CN101918776A - 控制运行于自由冷却模式下的空调***的方法和*** - Google Patents

控制运行于自由冷却模式下的空调***的方法和*** Download PDF

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Abstract

一种控制运行于自由冷却模式下的空调***的方法，包括：测量靠近冷凝器的外部环境空气的第一温度；测量退出蒸发器的工作流体的第二温度；计算所述第一温度和所述第二温度之间的温度差；将所述温度差与预设最优值比较；以及基于所述温度差调整所述空调***的能量需求。

Description

控制运行于自由冷却模式下的空调***的方法和***
【技术领域】
本发明涉及一种空调***。更具体地说，本发明涉及控制运行于自由冷却模式下的空调***的方法和***。
【背景技术】
在空调***的通常运行期间，空调***运行于冷却模式中，在这种模式中，消耗能量而运行压缩机以压缩和循环制冷剂，从而以已知的方式冷却或调节例如空气或其它二级回路流体(例如水或乙二醇)等工作流体。然后，被调节的工作流体能够被用于冰箱、冷冻器、建筑物、汽车及其它具有气候受控制的环境的空间内。
但是，当外部环境温度低时，存在如下可能，即，外部环境空气自身可被用于提供对工作流体的冷却，而不用进入冷却模式。当外部环境空气被空调***用以调节工作流体时，该***被称为运行于自由冷却模式下。如上所述，通常，即使当环境外部空气温度低时，空调***也运行于冷却模式下。在这种情况下运行于冷却模式下提供了调节工作流体的低效率方法。相反，在这种情况下以自由冷却模式运行空调***是更有效的。在自由冷却模式下，一个或更多通风的热交换器及泵被起动，使得循环通过空调***的制冷剂被外部环境空气冷却，然后被冷却的制冷剂被用以冷却工作流体。
因此，本发明确定了存在对控制具有自由冷却模式的空调***的方法和***的需要。
【发明内容】
提供了一种控制运行于自由冷却模式下的空调***的方法。该方法包括：测量靠近冷凝器的外部环境空气的第一温度；测量退出蒸发器的工作流体的第二温度；计算所述第一温度和所述第二温度之间的温度差；将所述温度差与预设最优值比较；以及基于所述温度差调整所述空调***的能量需求。
提供了一种具有自由冷却模式和冷却模式的空调***。该空调***包括：冷凝器，将制冷剂布置成与环境外部空气呈热交换关系；第一温度传感器，用于测量所述环境外部空气的第一温度；蒸发器，其被配置成将所述制冷剂布置成与工作流体呈热交换关系；第二温度传感器，用于在所述工作流体退出所述蒸发器时测量所述工作流体的第二温度；制冷剂泵，用于在所述自由冷却模式下泵送制冷剂；控制器，用于计算所述第一温度和所述第二温度之间的温度差，所述控制器基于所述第二差调整所述空调***的能量需求。
根据如下详细描述、附图及所附的权利要求书，所属技术领域的技术人员将了解和理解本发明的上述及其它特征和优点。
【附图说明】
图1是根据本发明处于冷却模式下的空调***的示例性实施方式。
图2是根据本发明处于自由冷却模式下的空调***的示例性实施方式。
图3示出运行具有自由冷却模式和冷却模式的空调***的、根据本发明的方法的示例性实施方式。
图4是示出能力相对ΔT_自由冷却以及装置效率相对ΔT_自由冷却的曲线图。
【具体实施方式】
本发明涉及一种具有冷却模式和自由冷却模式的空调***。更具体地说，本发明涉及控制运行于自由冷却模式下的空调***的效率的方法。在本发明中披露了，虽然初始外部能量对于开始空调***10内的自由冷却模式是必需的，但是，在自由冷却模式期间，随着外部环境空气与工作流体之间的温度变化达到最优值，这些能量能够被逐渐减少。因而能够控制空调***的能量效率。有利地，通过改善空调***10的能量效率，能够减少与运行空调***10相关的成本。
参照附图，尤其是参照图1和2，示出了运行于冷却模式(图1)和/或处于自由冷却模式(图2)下的空调***(“***”)的示例性实施方式，所述***整体上用附图标记10标出。
***10包括压缩机12、第一阀14、第一温度传感器16、冷凝器18、制冷剂泵20、第二阀22、膨胀装置24、第二温度传感器26、蒸发器28、控制器30、第三阀32、制冷剂34以及工作流体36。
冷却模式下的***10使用压缩机12将制冷剂34从蒸发器28泵送至冷凝器18。但是，自由冷却模式下的***10使用制冷剂泵20将制冷剂泵送通过整个***。而冷却模式下的***10在运行期间不使用制冷剂泵20，自由冷却模式下的***在运行期间不使用压缩机12。
参照图1，***10以已知的方式运行于冷却模式下。具体地说，控制器30与第三阀32电连接，使得第三阀32被调整至适当的位置，使得制冷剂34能够从蒸发器28流到压缩机12。如果之前***10运行于自由冷却模式下，则控制器30关闭制冷剂泵20，使得制冷剂34通过第二阀22从冷凝器18流到膨胀阀24，因此绕过制冷剂泵。第二阀22是机械止回阀。当制冷剂泵20关闭时，由于内部泵阻，制冷剂34将流过第二阀22，而不是流过制冷剂泵。在冷却模式下，在制冷剂泵20内具有比第二阀22更高的压降。控制器30打开压缩机12。压缩机12压缩通过第一阀14流到冷凝器18的制冷剂34，在冷凝器18内发生制冷剂与环境外部空气之间的热交换，并且制冷剂开始冷却。在本发明的一个实施方式中，第一阀14是止回阀。
第一温度传感器16测量环境外部空气的温度。控制器30打开至少一个冷凝器风机38和40，使得环境空气以与制冷剂34呈热交换关系的方式流过冷凝器，使得来自制冷剂的热量被转移至环境空气。然后，制冷剂34经过第二阀22，绕过制冷剂泵20，达到膨胀阀24。在本发明的实施方式中，第二阀22是止回阀。
当膨胀装置24被打开时，随着制冷剂经过膨胀装置而达到蒸发器28，被压缩的制冷剂34膨胀。蒸发器28被配置成使得工作流体36流过蒸发器，使得能够发生制冷剂34和工作流体之间的热交换。第二温度传感器26测量退出蒸发器28的工作流体36的温度。
从蒸发器28，制冷剂34经过第三阀32流到压缩机12。在本发明的一个实施方式中，第三阀32是三通阀。为了本发明的目的，能预料到工作流体36可以是适于允许制冷剂34和工作流体之间的热交换的任意已知形式。例如，工作流体36可以是水或空气。
现在参照图2，示出了运行于自由冷却模式下的***10。当进入自由冷却模式时，控制器30与***10的多个元件电连接，所述元件中的每个被布置成适当的配置，使得该***能够运行于自由冷却模式下。例如，控制器30关闭压缩机12并且调整第三阀32，使得制冷剂34从蒸发器28流到冷凝器18，因此绕过了压缩机12。控制器30打开冷凝器风机38和40中的至少一个，使得环境空气以与制冷剂34呈热交换关系的方式流过冷凝器，使得来自制冷剂的热量被转移到环境空气。控制器30也打开制冷剂泵20，使得制冷剂34从冷凝器18连续地流到制冷剂泵。
制冷剂泵20将制冷剂34从冷凝器18通过膨胀阀24泵送至蒸发器28，在蒸发器28中以与上述冷却模式下相同的方式产生制冷剂至工作流体36的热交换。第二温度传感器26测量退出蒸发器28的工作流体36的温度。然后，由于泵20作用而产生的自然制冷剂移动，制冷剂流过第三阀32，绕过压缩机12，流到蒸发器28。
参照图3，示出了运行具有冷却模式和自由冷却模式的***10的方法的示例性实施方式，并且所述方法整体上用附图标记50示出。方法50包括自由冷却情况确定步骤54、可用自由冷却能力检查步骤56、切换步骤58、泵起动检查步骤60、能量优化步骤64、自由冷却模式下运行时能力不足检查步骤66以及泵检查步骤68，在所述泵检查步骤中，确定制冷剂泵20得到缓和或产生空蚀。
起初，在步骤52中，***10或者停止，或者运行于冷却模式下。当***10在冷却模式下运行时，***的运行如图1中所示。优选地，方法50包括驻留在控制器30上的计算机算法。
在自由冷却情况确定步骤54，方法50确定当前情况是否足以在自由冷却模式下而不是在冷却模式下运行***10。如果是这样的话，则方法50确定是否有足够的自由冷却能力56用于***10运行于自由冷却模式。如果在步骤56确定有足够的能力使***10运行于自由冷却模式，则在切换步骤58***切换到自由冷却模式。
如前所述，当***10在步骤58切换至自由冷却模式时，控制器30与空调***10的多个部件电连接，使得每个部件均进入自由冷却的正确位置。在起动步骤60起动制冷剂泵20之后，以步骤62***10开始运行于自由冷却模式。当在步骤62***10开始运行于自由冷却模式时，***如图2中所示运行。
要开始***10中的自由冷却模式则需要初始外部能量。至少冷凝器18的动力风机38和40以及动力制冷剂泵20需要初始外部能量。但是，本发明已经确定，由于在能量优化步骤64模式50/控制器30监测外部环境空气和工作流体36之间的温度差，所以，在自由冷却模式期间能够减小动力风机38和40以及制冷剂泵20起初所需要的能量。
当***10在步骤62运行于自由冷却模式，因而方法50及控制器30不断地监测分别在第一温度传感器16和第二温度传感器26所测得的第一温度和第二温度，并计算二者之间的差。所述差通过从第二温度减去第一温度而计算得到。当所计算的第一温度和第二温度之间的差达到最优预定值时，在步骤64，控制器30减小由***10消耗的外部能量的量。
在本发明的一个实施方式中，在步骤64，当所计算的第一温度和第二温度之间的差达到最优预定值时，方法50/控制器30将关闭冷凝器风机38或40，或者将两个风机均关闭。
在本发明的第二实施方式中，在步骤64，当所计算的第一温度和第二温度之间的差达到最优预定值时，方法50/控制器30控制冷凝器风机38或40的速度，或者控制两个风机的速度。
在本发明的第三实施方式中，在步骤64，当第一温度和第二温度之间的差达到优化预定值时，方法50/控制器30将控制制冷剂泵20的运行。控制器30通过在需要时打开和关闭制剂泵20和/或通过控制制冷剂泵的速度来进行此控制。
在另一实施方式中，当所计算的第一温度和第二温度之间的差达到最优预定值时，在步骤64，方法50/控制器30控制例如泵或风机(图1及图2)等工作流体推进器72的运行。控制器30通过在需要时打开或关闭工作流体推进器72和/或通过控制所述推进器的速度来进行此控制。
当***10在步骤62运行于自由冷却模式时，在步骤66，方法50/控制器30连续地监测是否存在足够的可用能力来继续运行于自由冷却模式下。方法50/控制器30通过步骤68还连续地监测制冷剂泵20是否得到缓和或产生空蚀。如果或者在步骤66确定可用能力不足和/或在步骤68确定制冷剂泵20得到缓和/产生空蚀，则在切换步骤70***将切换到冷却模式。这时，***10切换到冷却模式并且如图1中所示运行。
现在参照图4，示出了具有四风机冷凝器18的空调***10能力和效率的曲线图。可以看出，以千瓦的形式将能力标印于左侧的Y轴上，装置效率标印于右侧的Y轴上，外部环境空气和工作流体36之间的温度差(以摄氏度的形式)标印在X轴上(称为ΔT_自由冷却℃)。如在此示例中的应用，术语“充分通风”意思是所有四个冷凝器风机均全速运行，而术语“部分通风”意思是仅两个风机全速运行。
如图4中所示，第一温度和第二温度之间的最优差为约17.5摄氏度。能力80示出当运行于部分通风情况时***10的能力。能力82示出当运行于完全通风情况时***10的能力。可以看出，当ΔT_自由冷却达到17.5摄氏度时，部分通风和完全通风空调***的能力之差变小。在17.5摄氏度，以及对于更大的ΔT_自由冷却值，完全和部分通风空调***之间的能力几乎相同。因而，在此实施方式中，步骤64的最优预定值是17.5摄氏度。但是，应当了解，根据***10的一个或更多变型，最优预定值也能够大于或小于17.5摄氏度。
效率84代表运行于完全通风情况下的***10的效率。效率86代表运行于部分通风情况下的***的效率。可以看出，当ΔT_自由冷却达到17.5摄氏度时，在运行于部分通风而不是完全通风的情况下，大大改善了***10的效率。
有利地，图4清楚地示出，当达到了第一温度和第二温度之间的差的最优值时，不仅在运行两个或四个冷凝器风机的情况下***10的能力保持相同，而且在运行两个风机而不是四个机机时很大程度上增加了***的效率。
应当注意，术语“第一”、“第二”、“第三”、“上”、“下”等在此可用于修饰不同的元件。除非具体说明，这些修饰语并不意味着被修饰的元件的空间、序列或分级次序。
虽然参照一个或更多示例性实施方式描述了本发明，所属技术领域的技术人员将可了解，在不脱离本发明的范围的情况下，可以做出多种变型，并且等同物可用以替代其中元件。另外，在不脱离本发明的范围的情况下，可以做出许多改型来使具体的情况或材料适于本发明的教示。因此，意在本发明并不局限于披露为所预料到的最佳模式的具体实施方式，而是本发明将包括落入所附权利要求书的范围内的所有实施方式。

Claims (19)

1.一种控制运行于自由冷却模式下的空调***的方法，包括：
测量靠近冷凝器的外部环境空气的第一温度；
测量退出蒸发器的工作流体的第二温度；
计算所述第一温度和所述第二温度之间的温度差；
将所述温度差与预设最优值比较；以及
基于所述温度差调整所述空调***的能量需求。
2.如权利要求1所述的方法，其中，测量所述第一温度包括控制第一温度传感器以确定所述第一温度，并且测量所述第二温度包括控制第二温度传感器以确定所述第二温度。
3.如权利要求1所述的方法，其中，调整所述能量需求包括在所述自由冷却模式期间间断地关闭和打开至少一个冷凝器风机。
4.如权利要求1所述的方法，其中，调整所述能量需求包括在所述自由冷却模式期间改变至少一个冷凝器风机的速度。
5.如权利要求1所述的方法，其中，调整所述能量需求包括在所述自由冷却模式期间间断地关闭和打开制冷剂泵。
6.如权利要求1所述的方法，其中，调整所述能量需求包括在所述自由冷却模式期间调整制冷剂泵的速度。
7.如权利要求1所述的方法，其中，调整所述能量需求包括在所述自由冷却模式期间间断地关闭和打开工作流体推进器。
8.如权利要求1所述的方法，其中，调整所述能量需求包括在所述自由冷却模式期间调整工作流体推进器的速度。
9.如权利要求1所述的方法，其中，所述预设最优值约为17.5摄氏度。
10.如权利要求1所述的方法，其中，所述计算和比较步骤通过驻留在所述空调***的控制器上的软件程序执行。
11.一种具有自由冷却模式和冷却模式的空调***，包括：
冷凝器，将制冷剂布置成与环境外部空气呈热交换关系；
第一温度传感器，用于测量所述环境外部空气的第一温度；
蒸发器，其被配置成将所述制冷剂布置成与工作流体呈热交换关系；
第二温度传感器，用于在所述工作流体退出所述蒸发器时测量所述工作流体的第二温度；
制冷剂泵，用于在所述自由冷却模式下泵送制冷剂；
控制器，用于计算所述第一温度和所述第二温度之间的温度差，所述控制器基于所述第二差调整所述空调***的能量需求。
12.如权利要求11所述的空调***，进一步包括多个冷凝器风机，用于使所述环境外部空气循环通过所述冷凝器。
13.如权利要求12所述的空调***，其中，所述控制器通过在所述自由冷却模式期间间断地关闭或打开所述多个冷凝器风机中的至少一个来调整所述能量需求。
14.如权利要求12所述的空调***，其中，所述控制器通过在所述自由冷却模式下改变所述多个冷凝器风机中的至少一个的速度来调整所述能量需求。
15.如权利要求11所述的空调***，其中，所述控制器通过在所述自由冷却模式期间间断地关闭或打开制冷剂泵来调整所述能量需求。
16.如权利要求11所述的空调***，其中，所述控制器通过在所述自由冷却模式期间改变所述制冷剂泵的速度来调整所述能量需求。
17.如权利要求11所述的空调***，进一步包括工作流体推进器，用于使所述工作流体运动经过所述蒸发器。
18.如权利要求17所述的空调***，其中，所述控制器通过在所述自由冷却模式期间间断地关闭或打开所述工作流体推进器来调整所述能量需求。
19.如权利要求17所述的空调***，其中，所述控制器通过在所述自由冷却模式期间改变所述工作流体推进器的速度来调整所述能量需求。
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