CN102538101B - 机房用热管复合型空调机组及其工作方式 - 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工作方式，其特征是空调机组中冷源系统是由多通道室外换热器、多台压缩机构成的压缩机组以及室内换热器等构成的热管与压缩制冷循环复合系统。本发明通过控制电磁阀执行循环路径的切换，分别运行制冷循环、热管与辅助制冷复合循环，以及热管循环三种不同的工作模式，在全年大部分季节最大化地利用室外低温空气的冷源。本发明适用于机房、基站等全天候空调的制冷需求，且热管运行温区宽、结构紧凑、可靠性高、节能环保。

Description

机房用热管复合型空调机组及其工作方式

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温差低成本输送热量的热管复合型空调机组及其工作方式。

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，本发明提供机房用热管复合型空调机组及其工作方式。

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特点是所述空调机组中冷源系统为：

设置多通道室外换热器，具有并联设置的主通道和辅通道；所述主通道的出口端直接与储液器的入口端相连接，所述辅通道的出口端一路通过支路电磁阀与储液器的入口端相连接，另一路依次连接的是辅循环电磁阀、辅循环膨胀阀和置于储液器中的冷却盘管，所述冷却盘管的出口端接入气液分离器；

设置由多台压缩机构成的压缩机组，所述气液分离器的出口与压缩机组的低压吸气口相连接，所述压缩机组中部分压缩机的高压排气口与室外换热器中主通道的入口端相连接，另一部分压缩机的高压排气口与室外换热器中的支通道的入口端相连接；

设置室内换热器，储液器的出口端一路依次通过第一电磁阀和第一膨胀阀接至室内换热器的入口，另一路依次通过第二电磁阀和液泵接至室内换热器的入口；所述室内换热器的出口端一路通过第三电磁阀接入气液分离器，另一路通过第四电磁阀接至室外换热器中主通道的入口端。

本发明房用热管复合型空调机组的工作方式的特点是根据不同工况切换为如下不同的工作模式：

模式一：压缩机组运行、液泵停机，第三电磁阀、支路电磁阀和第一电磁阀开启，第二电磁阀、辅循环电磁阀和第四电磁阀关断，构成制冷循环工作模式；

模式二、压缩机组中部分压缩机停机，另一部分压缩机运行，液泵运行，第二电磁阀、辅循环电磁阀和第四电磁阀开启，第三电磁阀、支路电磁阀和第一电磁阀均关断，构成热管与辅助制冷复合循环工作模式；

模式三：压缩机组停机、液泵运行，第二电磁阀和第四电磁阀开启，第三电磁阀、支路电磁阀、辅循环电磁阀和第一电磁阀均关断，构成热管循环工作模式。

与已有技术相比，本发明有益效果体现在：

本发明中空调机组的冷源系统由热管与压缩制冷循环系统复合构成，可适应室内外温差及空调热负荷变化，通过控制电磁阀执行循环路径的切换，运行制冷循环、热管与辅助制冷复合循环和热管循环三种不同的工作模式，在全年大部分季节最大化地利用室外低温空气的冷源，本发明适用于机房、基站等全天候空调的制冷需求，且热管运行温区宽、结构紧凑、可靠性高、节能环保。

附图说明

图1为本发明原理与系统构成方框图；

图2为本发明空调机组功能区规划示意图；

图3为本发明制冷循环工作模式流程图；

图4为本发明热管与辅助制冷复合循环工作模式流程图；

图5为本发明热管循环工作模式流程图；

图中标号：1室内换热器、2第三电磁阀、3气液分离器、4部分压缩机、5另一部分压缩机、6压缩机组、7室外换热器、8支路电磁阀、9储液器、10冷却盘管、11第一电磁阀、12第一膨胀阀、13第二电磁阀、14液泵、15辅循环电磁阀、16辅循环膨胀阀、17第四电磁阀、71支通道、72主通道。

具体实施方式

本实施例机房用热管复合型空调机组的冷源系统由热管制冷和压缩制冷循环系统复合构成，如图1所示：

设置多通道室外换热器7，具有并联设置的主通道72和辅通道71；主通道72的出口端直接与储液器9的入口端相连接，所述辅通道71的出口端一路通过支路电磁阀8与储液器9的入口端相连接，另一路依次连接的是辅循环电磁阀15、辅循环膨胀阀16和置于储液器9中的冷却盘管10，所述冷却盘管10的出口端接入气液分离器3；

设置由多台压缩机构成的压缩机组6，气液分离器3的出口与压缩机组6的低压吸气口相连接，所述压缩机组6中部分压缩机4的高压排气口与室外换热器7中主通道72的入口端相连接，另一部分压缩机5的高压排气口与室外换热器7中的支通道71的入口端相连接；

设置室内换热器1，储液器9的出口端一路依次通过第一电磁阀11和第一膨胀阀12接至室内换热器1的入口，另一路依次通过第二电磁阀13和液泵14接至室内换热器1的入口；所述室内换热器1的出口端一路通过第三电磁阀2接入气液分离器3，另一路通过第四电磁阀17接至室外换热器7中主通道72的入口端。

参见图2，针对本实施例中的热管复合型空调机组，将宽环温带分解为制冷区、复合区和热管区三种不同的功能区，分别对应着制冷循环、热管和辅助制冷复合循环以及热管循环的不同工作模式，根据室内外温差及空调热负荷变化，通过控制各电磁阀执行不同工作模式间的切换，图2所示的三种不同的功能区分别是：

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。

图3所示为对应于制冷区的工作模式一：压缩机组6运行、液泵14停机，第三电磁阀2、支路电磁阀8和第一电磁阀11开启，第二电磁阀13、辅循环电磁阀15和第四电磁阀17关断，构成制冷循环工作模式。

图4所示为对应于复合区的工作模式二、压缩机组6中部分压缩机4停机，另一部分压缩机5运行，液泵14运行，第二电磁阀13、辅循环电磁阀15和第四电磁阀17开启，第三电磁阀2、支路电磁阀8和第一电磁阀11均关断，构成热管与辅助制冷复合循环工作模式。

图5所示为对应于热管区的工作模式三：压缩机组6停机、液泵14运行，第二电磁阀13和第四电磁阀17开启，第三电磁阀2、支路电磁阀8、辅循环电磁阀15和第一电磁阀11均关断，构成热管循环工作模式，其制冷量调节可通过控制室外换热器7的换热能力和控制液泵14的流量来实现。

具体实施中，液泵14为屏蔽电泵，采用HFC制冷工质或天然环保制冷工质，控制压缩机的运行台数及控制压缩机的工作频率，可以调节制冷剂的流量及产冷量，并通过压缩机的轮换运行，平均分配各台压缩机的工时。

本实施例应用于超级计算机的模块空调，超级计算机CPU机柜的进风温度为30℃，出风温度为40℃，设置T2＝26℃，T1＝18℃，控制方式：

当室外空气温度＞26℃时，运行制冷循环工作模式，第三电磁阀2、支路电磁阀8和第一电磁阀11开启，第二电磁阀13、第四电磁阀17和辅循环电磁阀15关断，循环回路如图3所示，压缩机组6运行，低温低压制冷工质蒸气经压缩机组6压缩为高温高压蒸气，通过室外换热器7放热冷凝后进入储液器9，再通过第一电磁阀11在第一膨胀阀12中节流降压，随后在室内换热器1中吸热蒸发，低温低压的制冷工质蒸气经过气液分离器3返回压缩机组6的低压吸气口，完成制冷循环。控制压缩机组中压缩机运行的台数以及控制压缩机的工作频率，可以调节产冷量，并通过压缩机的轮换运行平均分配各台压缩机的工时。

当室外空气温度为18℃～26℃时，以热管和辅助制冷复合循环的模式进行工作，如图4所示，第二电磁阀13、辅循环电磁阀15和第四电磁阀17均开启，第三电磁阀2、支路电磁阀8、以及第一电磁阀11均为关断；热管循环满负荷运行，辅助制冷循环适量运行，以提供因室内外温差较小热管循环产冷量的不足部分；辅助制冷循环的工作过程是：另一部压缩机5运行，低温低压制冷工质蒸气经另一部分压缩机5压缩为高温高压蒸气，通过室外换热器7的支通道71放热冷凝，再流过辅循环电磁阀15，经辅循环膨胀阀16节流降压，在冷却盘管10中吸收储液器9内制冷工质的热量后蒸发，低温低压的制冷工质蒸气经过气液分离器3返回在另一部分压缩机5的吸气口，完成辅助制冷循环。

当室外空气温度≤18℃时，第二电磁阀13和第四电磁阀17导通，第三电磁阀2、支路电磁阀8、第一电磁阀11和辅循环电磁阀15均为关断，压缩机组6停止工作，液泵14运行，循环回路如图5所示：制冷工质经室内换热器1、第四电磁阀17、室外换热器7的主通道72、储液器9、第二电磁阀13、液泵14，返回室内换热器1；热管循环工作模式的制冷量调节通过控制室外换热器7的换热能力和控制液泵14的流量来实现。

由于室外环境温度可能达到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、稳定性的需要，选择循环压力较低的R134a、R152a或其它混合工质、天然工质作为制冷工质。

对于不同要求的空调对象，各功能区的划分可做相应调整。

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 (2)

1.机房用热管复合型空调机组，其特征是所述空调机组中冷源系统设置为：

设置多通道室外换热器(7)，具有并联设置的主通道(72)和辅通道(71)；所述主通道(72)的出口端直接与储液器(9)的入口端相连接，所述辅通道(71)的出口端一路通过支路电磁阀(8)与储液器(9)的入口端相连接，另一路依次连接的是辅循环电磁阀(15)、辅循环膨胀阀(16)和置于储液器(9)中的冷却盘管(10)，所述冷却盘管(10)的出口端接入气液分离器(3)；

设置由多台压缩机构成的压缩机组(6)，所述气液分离器(3)的出口与压缩机组(6)的低压吸气口相连接，所述压缩机组(6)中部分压缩机(4)的高压排气口与室外换热器(7)中主通道(72)的入口端相连接，另一部分压缩机(5)的高压排气口与室外换热器(7)中的支通道(71)的入口端相连接；

设置室内换热器(1)，储液器(9)的出口端一路依次通过第一电磁阀(11)和第一膨胀阀(12)接至室内换热器(1)的入口，另一路依次通过第二电磁阀(13)和液泵(14)接至室内换热器(1)的入口；所述室内换热器(1)的出口端一路通过第三电磁阀(2)接入气液分离器(3)，另一路通过第四电磁阀(17)接至室外换热器(7)中主通道(72)的入口端。

2.一种权利要求1所述的机房用热管复合型空调机组的工作方式，其特征是根据不同工况切换为如下不同的工作模式：

模式一：压缩机组(6)运行、液泵(14)停机，第三电磁阀(2)、支路电磁阀(8)和第一电磁阀(11)开启，第二电磁阀(13)、辅循环电磁阀(15)和第四电磁阀(17)关断，构成制冷循环工作模式；

模式二、压缩机组(6)中部分压缩机(4)停机，另一部分压缩机(5)运行，液泵运行，第二电磁阀(13)、辅循环电磁阀(15)和第四电磁阀(17)开启，第三电磁阀(2)、支路电磁阀(8)和第一电磁阀(11)均关断，构成热管与辅助制冷复合循环工作模式；

模式三：压缩机组(6)停机、液泵(14)运行，第二电磁阀(13)和第四电磁阀(17)开启，第三电磁阀(2)、支路电磁阀(8)、辅循环电磁阀(15)和第一电磁阀(11)均关断，构成热管循环工作模式。

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