CN104315668A - 一种光伏驱动热管复合型机房空调机组的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光伏驱动热管复合型机房空调机组的控制方法，其特征是：机房空调机组是以光伏电能与电网电能以互补的形式实现双能源供电；机房空调室外机组由热管单元与制冷单元复合构成；热管单元由依次设置的室内蒸发器、热管电磁阀、热管冷凝器、中间换热器第二通道、储液器以及氟泵构成热管工质循环回路；制冷单元包括变频压缩机和连接在压缩机排气口一侧的制冷冷凝器，在制冷冷凝器出口，一路依次经辅路电磁阀、第一节流机构以及中间换热器第一通道，另一路依次经主路电磁阀、第二节流机构、室内蒸发器、以及制冷电磁阀，构成双循环回路。本发明可最大化利用光能及自然冷源，实现为机房全天候空气调节，大幅节能减排。

Description

一种光伏驱动热管复合型机房空调机组的控制方法

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外自然能源的光伏驱动热管复合型空调机组的控制方法。

背景技术

伴随信息产业和数字化建设的快速发展，机房、基站的数量迅速增加，据统计机房、基站空调的能耗占其总能耗的40％以上。数据中心显热负荷大、围护结构封闭，一年四季全天候运行，在阳光充足的夏季或过渡季节，若能利用自然能源缓解甚至替代蒸汽压缩制冷系统电能消耗，将大大减小空调系统的能耗。利用光能转化为电能的研究一直是比较热的话题及研究方向，但是一直都是将光能经过多次转换供给空调机组，转化效率低。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还存在低温启动、润滑、能量调节等可靠性问题。利用室内外温差低成本输送热量或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，但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。普通的气-气热交换系统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CN201110292998.3中公开了一种太阳能光伏空调冷热机组，该系统具有在白天完全利用光能运行的冷热机组，此系统采用的是直流压缩机，且并未考虑到阴雨等光能不充足天气机组运行方式以及多余光伏电能处理问题。

中国发明专利申请CN201310132587.7中公开了一种电网互补型太阳能变频空调，该系统虽然解决了阴雨等光能不充足天气下机组运行问题，但是由于多次直/交流转化问题，导致能源利用率低。

中国发明专利申请CN201420135781.0中公开了光伏直驱压缩机组，化解了光伏电能直/交流转化以及电网电能以及光伏电能互补问题，但由于它知供功能给变频离心压缩机组导致系统其它部件能耗并未解决问题。

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。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。

中国发明专利CN201210037332.8以及CN201210037082.8中公开了一种热管复合型机房空调系统，该系统具有热管模式、复合模式、制冷模式三种工作模式，但是由于其在制冷模式下依然运行氟泵驱动循环，且存在二次换热效率低、低压分流、制冷剂充注量大等问题，同时对于中部，南部尤其靠近赤道地带热管运行时间短，节能效率低下。

发明内容

本发明是为避免上述现有技术所存在的不足之处，提供一种光伏驱动热管复合型机房空调机组的控制方法，以解决二次换热效率低、低压分流以及地区适用性的问题，并针对室外光能资源充足，清洁可再生，为充分利用机房室外空间自然资源，将光伏电能并入到供给机房电网电能的主线上，在白天光能较充足状态下大幅度减少电网电能消耗，同时还将多余电网电能送入国家电网，最大化地利用室外能源，缓解了地区差异对机房空调节能的限制，大幅度节能减排。

本发明为解决技术问题采用如下技术方案：

本发明中光伏驱动热管复合型机房空调机组的结构特点是：

所述机房空调机组是以光伏电能与电网电能以互补的形式实现双能源供电；

所述机房空调室外机组由热管单元与制冷单元复合构成；

所述热管单元由依次设置的室内蒸发器、热管电磁阀、热管冷凝器、中间换热器第二通道、储液器以及氟泵构成热管工质循环回路；

所述制冷单元包括变频压缩机和连接在压缩机排气口一侧的制冷冷凝器，在所述制冷冷凝器出口，一路依次经辅路电磁阀、第一节流机构以及中间换热器第一通道，另一路依次经主路电磁阀、第二节流机构、室内蒸发器、以及制冷电磁阀，构成双循环回路。

本发明中光伏驱动热管复合型机房空调机组的控制方法的特点是：所述室外空调机组根据不同的室外环境温度切换运行在不同的工作模式，所述工作模式包括制冷循环模式、过渡循环模式和热管循环模式；

在所述制冷循环模式下：制冷电磁阀开启，热管电磁阀关闭，主路电磁阀打开，辅路电磁阀关闭；由压缩机、制冷冷凝器、主路电磁阀、第二节流机构、室内蒸发器和制冷电磁阀构成制冷工作回路；

在所述过渡循环模式下：制冷电磁阀关闭，热管电磁阀打开，主电磁阀关闭，辅路电磁阀打开；由储液器、氟泵、室内蒸发器、热管电磁阀、热管冷凝器以及中间换热器第二通道构成的热管单元满负荷运行；由压缩机、制冷冷凝器、辅路电磁阀、第一节流机构以及中间换热器第一通道构成的制冷单元，根据空调热负荷状况适量运行，作为制冷补偿回路；控制制冷单元中间换热器的换热能力使热管单元的冷量输出与室内热负荷相匹配；

在所述热管循环模式下：制冷电磁阀关闭、热管电磁阀打开、主电磁阀关闭、辅路电磁阀关闭，由储液器、氟泵、室内蒸发器、热管电磁阀、热管冷凝器以及中间换热器第二通道构成的热管单元运行，控制氟泵的流量使热管单元的冷量输出与空调热负荷相匹配；

所述不同的工作模式根据不同的室外环境温度设定为：

设置制冷循环模式为：室外空气温度＞Ta；

设置过渡循环模式为：Ta≤室外空气温度≤Tb；

设置热管循环模式为：Ta＞室外空气温度；

其中：Tb＞Ta。

本发明中光伏驱动热管复合型机房空调机组的控制方法的特点也在于：在所述热管单元与制冷单元中使用同一种制冷剂。

本发明中光伏驱动热管复合型机房空调机组的控制方法的特点也在于：所述中间换热器(8)为套管式或板式换热。

本发明中光伏驱动热管复合型机房空调机组的控制方法的特点也在于：所述双能源供电具有如下四种工作模式：

光伏电能大于机房空调机组所需电能时，多余的光伏电能转入电网；

光伏电能等于机房空调机组所需电能时，机房空调机组对电网电通的零能耗；

光伏电能小于机房空调机组所需电能时，由电网电能补偿机房空调机组所需电能；

光伏电能输出为零时，由电网电能直接为空调机组供电。

与已有技术相比，本发明有益效果体现在：

1、本发明采用清洁可再生的自然能源太阳能作为机组供能能源之一，采用电网电能与光伏电能双能源为机房空调室外机组供能，且两种能源可自动互补。对机房室外空间，如屋顶，墙体等空间的充分利用作了新的方式，为处于中部以及南部地区的机房空调带来了新的节能方向和途径，为响应节能减排号召做出新的实际贡献。

2、本发明将室外机组供能装置进行自动化控制，对当前室外机组运行模式，光伏电能发电量以及电网电能输出/入量进行自动控制管控。

3、本发明集成应用了压缩式制冷和动力型分离式热管制冷技术，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，增设过渡工作模式，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。

4、本发明采用两种相同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。

5、本发明针对不同工作模式使用不同工质为室内换热器循环供冷，减少二次换热效率低下问题，针对机组多末端分液不均匀的问题利用高压分流方式得到一定程度范围内的解决。同时针对不同工作模式均采用氟泵强制驱动循环制冷剂充注量大问题得到缓解。

6、本发明可针对南北地区气候条件差异以及成本等问题，如在南方光能强而室外自然冷源较弱，机组处于蒸气压缩制冷时期长，热管模式时期短，利用光伏电能补偿电网电能实现大幅度节能减排；对于室外冷源强的北方，机组处于热管循环时期长，且能耗低，实现节能。

附图说明

图1为本发明系统原理图；

图中标号：1压缩机、2制冷冷凝器、3a第一节流机构、3b第二节流机构、4制冷电磁阀、5室内蒸发器、6热管电磁阀、7热管冷凝器、8a中间换热器第一通道、8b中间换热器第二通道、9储液器、10氟泵、a辅路电磁阀、b主路电磁阀、A室外模块、B室内模块。

具体实施方式

本实施例中机房用光伏驱动热管复合型机房空调机组，其供能系统由光伏电能与电网电能互补供电，其冷源系统由热管模块和蒸汽压缩式制冷模块复合构成。

如图1所示，本实施例中机房空调机组是以光伏电能与电网电能以互补的形式实现双能源供电，它包括模块太阳能电池阵列、汇流单元、双向变流互补模块系统、能量管理单元、室外侧空调机组控制单元。太阳能产生的直流电能经过汇流单元直接并入电网电能主线上，在双向变流互补模块系统作用下实现光伏电能与电网电能自动互补。能量管理单元可对当前室外机组运行模式，光伏电能发电量以及电网电能输出/入量进行自动管控。当太阳能产生电能除供给空调机组外多余电能直接转入电网电能，当太阳能产生电能不足时，电网电能自动输出电能补偿太阳能不足，同时能量管理单元会自动检测出室外机组所处工作模式、机组电能需求、太阳能产生电能，并控制电网电能输入/出电能，使足够的电能输入再经过DC/AC转换输入到室外侧空调机组控制单元，实现空调机组输入端自动化控制。

当机组使用在光能充足地区，双能源供电具有如下四种工作模式：

光伏电能大于机房空调机组所需电能时，多余的光伏电能转入电网；

光伏电能等于机房空调机组所需电能时，机房空调机组对电网电通的零能耗；

光伏电能小于机房空调机组所需电能时，由电网电能补偿机房空调机组所需电能；

光伏电能输出为零时，由电网电能直接为空调机组供电。

本发明可针对南北地区气候条件差异以及成本等问题，如在南方光能强而室外自然冷源较弱，机组处于蒸气压缩制冷时期长，热管模式时期短，利用光伏电能补偿电网电能实现大幅度节能减排；对于室外冷源强的北方，机组处于热管循环时期长，且能耗低，实现节能。实施例中光伏驱动热管复合型机房空调机组可针对南北地区气候条件以及投资成本的问题考虑是否使用光伏能源，适用性强。

图1所示的本实施例中室内模块B由室内蒸发器5和第二节流机构3b构成，其它各部件构成室外模块A。制冷单元包括变频压缩机1和连接在压缩机1排气口一侧的制冷冷凝器2，在制冷冷凝器2出口，一路依次经辅路电磁阀a、第一节流机构3a以及中间换热器第一通道8a，另一路依次经主路电磁阀b、第二节流机构3b、室内蒸发器5、以及制冷电磁阀4，构成双循环回路。制冷单元可由多台制冷压缩机构成压缩机组，通过控制压缩机的运行台数及压缩机的运行频率，调节制冷工质的流量及产冷量。

热管单元由依次设置的室内蒸发器5、热管电磁阀6、热管冷凝器7、中间换热器第二通道8b、储液器9以及氟泵10构成热管工质循环回路；

具体实施中，中间换热器为套管式或板式换热器，制冷单元与热管单元使用同一种制冷剂。

在实施中根据不同环境使用不同工作模式，且根据不同工作模式调节各阀的开闭。

本实施例中，将宽环温带分解为制冷区、过渡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、过渡循环和热管循环的不同工作模式下；其中：

对于制冷模式，制冷电磁阀4开启，热管电磁阀6关闭，主路电磁阀b打开，辅路电磁阀a关闭；由压缩机1、制冷冷凝器2、主路电磁阀b、第二节流机构3b、室内蒸发器5和制冷电磁阀4构成制冷工作回路，制冷单元独立对室内蒸发器供冷。

对于过渡模式：制冷电磁阀4关闭，热管电磁阀6打开，主电磁阀b关闭，辅路电磁阀a打开；由储液器9、氟泵10、室内蒸发器5、热管电磁阀6、热管冷凝器7以及中间换热器第二通道8b构成的热管单元满负荷运行；由压缩机1、制冷冷凝器2、辅路电磁阀a、第一节流机构3a以及中间换热器第一通道8a构成的制冷单元，根据空调热负荷状况适量运行，作为制冷补偿回路，控制制冷单元中间换热器的换热能力使热管单元的冷量输出与室内热负荷相匹配。

对于热管模式：制冷电磁阀4关闭、热管电磁阀6打开、主电磁阀b关闭、辅路电磁阀a关闭，由储液器9、氟泵10、室内蒸发器5、热管电磁阀6、热管冷凝器7以及中间换热器第二通道8b构成的热管单元运行，控制氟泵10的流量使热管单元的冷量输出与空调热负荷相匹配。

不同的工作模式根据不同的室外环境温度设定为：

设置制冷循环模式为：室外空气温度＞Ta；

设置过渡循环模式为：Ta≤室外空气温度≤Tb；

设置热管循环模式为：Ta＞室外空气温度；

其中：Tb＞Ta。

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，可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≤8℃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。

本发明用于南方光能充足地区的27℃机房，当机组处于蒸气压缩制冷时，利用相应大小的太阳能电池阵列产生电能可替代电网电能输入，做到机组零电能运行。

Claims (4)

1.一种光伏驱动热管复合型机房空调机组的控制方法，其特征是：

设置所述光伏驱动热管复合型机房空调机组的结构形式为：

所述机房空调机组是以光伏电能与电网电能以互补的形式实现双能源供电；

所述机房空调室外机组由热管单元与制冷单元复合构成；

所述热管单元由依次设置的室内蒸发器(5)、热管电磁阀(6)、热管冷凝器(7)、中间换热器第二通道(8b)、储液器(9)以及氟泵(10)构成热管工质循环回路；

所述制冷单元包括变频压缩机(1)和连接在压缩机(1)排气口一侧的制冷冷凝器(2)，在所述制冷冷凝器(2)出口，一路依次经辅路电磁阀(a)、第一节流机构(3a)以及中间换热器第一通道(8a)，另一路依次经主路电磁阀(b)、第二节流机构(3b)、室内蒸发器(5)、以及制冷电磁阀(4)，构成双循环回路；

设置所述光伏驱动热管复合型机房空调机组的控制方法为：所述室外空调机组根据不同的室外环境温度切换运行在不同的工作模式，所述工作模式包括制冷循环模式、过渡循环模式和热管循环模式；

在所述制冷循环模式下：制冷电磁阀(4)开启，热管电磁阀(6)关闭，主路电磁阀(b)打开，辅路电磁阀(a)关闭；由压缩机(1)、制冷冷凝器(2)、主路电磁阀(b)、第二节流机构(3b)、室内蒸发器(5)和制冷电磁阀(4)构成制冷工作回路；

在所述过渡循环模式下：制冷电磁阀(4)关闭，热管电磁阀(6)打开，主电磁阀(b)关闭，辅路电磁阀(a)打开；由储液器(9)、氟泵(10)、室内蒸发器(5)、热管电磁阀(6)、热管冷凝器(7)以及中间换热器第二通道(8b)构成的热管单元满负荷运行；由压缩机(1)、制冷冷凝器(2)、辅路电磁阀(a)、第一节流机构(3a)以及中间换热器第一通道(8a)构成的制冷单元，根据空调热负荷状况适量运行，作为制冷补偿回路；控制制冷单元中间换热器的换热能力使热管单元的冷量输出与室内热负荷相匹配；

在所述热管循环模式下：制冷电磁阀(4)关闭、热管电磁阀(6)打开、主电磁阀(b)关闭、辅路电磁阀(a)关闭，由储液器(9)、氟泵(10)、室内蒸发器(5)、热管电磁阀(6)、热管冷凝器(7)以及中间换热器第二通道(8b)构成的热管单元运行，控制氟泵(10)的流量使热管单元的冷量输出与空调热负荷相匹配；

所述不同的工作模式根据不同的室外环境温度设定为：

设置制冷循环模式为：室外空气温度＞Ta；

设置过渡循环模式为：Ta≤室外空气温度≤Tb；

设置热管循环模式为：Ta＞室外空气温度；

其中：Tb＞Ta。

2.根据权利要求1所述的光伏驱动热管复合型机房空调机组的控制方法，其特征是：在所述热管单元与制冷单元中使用同一种制冷剂。

3.根据权利要求1所述的光伏驱动热管复合型机房空调机组的控制方法，其特征是：所述中间换热器(8)为套管式或板式换热。

4.根据权利要求1所述的光伏驱动热管复合型机房空调机组的控制方法，其特征是：所述双能源供电具有如下四种工作模式：

光伏电能大于机房空调机组所需电能时，多余的光伏电能转入电网；

光伏电能等于机房空调机组所需电能时，机房空调机组对电网电通的零能耗；

光伏电能小于机房空调机组所需电能时，由电网电能补偿机房空调机组所需电能；

光伏电能输出为零时，由电网电能直接为空调机组供电。