CN108006870A - 一种气泵复合型机房空调***及其控制方法 - Google Patents

一种气泵复合型机房空调***及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种气泵复合型机房空调***，包括压缩机、气泵、油分离器、冷凝器、流量装置、蒸发器以及气液分离器构成的冷源***、主控单元和温度采集单元，主控单元与冷源***信号连接；温度采集单元用于采集室外温度以及室内温度并与主控单元信号连接，使主控单元根据室内、外温度控制压缩机、气泵、冷凝器的风机和流量装置的运行状态。本发明还公开了一种气泵复合型机房空调***的控制方法，能够根据室外温度，调节压缩机、气泵的运行状态，节流装置的开关状态以及冷凝器的运行状态，使冷源***分别切换为制冷循环模式或气泵循环模式，实现在低温季节利用室外自然冷源使用气泵循环模式替代压缩制冷循环模式，能够最大化地利用自然冷源。

Description

一种气泵复合型机房空调***及其控制方法
技术领域
本发明涉及一种气泵复合型机房空调***及其控制方法。
背景技术
信息产业和数字化建设的快速发展，推动了机房、基站的数量，建设规模快速增长，据统计机房、基站空调的能耗占其总能耗的40％～50％。机房、基站的显热负荷比大，一年四季需连续运行，在室内侧设定温度低于室外侧温度的季节，常规的空调***仍需继续运行压缩式制冷***，制冷***工作效率低而且易发生故障，若能利用室内外温差低成本输送热量或为室内侧提供冷量，将大大减小空调***的能耗和运行成本。在夏季等高温季节通过利用地冷可实现制冷***高效运行。大幅度提升***能效。利用室外低温空气为室内侧提供冷量的方法已得到业内学者和工程技术人员的关注，并以不同的形式展开工程技术研究，如目前采用的新风***，此外还有不同形式的气-气、气-水热交换***，以及应用热管技术的复合型空调。
中国发明专利申请CN201010528027.X中公开了一种风冷式气泵复合型机房空调***，该***具有压缩式制冷和热管循环制冷两种工作模式。当室外温度≥20℃时制冷模式工作，参与制冷循环的第一制冷工质在蒸发冷凝器中蒸发吸热，冷却和冷凝第二制冷工质；当室外温度＜20℃时，***转换为热管循环制冷模式，利用室外低温空气对第二制冷工质进行冷却和冷凝，压缩式制冷循环停止工作，从而有效减少全年空调能耗。此***在利用室外低温空气冷量和确保室内空气品质方面弥补了前两种***的不足，但压缩式制冷和热管循环制冷两种工作模式在某一温度点切换，***的制冷量能否平稳衔接并可靠工作等，值得考量；同时热管循环工作的上限温度偏低不利于最大化利用室外低温空气的冷量。
实用新型专利CN01278831.7公开了一种带循环泵的节能型制冷循环装置，在热管循环***中使用循环泵有利于提高热管循环的工作效率，也简化了热管***安装时对冷凝器、储液器和蒸发器相对位置的要求，但CN01278831.7在最大化利用室外低温空气的冷量方面的不足与CN201010528027.X类似，即热管循环工作的上限温度必须较低才能与制冷循环平稳衔接。
发明专利ZL201210037332.8与发明专利ZL201210037082.8提出一种带复合区的热管复合机房空调***，利用动力型分离式热管***与蒸气压缩式制冷***在中间冷凝蒸发器(蒸发盘管)处进行复合，制冷***在过渡季节为热管***补偿冷量，拓宽热管***工作温区。但是发明专利ZL201210037082.8在制冷模式下利用二次换热方式为末端提供冷量，降低***制冷效率；而ZL201210037332.8在制冷模式与热管模式两种模式切换时，会出现***冷量输出不稳定，过度不平稳状态。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺陷而提供一种能够最大化地利用自然冷源，根据室内、外温差无限构造热管循环的气泵复合型机房空调***及其控制方法。
实现本发明目的的一种技术方案是：一种气泵复合型机房空调***，包括冷源***、主控单元和温度采集单元；其中，
冷源***包括压缩机、气泵、油分离器、冷凝器、流量装置、蒸发器以及气液分离器；
所述压缩机由一个或多个并联的具有排气口与吸气口的压缩机构成，每个压缩机的排气口分别连接一个第一单向阀的进口；
所述气泵由一个或多个并联的具有排气口与吸气口的气泵构成，每个气泵的排气口分别连接一个第二单向阀的进口；
所述油分离器的入口与所述第一单向阀和第二单向阀的出口相连通，油分离器的回油口通过回油毛细管与压缩机的吸气口及气泵的吸气口相连通；
所述冷凝器的入口与所述油分离器的出口相连通；
所述流量装置的入口与所述冷凝器的出口相连通，该流量装置具有宽幅调节流量功能；
所述蒸发器的入口与所述流量装置的出口相连通；
所述气液分离器的入口与所述蒸发器的出口相连通。
所述主控单元与冷源***信号连接；
所述温度采集单元用于采集室外温度以及室内温度并与所述主控单元信号连接，使主控单元根据室内、外温度控制所述压缩机、气泵、冷凝器的风机和流量装置的运行状态。
上述的气泵复合型机房空调***，其中，所述冷源***还包括依次连接在所述冷凝器和流量装置之间的储液器、干燥过滤器和视液镜。
上述的气泵复合型机房空调***，其中，所述冷凝器为风冷冷凝器、水冷冷凝器或蒸发式冷凝器。
上述的气泵复合型机房空调***，其中，所述流量装置为单个电子膨胀阀，或为两个电子膨胀阀并联，或为电子膨胀阀与电磁阀并联，或为电动流量调节阀与电子膨胀阀并联。
实现本发明目的的另一种技术方案是：一种基于权利要求1所述的气泵复合型机房空调***的控制方法，包括：
将室外温度T划分为两个功能区：制冷区和气泵区；
所述制冷区为：室外温度T＞T0；所述气泵区为：室外温度T≤T0；
其中，T0应根据具体工况设定；
针对室外温度T所处不同的功能区，相应切换冷源***运行于制冷循环模式或气泵循环模式：
对应所述制冷区的制冷循环模式：由压缩机、第一单向阀、油分离器、冷凝器、流量装置、蒸发器以及气液分离器构成制冷工质回路；
对应所述气泵区的气泵循环模式：由气泵、第二单向阀、油分离器、冷凝器、流量装置、蒸发器以及气液分离器构成制冷工质回路。
上述的气泵复合型机房空调***的控制方法，其中，当冷源***运行于制冷循环模式时，所述流量装置为节流装置对制冷工质进行节流降压，根据室内负荷大小以及室外温度T确定所述压缩机的转速、流量装置的开度以及冷凝器的风机的转速实现冷量的精确调节。
上述的气泵复合型机房空调***的控制方法，其中，当冷源***运行于气泵循环模式时，所述流量装置处于全开，根据室内负荷大小以及室外温度T确定所述气泵的转速和冷凝器的风机的转速实现冷量的精确调节。
上述的气泵复合型机房空调***的控制方法，其中，所述冷源***切换运行模式时，采用温度差值法以及延时控制方法进行切换，即设定室外温度偏差ΔT0以及维持时间Δt；
当室外温度T0+ΔT0≥T≥T0-ΔT0，则所述冷源***维持当前运行模式；
当室外温度T＞T0+ΔT0，并且维持时间为Δt，则所述冷源***切换为制冷循环模式；
当室外温度T≤T0-ΔT0，并且维持时间为Δt，则所述冷源***切换为气泵循环模式；
温度偏差ΔT0以及维持时间Δt应根据具体情况设置。
本发明的气泵复合型机房空调***及其控制方式，能够根据室外温度，调节压缩机、气泵的运行状态，节流装置的开关状态以及冷凝器的运行状态，使冷源***分别切换为制冷循环模式或气泵循环模式，实现在低温季节利用室外自然冷源使用气泵循环模式替代压缩制冷循环模式，降低了现有复合型空调***的机组成本，简化了***结构，降低了维护难度；同时能有效利用昼夜、过渡季节和冬季的室外自然冷源，大幅度降低运行能耗，具有优异的节能减排效果。
附图说明
图1是本发明的气泵复合型机房空调***的一种结构原理图；
图2是本发明的气泵复合型机房空调***的另一种结构原理图；
图3是本发明的气泵复合型机房空调***的控制方法的原理图；
图4是本发明的气泵复合型机房空调***运行于制冷循环模式的原理图；
图5是本发明的气泵复合型机房空调***运行于制冷循环模式的压焓图；
图6是本发明的气泵复合型机房空调***运行于气泵循环模式的原理图；
图7是本发明的气泵复合型机房空调***运行于气泵循环模式的压焓图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明作进一步说明。
请参阅图1至图7，本发明的一种气泵复合型机房空调***，包括冷源***、主控单元和温控装置，其中：
冷源***包括压缩机1、气泵2、油分离器4、冷凝器5、流量装置、蒸发器7和气液分离器8，其中：
压缩机1由一个或多个并联的具有排气口与吸气口的压缩机构成，压缩机1可以根据具体工况选择内置或外置；每个压缩机1的排气口分别连接一个第一单向阀31的进口；
气泵2由一个或多个并联的具有排气口与吸气口的气泵构成，气泵2可以根据具体工况选择内置或外置；每个气泵2的排气口分别连接一个第二单向阀32的进口；
油分离器4的入口与第一单向阀31和第二单向阀32的出口相连通，油分离器4的回油口通过回油毛细管40与压缩机1的吸气口及气泵2的吸气口相连通；
冷凝器5的入口与油分离器4的出口相连通；冷凝器5为风冷冷凝器、水冷冷凝器或蒸发式冷凝器；
流量装置6的入口与冷凝器5的出口相连通，该流量装置6具有宽幅调节流量功能，并为单个电子膨胀阀，或为两个电子膨胀阀并联，或为电子膨胀阀与电磁阀并联，或为电动流量调节阀与电子膨胀阀并联；本实施例的流量装置6为单个电子膨胀阀(见图1)；
蒸发器7的入口与流量装置6的出口相连通；
气液分离器8的入口与蒸发器7的出口相连通；
主控单元分别信号连接冷源***和温度采集单元；
温度采集单元用于采集室外温度以及室内温度，使主控单元根据室内、外温度控制压缩机1、气泵2、冷凝器5的风机和流量装置6的运行状态。
在另一个实施例中，流量装置6为并联的电子膨胀阀62与电磁阀61(见图2)。
本发明的一种气泵复合型机房空调***，能够有效利用室外冷源，高效节能的，可靠性高。
本发明的基于上述气泵复合型机房空调***的控制方法，用于切换冷源***的运行模式、制冷量的精确调控及***回油，控制方法具体是：
将室外温度T划分为两个功能区：制冷区和气泵区；
制冷区为：室外温度T＞T0；
气泵区为：室外温度T≤T0；
其中，T0应根据具体工况设定；
针对室外温度T所处不同的功能区，相应切换冷源***运行于制冷循环模式或气泵循环模式。
制冷区对应的制冷循环模式：由压缩机1、第一单向阀31、油分离器4、冷凝器5、流量装置6、蒸发器7以及气液分离器8构成制冷工质回路，此时流量装置6为节流装置，对制冷工质进行节流降压，根据室内负荷大小以及室外温度T确定压缩机1的转速、流量装置6的开度以及冷凝器5的风机的转速实现冷量的精确调节；
气泵区对应的气泵循环模式：由气泵2、第二单向阀32、油分离器4、冷凝器5、流量装置6、蒸发器7以及气液分离器8构成制冷工质回路，此时流量装置6为全开状态，不进行节流降压，完全实现气相热管循环，根据室内负荷大小以及室外温度T确定气泵2的转速和冷凝器5的风机的转速实现冷量的精确调节(见图3)。
当室外温度满足T＞T0时，冷源***运行制冷循环模式，此时主控单元控制气泵2停止工作，由压缩机1、第一单向阀31、油分离器4、冷凝器5、节流装置6、蒸发器7、气液分离器8构成制冷工质回路，此时主控单元控制流量装置6为节流装置，即由电子膨胀阀62工作，电磁阀61关闭，根据室内负荷大小以及室外温度T确定压缩机1的转速、控制电子膨胀阀62的开度以及冷凝器5的风机的转速，实现冷量的精确调节。低温低压制冷工质蒸气经压缩机1压缩为高温高压蒸气，通过冷凝器5放热冷凝后冷却为液态的工质，进入节流装置6，通过电子膨胀阀62的节流降压，随后在蒸发器7中吸热蒸发，低温低压的制冷工质蒸气经过气液分离器8返回压缩机1的吸气口，完成制冷循环(见图4)；如图5所示，为制冷循环模式的压焓图，其中1—2为压缩过程，2—3为冷凝过程，3—4为节流过程，4—1为蒸发吸热过程。工质离开蒸发器7后，进入压缩机1，进行1-2压缩过程。制冷工质和润滑油组成的混合物进入油分离器4，其中大部分润滑油经过回油毛细管40返回压缩机1。由于第二单向阀32的作用，压缩机1排出蒸气不会倒流到气泵2内。
在室外温度较高时，压缩机1机械制冷，起到高效制冷效果。
当室外温度满足T≤T0时，为实现节能效果，冷源***运行气泵循环模式，此时主控单元控制压缩机1停止工作，由气泵2、第二单向阀32、油分离器4、冷凝器5、节流装置6、蒸发器7以及气液分离器8构成气制冷工质回路，利用制冷工质在蒸发器7直接蒸发实现制冷(见图6)；此时主控单元控制流量装置6处于全开状态，即由电磁阀61工作，电子膨胀阀62关闭，并根据室内负荷大小以及室外温度T确定气泵2的转速和冷凝器5的风机的转速，实现冷量的精确调节。如图7所示，为气泵循环模式的压焓图。
针对38℃恒温机房，设定T0为12℃，当T≤12℃时，冷源***运行于气泵循环模式，T＞12时，冷源***运行于制冷循环模式。
冷源***切换运行模式时，还可以采用温度差值法以及延时控制方法进行切换，即设定室外温度偏差ΔT0以及维持时间Δt；
当室外温度T0+ΔT0≥T≥T0-ΔT0，则冷源***维持当前运行模式；
当室外温度T≥T0+ΔT0，并且维持时间为Δt，则冷源***切换为制冷循环模式；
当室外温度T≤T0-ΔT0，并且维持时间为Δt，则冷源***切换为气泵循环模式；
温度偏差ΔT0以及维持时间Δt应根据具体情况设置。
针对38℃的恒温机房，若设定T0为12℃，ΔT0为2℃，Δt为5分钟，当室外温度T≤10℃时，且维持了5分钟后，冷源***运行于气泵循环模式；当室外温度T≥14℃时，且维持了5分钟后，冷源***运行于制冷循环模式。
以上实施例仅供说明本发明之用，而非对本发明的限制，有关技术领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以作出各种变换或变型，因此所有等同的技术方案也应该属于本发明的范畴，应由各权利要求所限定。

Claims (8)

1.一种气泵复合型机房空调***，包括冷源***、主控单元和温度采集单元，其特征在于，
冷源***包括压缩机、气泵、油分离器、冷凝器、流量装置、蒸发器以及气液分离器；其中，
所述压缩机由一个或多个并联的具有排气口与吸气口的压缩机构成，每个压缩机的排气口分别连接一个第一单向阀的进口；
所述气泵由一个或多个并联的具有排气口与吸气口的气泵构成，每个气泵的排气口分别连接一个第二单向阀的进口；
所述油分离器的入口与所述第一单向阀和第二单向阀的出口相连通，油分离器的回油口通过回油毛细管与压缩机的吸气口及气泵的吸气口相连通；
所述冷凝器的入口与所述油分离器的出口相连通；
所述流量装置的入口与所述冷凝器的出口相连通，该流量装置具有宽幅调节流量功能；
所述蒸发器的入口与所述流量装置的出口相连通；
所述气液分离器的入口与所述蒸发器的出口相连通。
所述主控单元与冷源***信号连接；
所述温度采集单元用于采集室外温度以及室内温度并与所述主控单元信号连接，使主控单元根据室内、外温度控制所述压缩机、气泵、冷凝器的风机和流量装置的运行状态。
2.根据权利要求1所述的气泵复合型机房空调***，其特征在于，所述冷源***还包括依次连接在所述冷凝器和流量装置之间的储液器、干燥过滤器和视液镜。
3.根据权利要求1或2所述的气泵复合型机房空调***，其特征在于，所述冷凝器为风冷冷凝器、水冷冷凝器或蒸发式冷凝器。
4.根据权利要求1所述的气泵复合型机房空调***，其特征在于，所述流量装置为单个电子膨胀阀，或为两个电子膨胀阀并联，或为电子膨胀阀与电磁阀并联，或为电动流量调节阀与电子膨胀阀并联。
5.一种基于权利要求1所述的气泵复合型机房空调***的控制方法，其特征在于，
将室外温度T划分为两个功能区：制冷区和气泵区；
所述制冷区为：室外温度T＞T0；所述气泵区为：室外温度T≤T0；
其中，T0应根据具体工况设定；
针对室外温度T所处不同的功能区，相应切换冷源***运行于制冷循环模式或气泵循环模式：
对应所述制冷区的制冷循环模式：由压缩机、第一单向阀、油分离器、冷凝器、流量装置、蒸发器以及气液分离器构成制冷工质回路；
对应所述气泵区的气泵循环模式：由气泵、第二单向阀、油分离器、冷凝器、流量装置、蒸发器以及气液分离器构成制冷工质回路。
6.根据权利要求5所述的气泵复合型机房空调***的控制方法，其特征在于，当冷源***运行于制冷循环模式时，所述流量装置为节流装置对制冷工质进行节流降压，根据室内负荷大小以及室外温度T确定所述压缩机的转速、流量装置的开度以及冷凝器的风机的转速实现冷量的精确调节。
7.根据权利要求5所述的气泵复合型机房空调***的控制方法，其特征在于，当冷源***运行于气泵循环模式时，所述流量装置处于全开，根据室内负荷大小以及室外温度T确定所述气泵的转速和冷凝器的风机的转速实现冷量的精确调节。
8.根据权利要求5所述的气泵复合型机房空调***的控制方法，其特征在于，所述冷源***切换运行模式时，采用温度差值法以及延时控制方法进行切换，即设定室外温度偏差ΔT0以及维持时间Δt；
当室外温度T0+ΔT0≥T≥T0-ΔT0，则所述冷源***维持当前运行模式；
当室外温度T＞T0+ΔT0，并且维持时间为Δt，则所述冷源***切换为制冷循环模式；
当室外温度T≤T0-ΔT0，并且维持时间为Δt，则所述冷源***切换为气泵循环模式；
温度偏差ΔT0以及维持时间Δt应根据具体情况设置。
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