CN102538100A - 机房用热管复合型空调机组及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种机房用热管复合型空调机组及其控制方法，其特征是空调机组中的冷源系统由热管模块和制冷模块复合构成；制冷模块是以压缩机组、冷凝器、节流机构、蒸发冷凝器的蒸发通道等构成第一工质循环回路；热管模块是以室内换热器、主电磁阀、风冷换热器、蒸发冷凝器的冷凝通道、储液器和液泵等构成第二工质主回路；在室内换热器的出口与蒸发冷凝器的冷凝通道的入口之间设置旁通支路，在旁通支路中设置旁通电磁阀。本发明将宽环温带分解为制冷区、复合区和热管区三个功能区，冷源系统针对不同的功能区相应切换运行制冷循环、复合循环和热管循环工作模式。本发明可最大化利用室外自然冷源，实现低成本运行和节能。

Description

机房用热管复合型空调机组及其控制方法

技术领域

本发明涉及空调技术领域，具体涉及一种能够最大化利用室内外侧温差低成本输送热量的热管复合型空调机组。

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，常规的空调系统仍需继续运行压缩式制冷系统，制冷系统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，将大大减小空调系统的能耗和运行成本。

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，如目前采用的新风系统，此外还有不同形式的气-气、气-水热交换系统，以及应用热管技术的复合型空调。

中国实用新型专利ZL200720019537.8中公开了一种机房辅助节能制冷装置，当室外空气温度较低时，空调停止工作，直接将室外低温空气送至室内用于电子柜等设备降温，利用自然冷源，减少空调能耗。这种装置由于不能确保室内空气品质，无法杜绝室外的灰尘、水分等进入室内，易对服务器等电子设备造成损害。

中国实用新型专利ZL201020114596.X中公开了一种用于通信基站的自然冷能热交换装置，包括空气换热器、室内风机、室外风机及其箱体。当室外温度较低时，将室外低温空气引入，与室内空气进行热交换，间接利用自然冷源降低基站内空气温度，减少基站能耗。此装置虽然能够保证室内空气的品质，但对于热负荷大和温度均匀度要求高的机房对象，需要庞大的换热面积以克服气-气热交换器传热效率低的弊端。

中国发明专利申请CN201010528027.X中公开了一种风冷式热管型机房空调系统，该系统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，系统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。此系统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系统的不足，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，系统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ZL01278831.7公开了一种带循环泵的节能型制冷循环装置，在热管循环系统中使用循环泵有利于提高热管循环的工作效率，也简化了热管系统安装时对冷凝器、储液器和蒸发器相对位置的要求，但ZL01278831.7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。

发明内容

为避免机房空调系统在低温季节仍需要机械制冷所产生的高能耗及可靠性问题等不足，在全年大部分季节最大化地利用室外低温空气的冷源，本发明提供一种机房用热管复合型空调机组及其控制方法。

本发明为解决技术问题采用如下技术方案：

本发明机房用热管复合型空调机组的结构特点是所述空调机组中的冷源系统由热管模块和制冷模块复合构成；

所述制冷模块是以依次连接的压缩机组、冷凝器、节流机构以及蒸发冷凝器的蒸发通道构成第一工质循环回路，所述压缩机组的高压排气口与冷凝器的入口相连接，所述压缩机组的低压吸气口与蒸发通道的出口相连接；所述压缩机组由多台制冷压缩机构成，通过控制制冷压缩机的运行台数以及控制制冷压缩机的运行频率，调节所述制冷模块的产冷量；

所述热管模块是以依次连接的室内换热器、主电磁阀、风冷换热器、蒸发冷凝器的冷凝通道、储液器和液泵构成第二工质主回路，所述室内换热器的出口与主电磁阀的入口连接，室内换热器的入口与液泵的出口连接；在所述室内换热器的出口与蒸发冷凝器的冷凝通道的入口之间设置旁通支路，在所述旁通支路中设置旁通电磁阀；

本发明机房用热管复合型空调机组的结构特点也在于：所述蒸发冷凝器为板式换热器或壳管式换热器。

本发明机房用热管复合型空调机组的控制方法的特点是：

将宽环温带分解为制冷区、复合区和热管区三个功能区，所述空调机组中冷源系统的控制方式是针对不同的功能区，相应切换冷源系统运行制冷循环、复合循环和热管循环工作模式，其中：

对应于制冷区的制冷循环工作模式是：制冷模块投入工作；热管模块中液泵运行、旁通电磁阀开启、主电磁阀关闭；

对应于复合区的复合循环工作模式是：制冷模块根据空调热负荷状况适量运行，热管模块中液泵运行、主电磁阀开启，旁通电磁阀关闭，控制风冷换热器的换热能力和液泵的流量使热管模块满负荷运行；

对应于热管区的热管循环工作模式是：制冷模块停止工作，热管模块中液泵运行、主电磁阀开启、旁通电磁阀关闭，控制风冷换热器的换热能力和液泵的流量使热管模块的产冷量与空调热负荷相匹配。

所述各功能区分别是：

所述制冷区为：室外空气温度＞T2；

所述复合区为：T1≤室外空气温度≤T2；

所述热管区为：T1＞室外空气温度；

其中：T2＞T1。

与已有技术相比，本发明有益效果体现在：

1、本发明采用第二工质为室内换热器循环供冷，利用相变换热方式传热效率高，换热器结构紧凑，避免了采用气-气或气-水换热器传热效率低，换热器面积庞大的问题，利于保证机房内空气质量，避免灰尘、水分等侵入。

2、本发明集成应用了压缩式制冷和热管制冷技术，根据室内外温差和室内热负荷状况进行工况切换和制冷量调节，增设复合循环工作模式，拓宽了热管循环的运行温区，解决了室内外温差较小时热管循环制冷量不足而必须运行压缩式制冷工作模式的问题，便于最大化利用室外自然冷源，实现空调机组的低成本运行和节能。

3、本发明利于进行小温差高效换热，减少系统不可逆传热损失，提高系统工作效率。

4、本发明采用液泵强制循环，避免了困扰热管系统的气、液堵塞等不稳定问题，消除了系统安装中诸如储液器、蒸发器、冷凝器等关键部件相对高度差的严格要求，有效提高了热管循环的换热能力和系统效率。

附图说明

图1为本发明的结构原理方框图；

图2空调机组功能区规划示意图；

图中标号：1室内换热器、2主电磁阀、3风冷换热器、4蒸发冷凝器、5储液器、6液泵、7旁通电磁阀、10热管模块、20制冷模块、21压缩机组、22冷凝器、23节流机构、41蒸发冷凝器蒸发通道、42蒸发冷凝器冷凝通道。

具体实施方式

参见图1，本实施例机房用热管复合型空调机组，其冷源系统由热管模块10和蒸汽压缩式制冷模块20复合构成。

压缩机组21的高压排气口依次连接冷凝器22、节流机构23、蒸发冷凝器4的蒸发通道41，返回压缩机组21的低压吸气口，构成蒸汽压缩式制冷循环回路，即制冷模块20。

制冷模块20中，使用多台制冷压缩机构成压缩机组21，通过控制压缩机的运行台数及压缩机的运行频率，调节第一制冷工质的流量及产冷量。

热管模块10的连接回路中依次是：室内换热器1、主电磁阀2、风冷换热器3、蒸发冷凝器4的冷凝通道42、储液器5、液泵6、室内换热器1。

蒸发冷凝器4为板式换热器或壳管式换热器。

制冷模块20和热管模块10分别采用第一工质和第二制冷工质，第二工质由液泵6驱动，为室内换热器1循环供冷。

本实施例中，在室内换热器1的出口与蒸发冷凝器4的冷凝通道42的入口之间设置旁通支路，在旁通支路中设置旁通电磁阀7，以旁通电磁阀7控制旁通支路的通或断。

参见图2，本实施例中，将宽环温带分解为制冷区、复合区和热管区各功能区，空调机组中冷源系统的控制方式是针对不同的功能区，相应切换冷源系统运行在制冷循环、复合循环和热管循环的不同工作模式下，其中：

对应于制冷区的制冷循环模式是：制冷模块20投入工作；热管模块10中液泵6运行、旁通电磁阀7开启、主电磁阀2关闭。

对应于复合区的复合循环模式是：制冷模块20根据空调热负荷状况适量运行，热管模块10中液泵6运行、主电磁阀2开启，旁通电磁阀7关闭，控制换热管3的换热能力和液泵6的流量使热管模块10工作在满负荷状态。

对应于热管区的热管循环模式是：制冷模块20停止工作，热管模块10中液泵6运行、主电磁阀2开启、旁通电磁阀7关闭，控制风冷换热器(3)的换热能力和液泵(6)的流量使热管模块(10)的产冷量与空调热负荷相匹配。

各功能区分别是：

制冷区为：室外空气温度＞T2；

复合区为：T1≤室外空气温度≤T2；

热管区为：T1＞室外空气温度；其中：T2＞T1。

以超级计算机的模块空调为实施例，超级计算机CPU机柜的进风温度为30℃、出风温度为40℃，各功能区的划分为：室外空气温度＞26℃为制冷区、室外空气温度为18℃～26℃时为复合区、室外空气温度≤18℃时为热管区，相应设置空调机组中冷源系统的控制方式为：

当室外空气温度＞26℃时，空调机组的冷源系统运行在制冷循环模式下，此时，液泵6运行、主电磁阀2闭合、旁通电磁阀7导通，制冷压缩机组21运行，制冷模块20工作。低温低压的第一工质蒸汽经压缩机组21压缩为高温高压蒸汽，依次通过冷凝器22放热冷凝和节流机构23的节流降压，在蒸发冷凝器4的蒸发通道41中吸热蒸发，返回压缩机组21的吸气口；第一工质通过蒸发冷凝器4与第二制冷工质进行热交换，为第二工质提供冷量；第二工质在室内换热器1中吸热蒸发，经旁通电磁阀7、蒸发冷凝器4冷凝通道42、储液器5，由液泵6驱动进入室内换热器1的入口端，进行循环供冷；

当室外空气温度为18℃～26℃时，空调机组中冷源系统运行在复合循环模式下，此时，主电磁阀2导通、旁通电磁阀7关断，热管模块10满负荷运行，制冷模块20适量运行以提供辅助冷量，第二工质的循环路线为：室内侧换热器1、主电磁阀2、风冷换热器3、蒸发冷凝器4的冷凝通道42、储液器5、液泵6、室内侧换热器1的入口端，第二工质通过风冷换热器3进行风冷换热后，进一步在蒸发冷凝器4中释放所余热量；

当室外空气温度≤18℃时，空调机组中冷源系统运行在热管循环模式下，此时，制冷模块20停止工作，热管模块10运行，第二工质由液泵6驱动强制循环，完全利用室内外侧的温差，通过风冷换热器3实现室内侧余热量的释放，第二工质的循环路线为：室内换热器1、主电磁阀2、风冷换热器3、蒸发冷凝器4的冷凝通道42、储液器5、液泵6、室内侧换热器1的入口端；

在热管循环模式中，通过控制风冷换热器3的换热能力和控制液泵6的流量来实现制冷量的调节，液泵6为屏蔽电泵；

对于实施例的具体应用，由于室外环境温度最高可能达到55℃，同时室内侧的蒸发温度较高，考虑到系统节能环保及可靠性、稳定性，第一工质和第二工质应选择循环压力较低的R134a、R152a、混合工质或天然工质。

对于不同使用要求的空调对象，宽环温区中的各功能区的规划可做相应调整。

本发明用于室内侧设定温度为27℃的机房、基站等空调对象，在室外空气温度≤15℃时运行热管循环工作模式，可以完全利用室外低温空气的冷量满足空调对象的制冷需求，实现空调系统的低碳运行和室内空气的高品质。

Claims (3)

1.机房用热管复合型空调机组，其特征是所述空调机组中的冷源系统由热管模块(10)和制冷模块(20)复合构成；

所述制冷模块(20)是以依次连接的压缩机组(21)、冷凝器(22)、节流机构(23)以及蒸发冷凝器(4)的蒸发通道(41)构成第一工质循环回路，所述压缩机组(21)的高压排气口与冷凝器(22)的入口相连接，所述压缩机组(21)的低压吸气口与蒸发通道(41)的出口相连接；所述压缩机组(21)由多台制冷压缩机构成，通过控制制冷压缩机的运行台数以及控制制冷压缩机的运行频率，调节所述制冷模块(20)的产冷量；

所述热管模块(10)是以依次连接的室内换热器(1)、主电磁阀(2)、风冷换热器(3)、蒸发冷凝器(4)的冷凝通道(42)、储液器(5)和液泵(6)构成第二工质主回路，所述室内换热器(1)的出口与主电磁阀(2)的入口连接，室内换热器(1)的入口与液泵(6)的出口连接；在所述室内换热器(1)的出口与蒸发冷凝器(4)的冷凝通道(42)的入口之间设置旁通支路，在所述旁通支路中设置旁通电磁阀(7)。

2.根据权利要求1所述的机房用热管复合型空调机组，其特征是所述蒸发冷凝器(4)为板式换热器或壳管式换热器。

3.一种权利要求1所述的机房用热管复合型空调机组的控制方法，其特征是：

将宽环温带分解为制冷区、复合区和热管区三个功能区，所述空调机组中冷源系统的控制方式是针对不同的功能区，相应切换冷源系统运行制冷循环、复合循环和热管循环工作模式，其中：

对应于制冷区的制冷循环工作模式是：制冷模块(20)投入工作；热管模块(10)中液泵(6)运行、旁通电磁阀(7)开启、主电磁阀(2)关闭；

对应于复合区的复合循环工作模式是：制冷模块(20)根据空调热负荷状况适量运行，热管模块(10)中液泵(6)运行、主电磁阀(2)开启，旁通电磁阀(7)关闭，控制风冷换热器(3)的换热能力和液泵(6)的流量使热管模块(10)满负荷运行；

对应于热管区的热管循环工作模式是：制冷模块(20)停止工作，热管模块(10)中液泵(6)运行、主电磁阀(2)开启、旁通电磁阀(7)关闭，控制风冷换热器(3)的换热能力和液泵(6)的流量使热管模块(10)的产冷量与空调热负荷相匹配；

所述各功能区分别是：

所述制冷区为：室外空气温度＞T2；

所述复合区为：T1≤室外空气温度≤T2；

所述热管区为：T1＞室外空气温度；

其中：T2＞T1。

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