CN103912939A - 一种空调系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及空调系统技术领域，更具体地说，涉及一种液冷式热管型的机房用空调系统。用于在不增加换热器成本的同时提高空调系统的能效比。为了达到上述目的，包括压缩机系统和末端系统，以及第一水路控制装置，所述压缩机系统包括：压缩机、第一水冷换热器、蒸发器和节流元件；所述末端系统包括：储液罐、液泵、第二水冷换热器和风冷换热器。

Description

一种空调系统

技术领域

本发明涉及空调系统技术领域，更具体地说，涉及一种液冷式热管型的机房用空调系统。

背景技术

随着我国近年来信息产业与网络应用的快速发展，机房与基站建设速度大大加快，其数量迅速增加，越来越成为能耗大户。据统计，机房与基站的能耗占整个网络能耗的90％，而空调制冷能耗又占机房与基站能耗的30％~40％，所以如何降低空调制冷能耗已经越来越为人们所重视。

中国专利CN101979928A中公开了一种水冷式热管型机房空调系统，其包括压缩机系统、末端系统及冷却水供水系统，压缩机系统与冷却水供水系统可以分别对末端的制冷剂进行冷凝以达到制冷效果，其中压缩机系统包括：压缩机、水冷冷凝器、蒸发器、及节流元件，末端系统包括冷凝器、风冷换热器、气泡泵及储液罐，压缩机系统的蒸发器与末端系统的冷凝器集成为蒸发冷却冷凝器，冷却水供水系统包括冷却塔与供水泵。其中在压缩机系统中设置了从冷却塔的出水口到水冷冷凝器到冷却塔的回水口的第一冷却水循环回路，同时在末端系统中也设置了从冷却塔的出水口到蒸发冷却冷凝器到冷却塔的回水口的第二冷却水循环回路，并且第一冷却水循环回路与第二冷却水循环回路并联分布。

在进行工作时，当冷却水的温度高于设定值时，冷却塔内的冷却水流经压缩系统中的第一冷却水循环回路用以冷凝压缩机系统的高压高温的制冷剂；当冷却水的温度低于设定值时，冷却塔内的冷却水流经末端系统中的第二冷却水循环回路用以冷凝末端蒸发的制冷剂。

然而上述水冷式热管型机房空调系统存在两个问题，一是当冷却水温度稍高于设定温度时，只利用冷却水不能完全冷凝末端蒸发的制冷剂只能依靠压缩机系统对末端制冷剂进行冷凝，这样使得空调系统的能效比有所降低；二是如果要提高设定温度使得在冷却水温度较高时仍不采用压缩机系统而采只用冷却水完全冷凝末端系统的制冷剂需要配置非常大的蒸发冷却冷凝器，这样使得空调系统的成本大大增加。

综上所述，如何做到既可以降低空调系统的能效比又不增加空调设备成本，是目前本领域技术人员急需解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种空调系统，用于在不增加换热器成本的同时提高空调系统的能效比。

为了达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种空调系统，包括压缩机系统和末端系统，以及第一水路控制装置，所述压缩机系统包括：压缩机、第一水冷换热器、蒸发器和节流元件；所述末端系统包括：储液罐、液泵、第二水冷换热器和风冷换热器；其中：

所述压缩机的高压排气口、第一水冷换热器的制冷剂侧、节流元件、蒸发器的蒸发侧和压缩机的低压吸气口依次连通；

所述储液罐的出口、液泵、风冷换热器的制冷剂侧、第二水冷换热器制冷剂侧、蒸发器的冷凝侧和储液罐的进口依次连通；

所述第一水冷换热器水侧的第一进水端和第二水冷换热器水侧的第二进水端分别通过所述第一水路控制装置连接冷却介质供给装置的出水口，所述第一水冷换热器水侧的第一出水端和第二水冷换热器水侧的第二出水端分别连接冷却介质供给装置的回水口；

所述第一水路控制装置：当冷却介质的温度大于等于第一设定温度时控制冷却介质流经第一水冷换热器的水侧；当冷却介质的温度小于第二设定温度时控制冷却介质流经第二水冷换热器的水侧；当冷却介质的温度小于第一设定温度且大于等于第二设定温度时，控制冷却介质既流经第一水冷换热器水侧又流经第二水冷换热器的水侧。

进一步所述的空调系统还包括：第二水路控制装置，所述第一出水端和第二出水端通过所述第一水路控制装置和第二水路控制装置连接冷却介质供给装置的回水口，当冷却介质的温度小于第一设定温度且大于等于第二设定温度时：

所述第一水路控制装置和第二水路控制装置：控制冷却介质供给装置出水口流出的冷却介质全部进入第二水冷换热器水侧后，再经第一水冷换热器水侧后流回冷却介质供给装置回水口；或者控制冷却介质供给装置出水口流出的冷却介质部分进入第二水冷换热器水侧，第二水冷换热器水侧流出的冷却介质全部或部分和供给装置出水口流出的另一部分冷却介质混合后再经第一水冷换热器水侧流回冷却介质供给装置回水口；或者控制冷却介质供给装置出水口流出的冷却介质一部分进入第二水冷换热器水侧后直接回到冷却介质供给装置，另一部分进入第一水冷换热器换水侧后直接回到冷却介质供给装置。

较佳的，所述的空调系统中：

所述第一水路控制装置为一个三通阀，三端分别连通冷却介质供给装置出水口、第一进水端和第二进水端；或者

所述第一水路控制装置包括两个二通阀，其中一个连通在冷却介质供给装置的出水口和第一进水端之间，另一个连通在冷却介质供给装置的出水口和第二进水端之间。

所述第二水路控制装置为一个三通阀，三端分别连通冷却介质供给装置回水口、第一进水端和第二出水端；或者

所述第二水路控制装置包括两个二通阀，其中一个连通在冷却介质供给装置回水口和第二出水端之间，另一个连通第一进水端和第二出水端之间。

进而，所述第二水冷换热器和蒸发器集成为蒸发冷凝换热器。

上述空调系统中，还包括：检测冷却介质温度的检测单元；以及和连接所述检测单元，并根据冷却介质温度控制各个三通阀或者二通阀开关及开量的控制单元。

较佳的，上述空调系统还可以包括两端分别与所述储液罐的进口和出口连通的旁通管。

利用本发明实施例提供的上述空调系统，既可以全部利用压缩机系统对末端系统蒸发的制冷剂进行冷凝，又可以全部利用冷却介质对末端系统蒸发的制冷剂进行冷凝，还可以先利用冷却介质先对末端系统蒸发的制冷剂进行部分冷凝，再利用压缩机系统补充剩余的冷凝。这样空调系统即使不增大换热器面积也仍能够保证制冷效果及提高能效比。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明第一种实施例提供的空调系统的结构示意图；

图2为本发明第二种实施例提供的空调系统的结构示意图；

图3为本发明第三种实施例提供的空调系统的结构示意图；

图4为本发明第四种实施例提供的空调系统的结构示意图；

图5为本发明第五种实施例提供的空调系统的结构示意图；

图6为本发明第六种实施例提供的空调系统的结构示意图；

图7为本发明第七种实施例提供的空调系统的结构示意图；

图8为本发明第八种实施例提供空调系统的结构示意图。

其中，图1-图8中：

1-第一水冷换热器        2-冷却介质供给装置    31-第一水路控制装置

32-第二水路控制装置     4-第二水冷换热器      5-压缩机

6-蒸发器                7-节流元件            8-储液罐

9-液泵                  10-风冷换热器         11-二通阀

12-旁通管               13-恒流阀             14-蒸发冷凝换热器

具体实施方式

本发明的目的在于提供一种液冷式热管型机房空调系统，该液冷式热管型机房空调系统的水路管路设计可以在不增加换热器成本的同时提高空调系统的能效比。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明实施例提供的一种空调系统，包括压缩机系统和末端系统，以及第一水路控制装置31，压缩机系统包括：压缩机5、第一水冷换热器1、蒸发器6和节流元件7；末端系统包括：储液罐8、液泵9、第二水冷换热器4和风冷换热器10；其中：

压缩机5的高压排气口、第一水冷换热器1的制冷剂侧、节流元件7、蒸发器6的蒸发侧和压缩机5的低压吸气口依次连通；

储液罐8的出口、液泵9、风冷换热器10的制冷剂侧、第二水冷换热器的制冷剂侧、蒸发器6的冷凝侧和储液罐8的进口依次连通；

第一水冷换热器1水侧的第一进水端和第二水冷换热器4水侧的第二进水端分别通过第一水路控制装置31连接冷却介质供给装置2的出水口，第一水冷换热器1水侧的第一出水端和第二水冷换热器水侧的第二出水端分别连接冷却介质供给装置2的回水口；

第一水路控制装置31：当冷却介质的温度大于等于第一设定温度时控制冷却介质流经第一水冷换热器1水侧；当冷却介质的温度小于第二设定温度时控制冷却介质流经第二水冷换热器4的水侧；当冷却介质的温度小于第一设定温度且大于等于第二设定温度时，控制冷却介质既流经第一水冷换热器1水侧又流经第二水冷换热器4的水侧。

在上述空调系统中，利用第一水路控制装置31的控制作用，当冷却介质的温度大于等于第一设定温度时控制冷却介质流经第一水冷换热器1水侧；当冷却介质的温度小于第二设定温度时控制冷却介质流经第二水冷换热器4的水侧；当冷却介质的温度小于第一设定温度且大于等于第二设定温度时，控制冷却介质既流经第一水冷换热器1水侧又流经第二水冷换热器4的水侧。这样当冷却介质在第一设定温度和第二设定温度之间时，先利用自然冷源中的冷却介质对末端蒸发的制冷剂进行部分冷凝，再利用压缩机系统补充剩余的冷凝，即保证了制冷效果，又提高了整个空调系统的能效比。第一设定温度和第二设定温度根据不同的地理区域有所不同，技术人员可以根据空调系统的具体应用环境设定。

本发明实施例提供的空调系统为液冷式热管型空调系统，可以很好的用于机房制冷，该空调系统由压缩机系统与末端系统两部分组成，两个系统中均采用制冷剂作为冷媒，两个系统可以采用相同的制冷剂也可以采用不同的制冷剂。

如图2所示，在图1的基础上，本发明提供的空调系统进一步还包括：第二水路控制装置32，其中：第一出水端和第二出水端通过第一水路控制装置31和第二水路控制装置32连接冷却介质供给装置2的回水口，当冷却介质的温度小于第一设定温度且大于等于第二设定温度时：

第一水路控制装置31和第二水路控制装置32：控制冷却介质供给装置2出水口流出的冷却介质全部进入第二水冷换热器4水侧后，再经第一水冷换热器1水侧后流回冷却介质供给装置2回水口；或者控制冷却介质供给装置2出水口流出的冷却介质部分进入第二水冷换热器4水侧，第二水冷换热器4水侧流出的冷却介质全部或部分和冷却介质供给装置2出水口流出的另一部分冷却介质混合后再经第一水冷换热器1水侧流回冷却介质供给装置2回水口；或者控制冷却介质供给装置出水口流出的冷却介质一部分进入第二水冷换热器水侧后直接回到冷却介质供给装置2，另一部分进入第一水冷换热器换水侧后直接回到冷却介质供给装置2。

利用本发明实施例提供的上述机房空调，既可以全部利用压缩机系统对末端系统蒸发的制冷剂进行冷凝，又可以全部利用冷却介质对末端系统蒸发的制冷剂进行冷凝，还可以先利用冷却介质先对末端系统蒸发的制冷剂进行部分冷凝，再利用压缩机系统补充剩余的冷凝。这样空调系统即使不增大换热器面积也仍能够保证制冷效果及提高能效比。

下面以冷却介质为水时的具体示例进行能效比说明，表1为不同冷却水温度下的具体能效比数据。不考虑末端系统的风机与液泵的功率，只对压缩机系统蒸发器及末端水冷换热器对末端的制冷剂进行冷凝的能效比进行对比。假定压缩机系统的能效比始终为3，液泵的功率为1.32kW（按20m扬程算），末端系统需要的冷凝换热量为100kW，本发明实施例提供的空调系统中即使在冷却水温为26℃时能效比仍能达到3.6，而专利CN101979928A在冷却水温大于等于22℃以后不能采用冷却水即在22~26℃范围内能效比为3，而本发明实施例在冷却水温22~26℃范围内仍可以采用冷却水，相较之下有具有较高的能效比。

表1过渡冷却水温整机能效比

进水温度℃	22	23	24	25	26
						出水温度℃	27	27	27	27	27
水流量kg/s	4.785	4.785	4.785	4.785	4.785
						末端水冷换热器换热量kW	100	80	60	40	20
压缩机系统提供的制冷量kW	0	20	40	60	80
						压缩机系统功率kW	0.0	6.7	13.3	20.0	26.7
水泵功率kW	1.32	1.32	1.32	1.32	1.32
						整机能效比	75.4	12.5	6.8	4.7	3.6

本发明实施例提供的空调系统可以有效降低末端水冷换热器的成本，具体的参见表2所示的水冷换热器成本比较：如果末端水冷换热器设计较小，那么要在较低的冷却水温时才能不依赖压缩机系统，这样可利用的自然冷源范围就非常小，节能效果降低；如果要在较高的冷却水温时仍不依赖压缩机系统，则需要设计比较大的末端水冷换热器，提高换热器成本，初期投入变高。而本发明提供的空调系统在设定的第一温度和第二温度之间时，可以同时开启压缩机系统与冷却水对末端蒸发的制冷剂进行冷凝，末端水冷换热器的大小可以相对设计得比较小。同样利用实例来进行成本比较，为了提高利用自然冷源的冷却水温度，可以通过加大水冷换热器面积从而减小换热水侧与制冷剂的换热温差来实现。按专利CN101979928A发明的空调系统，如果要将可以利用自然冷源的冷却水温提高1℃，水冷换热器物料成本需增加57.1%，如果将可以利用自然冷源的冷却水温提高2℃，水冷换热器的物料成本需增加185.7%。本发明不加大水冷换热器面积，利用压缩机系统补充不够的冷凝，降低了换热器的成本。

表2

进水温度℃	22	23	24
				出水温度℃	27	28	29
板换片数	70	110	200
				换热面积m2	8.98	14.3	26.1
成本增加（相对于22℃进水温度）		57.1%	185.7%

本发明实施例提供的空调系统还可以提高压缩机运行的可靠性：在冷却介质温较低时，冷却介质先与末端系统的制冷剂换热升温后再流经压缩机水冷冷凝器，可以提高压缩机的压比，提高压缩机的能效比与可靠性。

第一水路控制装置31和第二水路控制装置32可以利用三通阀或者二通阀实现，例如：

参见图2所示，第一水路控制装置31可以为一个三通阀，三端分别连通冷却介质供给装置2出水口、第一进水端和第二进水端。

仍参见图2所示，第二水路控制装置32也可以为一个三通阀，三端分别连通冷却介质供给装置2回水口、第一进水端和第二出水端。

参见图3所示，第一水路控制装置31可以包括两个二通阀11，其中一个连通在冷却介质供给装置2出水口和第一进水端之间，另一个连通冷却介质供给装置2出水口和第二进水端之间。

仍参见图3所示，第二水路控制装置32也可以包括两个二通阀11，其中一个连通在冷却介质供给装置2回水口和第二出水端之间，另一个连通第一进水端和第二出水端之间。

在具体示例中，第一水路控制装置31为三通阀，第二水路控制装置32为两个二通阀11。或者第一水路控制装置31为两个二通阀11，第二水路控制装置32为一个三通阀。或者第一水路控制装置31为两个二通阀，第二水路控制装置32为两个二通阀。

为了进一步优化上述技术方案，如图4所示，上述图1~图3给出的任何一种实施例中，还可以设置两端分别与储液罐8的进口和出口连通的旁通管12，该旁通管12可以提高液泵9进口的过冷度，从而进一步提高液泵9运行的稳定性。

如图5所示，优选地，上述图1~图4给出的任何一种实施例中，可以设置多个风冷换热器10且多个风冷换热器10并联设置，和/或每个风冷换热器10均串联有恒流阀13。如此设置，可以根据风冷换热器的大小选择不同流量的恒流阀13从而提供不同的制冷剂流量。当然，恒流阀13可以使用电子膨胀阀替代，控制上可以根据末端制冷负荷智能调节电子膨胀阀的开量以调整供给风冷换热器的制冷剂流量，在此不做限定。

如图6所示，上述图1~图5给出的任何一种实施例中，第一水冷换热器1和蒸发器6可以集成为蒸发冷凝换热器14。

如图7所示，上述图1~图6给出的任何一种实施例中，还可以设置多个压缩机5且多个压缩机5并联设置，如此设置，可以根据制冷负荷调节压缩机5的整体输出，以避免压缩机5的输出浪费，保证在各种工况下均可达到比较高的能效比。

如图8所示，上述图1~图7给出的任何一种实施例中，同样的还可以设置多个液泵9且多个液泵9并联设置，可以根据制冷负荷选择开启的液泵9的数量，多个液泵9并联使用不仅可以增加末端系统的可靠性也可以提高末端系统的能效比。

优选地，节流元件7可以为电子膨胀阀也可以为热力膨胀阀。另外，第一水冷换热器1、第二水冷换热器4和蒸发器6可以均为水冷换热器，当然也可以为乙二醇冷换热器。冷却介质供给装置2可以为水塔，冷却介质可以是水也可以是乙二醇溶液。

本领域技术人员可以，对于第一水路控制装置和第二水路控制装置可以手动控制也可以自动控制，如果要实现自动控制，则上述任何一种空调系统还可以包括检测冷却介质温度的检测单元；以及和连接检测单元，并根据冷却介质温度控制各个三通阀或者二通阀开关及开量的控制单元。具体控制方法为本领域技术人员所熟知，这里不再赘述。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (12)

1.一种空调系统，其特征在于，包括压缩机系统和末端系统，以及第一水路控制装置，所述压缩机系统包括：压缩机、第一水冷换热器、蒸发器和节流元件；所述末端系统包括：储液罐、液泵、第二水冷换热器和风冷换热器；其中：

所述压缩机的高压排气口、第一水冷换热器的制冷剂侧、节流元件、蒸发器的蒸发侧和压缩机的低压吸气口依次连通；

所述储液罐的出口、液泵、风冷换热器的制冷剂侧、第二水冷换热器制冷剂侧、蒸发器的冷凝侧和储液罐的进口依次连通；

所述第一水冷换热器水侧的第一进水端和第二水冷换热器水侧的第二进水端分别通过所述第一水路控制装置连接冷却介质供给装置的出水口，所述第一水冷换热器水侧的第一出水端和第二水冷换热器水侧的第二出水端分别连接冷却介质供给装置的回水口；

所述第一水路控制装置：当冷却介质的温度大于等于第一设定温度时控制冷却介质流经第一水冷换热器的水侧；当冷却介质的温度小于第二设定温度时控制冷却介质流经第二水冷换热器的水侧；当冷却介质的温度小于第一设定温度且大于等于第二设定温度时，控制冷却介质既流经第一水冷换热器水侧又流经第二水冷换热器的水侧。

2.根据权利要求1所述的空调系统，其特征在于，还包括：第二水路控制装置，所述第一出水端和第二出水端通过所述第一水路控制装置和第二水路控制装置连接冷却介质供给装置的回水口，当冷却介质的温度小于第一设定温度且大于等于第二设定温度时：

所述第一水路控制装置和第二水路控制装置：控制冷却介质供给装置出水口流出的冷却介质全部进入第二水冷换热器水侧后，再经第一水冷换热器水侧后流回冷却介质供给装置回水口；或者控制冷却介质供给装置出水口流出的冷却介质部分进入第二水冷换热器水侧，第二水冷换热器水侧流出的冷却介质全部或部分和冷却介质供给装置出水口流出的另一部分冷却介质混合后再经第一水冷换热器水侧流回冷却介质供给装置回水口；或者控制冷却介质供给装置出水口流出的冷却介质一部分进入第二水冷换热器水侧后直接回到冷却介质供给装置，另一部分进入第一水冷换热器换水侧后直接回到冷却介质供给装置。

3.根据权利要求1或2所述的空调系统，其特征在于：

所述第一水路控制装置为一个三通阀，三端分别连通冷却介质供给装置出水口、第一进水端和第二进水端；或者

所述第一水路控制装置包括两个二通阀，其中一个连通在冷却介质供给装置的出水口和第一进水端之间，另一个连通在冷却介质供给装置的出水口和第二进水端之间。

4.根据权利要求3所述的空调系统，其特征在于：

所述第二水路控制装置为一个三通阀，三端分别连通冷却介质供给装置回水口、第一进水端和第二出水端；或者

所述第二水路控制装置包括两个二通阀，其中一个连通在冷却介质供给装置回水口和第二出水端之间，另一个连通第一进水端和第二出水端之间。

5.根据权利要求4所述的空调系统，其特征在于，所述第二水冷换热器和蒸发器集成为蒸发冷凝换热器。

6.根据权利要求5所述的空调系统，其特征在于，还包括：检测冷却介质温度的检测单元；以及和连接所述检测单元，并根据冷却介质温度控制各个三通阀或者二通阀开关及开量的控制单元。

7.根据权利要求4所述的空调系统，其特征在于，还包括：两端分别与所述储液罐的进口和出口连通的旁通管。

8.根据权利要求1或2所述的空调系统，其特征在于，所述风冷换热器的数量为多个且并联设置，和/或每个所述风冷换热器均串联有恒流阀。

9.根据权利要求8所述的空调系统，其特征在于，所述压缩机的数量为多个且并联设置。

10.根据权利要求8所述的空调系统，其特征在于，所述液泵的数量为多个且并联设置。

11.根据权利要求1或2所述的空调系统，其特征在于，所述节流元件为电子膨胀阀或热力膨胀阀；所述冷却介质供给装置为水塔。

12.根据权利要求1或2所述的空调系统，其特征在于，所述冷却介质为水或者乙二醇溶液。