技术上是可回收的。在实际操作中，它们通常不是。大多数废品经销商只是简单地将电器撕碎，用磁铁获取钢材，然后塑料作为绒毛进入垃圾填埋场。”

尽管如此，美国家电行业比以往更加环保的选择和特征。家电制造商一直在降低电力，天然气和耗水量的新组件上花费数百万美元。例如，GE在过去5年内投资超过4亿美元的节能组件。

“仅在2006年，我们就投资了5500万美元在[节能]设备上，创造了309种新型号，”通用电气消费与工业(路易斯维尔，肯塔基)总裁兼首席执行官詹姆斯·坎贝尔说。“这比2005年增长了31%。”该公司表示，50%的产品可以归类为高效电器。

惠而浦声称，在过去5年里，仅在北美就投资了大约5亿美元，用于设计和生产节能和节水产品。该公司提供近600种节能电器。

特库姆塞压缩机集团(Tecumseh Compressor Group，密歇根州特库姆塞)营销总监詹姆斯•鲁茨(James Rutz)指出:“家电制造商正在努力满足政府的要求和消费者对节能产品的需求。”“老话说得好:‘整体大于部分之和。’为了实现高效的成品，制造商需要智能设计的组件，这些组件可以很好地协同工作，从而生产出高效的最终产品。”除了压缩机，这些部件还包括电机、泵、传感器、开关和数字控制。

联邦法规

美国家电行业的绿色运动始于联邦法规，比如一项名为“能源之星”的政府倡议。这是一个自1992年以来就存在的自愿的、基于市场的项目。“能源之星”由美国能源部和美国环境保护局(华盛顿特区)共同管理。符合空调、洗碗机、电炉、冰箱、洗衣机等特定要求的产品可以显示蓝白相间的星星标志。

然而，该项目一直存在争议。例如，电器制造商自己进行测试并提交结果。此外，每个类别中只有前25%的产品原本应该获得能源之星的标签。去年，超过80%的洗碗工获得了这一称号。

最近的几项发展预计将进一步激发人们对绿色家电的兴趣。欧洲国内设备制造商委员会(CECED，比利时布鲁塞尔)呼吁在全球范围内提高能源效率。它希望通过立法措施来确保能源性能标准，以替代10年前在欧洲引入的自愿协议的不断更新。

CECED主席马格努斯•因根(Magnus Yngen)表示，欧盟(eu)能源标签计划的政府执行不完善，损害了家电行业进入下一阶段自愿措施的能力。伊莱克斯公司(斯德哥尔摩)欧洲主要家电部门负责人Yngen警告说:“太多的政府并没有阻止粗心或不道德的经营者推销声称比实际提供的更节能的产品。”

CECED正在开展一项市场测试计划，利用独立的实验室，检查从市场上抽样的产品是否符合其标签上的性能要求。结果将于今年晚些时候公布。

上个月，美国家用电器制造商协会(AHAM, Washington, DC)宣布其成员将建立新的强制性联邦能效标准，包括新的“能源之星”门槛。制造商将因生产能显著提高效率水平的超高效产品而获得税收抵免。它包括有史以来第一个针对洗衣机和洗碗机的国家最低用水效率标准。

AHAM总裁约瑟夫•麦圭尔(Joseph McGuire)表示:“该协议代表着工业、能源和水的倡导者达成了一项具有里程碑意义的共识，目的是提高许多家电产品的能源和水效率。”

如何去绿色

绿色影响器具设计和组装的方式。例如，工程师依赖各种传感器，开关和数字控制来测量和监控能量消耗。这些额外的组件使大会更加复杂。

惠而浦的霍伊特说:“前置洗衣机就是一个很好的例子。“它们使用变速电机，这需要复杂的电子设备来管理和监控功能。”

产品如何更具节能，通常涉及特定设备。“例如，评定洗衣机的能量效率是一个复杂的公式，”BasaCak解释道。“电动机的直接电气消耗。There is the indirect energy consumption of hot water, where the energy is actually expended in the home’s water heater, and the indirect consumption of energy by the clothes dryer, which is affected by how much water is spun out of the clothes during the washer’s spin cycle. Bumping up the spin speed in a washer therefore reduces energy consumption in the dryer.

“在水边，前负荷垫圈通常使用传统的顶部负荷垫圈的三分之一，”添加Babyak。“但是，由于如此多的人喜欢他们的顶级装载机，惠而浦和葛都与低水平的使用顶部装载机出来，这些装载机不会像传统的顶部装载机一样填充浴缸。他们的设计都消除了传统的搅拌器，需要新颖的方法来移动衣服。“

在冰箱或空调机组中，有不同的方法来提高能源效率，每一种方法都有其优缺点。“在冰箱中，你可以使用更高效的压缩机和电机，更好的热交换器，或更厚或更好的绝缘，以及自适应除霜控制，”Babyak指出。“两者都有权衡。发动机好，成本高。更厚的隔热层减少了内部空间。”

空调也给工程师带来了类似的挑战。“你可以使用可变容量的压缩机，更高效的电机，或者更大更好的热交换器，”Babyak说。“同样，每一种都有其成本和系统设计上的权衡。”

能源效率的另一个方面是备用能源的概念，它是指一个设备在不履行其主要功能(如烤箱上的时钟)时所消耗的能量。

“通过设计更高效的电源和更有效的充电电路，”待机能量减少，“Basaab介绍。“这通常意味着电路板上的不同和更昂贵的半导体器件类型。”

挑战和机遇

电器制造商和供应商一直把精力集中在电机上，因为许多产品使用电机来控制风扇、压缩机、泵和其他项目。然而，马达对电的渴求是出了名的。事实上，美国能源部报告说，美国生产的全部能源的60%到65%是由电动机消耗的。

格雷厄姆·罗伯逊指出:“传统上，家用电器中使用的电机是感应电机，以固定速度运行，依靠相对简单和低效的调节技术，如机械齿轮箱或负荷循环。”International Rectifier Corp. (El Segundo, CA)全球营销副总裁。“将这些电机换成变速的永磁替代品可以减少多达50%的能源浪费。”

除了降低能量消耗之外，与永磁电动机技术相关的每个放大器的较低损耗和更高的扭矩允许工程师指定较小且较轻的电动机，以保持冰箱或空调应用中的目标温度。

“这不仅可以节省空间和重量，还可以允许较低的成本电机并减轻机械设计，”罗伯逊指出。“与大多数可变速度器具应用选择的永久磁体电机，也倾向于将较小的昂贵的原料，例如钢，例如钢，相比感应电动机。

Robertson补充道:“变速电机运行也提高了可靠性和寿命，同时降低了噪音。”“总的来说，低购买价格和低运行成本的承诺应该会使变速家用电器吸引公众购买。”

Maxon Motor (Sachseln, Switzerland)的首席技术工程师Urs Kafader博士补充道:“对于大型电机来说，能源效率很有趣，如果你使用更少的电力，就可以省下真正的钱。”一般来说，电机越大，相对损耗越高，效率越低。

Kafader表示，通过仔细设计导致损耗的电机部件，如刷子换向，轴承和层压铁堆叠，可以获得高效率。“高效电机使用具有较低公差水平的零件，”他指出。“这通常会增加成本。”

几种不同的电机技术可以提高设备应用中的能效。“DC和无刷DC（BLDC）电机都很有趣，”Kafader说。“这取决于申请和要求。”

传统的直流电机“生活有限，但对于许多应用来说，到目前为止就足够了，”Kafader解释道。“他们也更简单控制。无刷直流电机的寿命更长，更少的早期故障，并且可以以非常高的速度运行。但是，他们需要电子换向和控制更复杂。“

除电机本身外，能量可以通过驱动螺钉和齿轮的高效率设计来节省。“这通常是你失去大部分力量的地方，”kafader说明。

电动机制造商正在尝试不同的材料，例如用铝或塑料部件替换铜部件。“铜非常昂贵，所以每个人都在看铝等替代品，”Emerson家电解决方案营销和销售高级副总裁Jack Huether说（圣路易斯）。“但是，有表现和成本权衡。例如，虽然铝不太昂贵，但也没有电力。“

根据国际整流器的罗伯逊，永磁同步电动机（PMSM）正在成为传统三相感应电动机的首选解决方案。“PMSM电机比感应电机更有效，并且使用较少的钢和铜，而不是相同功率等级的感应电机，”他解释说。“在过去几年中，磁性材料的成本已经下降。因此，PMSM不仅更有效，而且比感应电机更便宜。“

罗伯逊称，已经在使用永磁电机的日本空调制造商预计，效率将提高至多2个百分点，这将减少约20%的能源损失。中国的空调制造商正在将压缩机中的固定速度感应电机转换为变速pmms，预计将获得高达40%的季节效率。

在提供更大的能量效率的同时，永磁体变速电机驱动系统使用三个霍尔效应传感器来检测绝对转子角度位置。“尽管消除了位置和速度传感器，但是先前还没有将无传感器算法实施到现有的微控制器中，”Robertson说。“历史上，设计无传感器PMSM控制器是一个挑战。

“最直接的方法是测量电机绕组电流，然后估算转子的位置和速度，”罗伯逊解释说。“直接测量电机相电流是昂贵的，一般来说，在许多商业应用中不经济。”

经济高效的无传感器设计基于间接电流测量来进行位置和速度计算。控制器从该间接测量计算电动机绕组电流，并从绕组电流计算中导出转子速度和扭矩。

Robertson表示:“尽管无传感器控制器在实施方面很实用，但直到最近，设计团队还需要结合泵系统知识、控制算法专业知识和高级编程能力。后者通常在公司内部是无法获得的。即使公司内部存在必要的系统开发技能，编写和测试复杂代码也会增加设计风险、成本和周期时间。”

Robertson表示需要快速和成本有效地构建PMSMS的控制系统已经为可以实现无传感器控制的专用集成电路创造了需求。国际整流器等半导体制造商已经开发出电机控制平台，包括建筑物，设备制造商能够快速携带以创建成品变速，无传感器驱动设计。“这些平台，如这些加速设计过程，切割组件计数，降低风险和更低的项目成本，”罗伯逊说明。

压缩能源起着关键作用

除电动机外，压缩机在节能电器中也起着关键作用，特别是空调和冰箱。艾默生气候技术公司的Monnier说:“节能压缩机为房主带来了许多好处，比如节省能源和减少冷凝单元的尺寸。“通过提高压缩机的效率，并使压缩机能够在整个季节和广泛的运行条件下满足家庭空调的需求，可以减少能源节约。

“节能压缩机利用三个因素来提高性能，”莫尼尔解释说。“它们利用最有效的电机来驱动压缩机制;它们的设计精确以匹配每个应用程序的条件;它们使用最有效的方法压缩气体。“

然而，Tecumseh公司的Rutz指出，要实现压缩机和电机的机械效率，如最小化再膨胀体积和摩擦损失，“通常需要更复杂的制造能力”。他说，工程师们必须意识到，在制造更节能的设备组件时，需要权衡利弊。

“通常，”更高效“等于电机和更昂贵的制造过程中的更多材料，”Rutz。“与此同时，通过减少移动部件的重量，往往可以实现提高效率，这反过来可以减少鲁棒性。”

有两种方法可以提高压缩机的效率。一种方法涉及减少经历压缩的制冷剂的量，这减少了电动机上的负荷。另一种替代方案是利用可变速度电机技术。这通过允许工程师实现更好的冷却负荷与消耗的能量匹配来节省能源。但是，它还增加了复杂性。

根据蒙尼尔，目前用于空调应用的最有效的方法可用于空调应用是滚动压缩机。它使用两个类似的螺旋压缩元件来压缩气体。一个卷轴固定在压缩机主体上。另一个由电动机和驱动轴驱动，在排出到系统之前，产生多个气体和不同压力的升压度和不同的压力。

与变速电机相比，单速电机简单，可靠，廉价廉价。但是，可变速度设备可以节省20％或更多的能耗;但是，它们需要精致的电子设备，昂贵的设计和生产，并增加组装复杂性。

Rutz补充道:“当我们进入直流电变速时，组装过程是不同的。“在这些应用中，有些特殊材料需要非常小心地处理，而且必须将速度传感技术整合到产品中。

鲁茨指出:“直流变速电机的运行方式与同步变速的交流电机完全不同。”“不仅需要控制速度，还需要控制旋转方向。在每次启动时，必须确定转子的位置。所有这些都需要各种传感器和智能电子设备，其中一些是封装在压缩机内部的。”