CN104534600A - 一种热管空调组合装置及制冷方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供的一种热管空调组合装置，包括热管冷却回路和机械制冷回路，所述机械制冷回路由换热器空调侧输入输出、气液分离器、压缩机、冷凝器和节流部件首尾依次连接而成；热管冷却回路由室内蒸发器、阀门组件、室外一体化换热器、储液器、液泵首尾依次相连而成。本发明还提供一种热管空调组合装置的制冷方法。与现有技术相比，本发明既能充分利用了自然冷源，又更好地解决了现有空调与热管组合方案存在的性能和稳定性缺陷，确保数据中心或通信机房设备全年正常稳定运行，并延长装置的使用周期和寿命。

Description

一种热管空调组合装置及制冷方法
技术领域
本发明涉及制冷与空调技术领域，具体涉及一种热管空调组合装置及制冷方法。
背景技术
在数据中心或通信机房中，连续运行的IT和通讯设备发热量大，需要专门的冷却降温设备进行常年温度控制，以保证设备的正常工作运行。传统上完全依靠空调系统进行降温温控，需要空调压缩机长时间运行，导致机房能耗大、业务运行成本高；为实现机房空调系统的节能减排，一种方法是通过引入热管散热方式以尽可能利用室外自然冷源，减少空调压缩机工作时间。
无动力一体式热管空调组合机组及制冷方法(CN201110368029.1)、一种带自然冷却功能的液泵供液多联式空调机组(CN200910235429.8)分别提出了一种整体式和分体式的热管空调组合装置方案，其基本思路是空调系统与热管系统以切换方式共用一套蒸发器和冷凝器，即组成唯一一个工作回路；当外部环境温度较低时热管系统独立工作；当外部环境温度较高使得热管系统不能满足降温要求时停止热管模式运行时，将空调系统切换进入工作环路以空调模式运行，以达到既充分利用自然冷源又可全年支持降温工作的目的。上述方案空调机组和热管两套系统不能同时运行、只允许切换工作，降低了自然冷源利用率，并且两套系统在结构和性能设计上互相牵制从而导致装置整体运行性能和可靠性受到局限，对数据中心或通信机房中设备的安全稳定运行形成潜在风险。
一种复叠机械制冷的液泵驱动热管装置及运行方法(CN201210084797.9)针对上述问题提出了改进方案，即主工作回路只共用一套室内蒸发器的方案，机械制冷回路和热管冷却回路为独立结构，可以单独或者同时工作，主工作回路冷凝器由室外换热器(参与热管冷却回路)与换热器串联相接而成。该方案中由于室外换热器与换热器串接，导致回路管道内制冷工质流动互相牵制，为减少牵制而单独设置直通管路以及增加控制阀门，但在机械制冷回路和热管冷却回路同时工作情况下无法避免互相牵制，而且在一定温差情况下室外换热器变成换热器的热阻，降低了装置的制冷效能；另外该方案所采用的运行方法，在边界温差情况下将导致回路的频繁切换进而导致机组整体性能和可靠性的降低，因此该解决方案存在一定的缺陷。
因此，如何设计一种既能提高室外自然冷源利用率，又能提高机组整体性能和可靠性，进而研究提出更佳的解决方案，确保数据中心或通信机房设备全年正常稳定运行的制冷降温装置，是本领域亟待解决的问题。
发明内容
本发明提供一种热管空调组合装置及制冷方法，通过机械制冷回路和热管冷却回路更加完善的结构设计和更加合理的制冷方法设计，并通过自动感应和手动调节双重手段，实现本发明中的装置能够采用单独或联合运行等多种工作模式，在适应不同的室外环境温度情况，满足机房内全年室内温控的可靠和高效的同时，延长装置的使用寿命。
本发明采用如下技术方案：
一种热管空调组合装置，包括热管冷却回路和机械制冷回路，所述机械制冷回路由换热器空调侧输入输出、气液分离器、压缩机、冷凝器和节流部件首尾依次连接而成；热管冷却回路由室内蒸发器、阀门组件、室外一体化换热器、储液器、液泵首尾依次相连而成；
所述室外一体化换热器由所述室外热管冷凝器和所述换热器组成，所述室外热管冷凝器的输出与所述换热器热管侧输出并联，所述换热器热管侧输入与第一阀门组串接，所述室外热管冷凝器输入与第二阀门组串接；
所述室外热管冷凝器设置在所述室外一体化热换器的高部，所述换热器设置在所述室外一体化热换器的低部；
所述换热器高于液泵；
所述室内蒸发器位于机房内。
优选地，所述第二阀门组和所述第一阀门组均由手动阀门和感应阀门混合组成。
优选地，所述第二阀门组和所述第一阀门组均各由一个手动阀门构成。
优选地，所述换热器为间壁换热器或混合式换热器。
优选地，所述室内蒸发器和室外热管冷凝器均为风冷式翅片结构。
优选地，所述室外热管冷凝器使用室外自然冷源参与热管制冷，所述换热器采用机械制冷源参与热管制冷。
优选地，所述热管冷却回路和机械制冷回路的管道内部均密封制冷工质。
优选地，所述液泵为喷射泵、虹吸泵或机械泵。
本发明另一目的在于提供一种热管空调组合装置的制冷方法，具体如下：
启动装置，蒸发器正常运行，当温差Ti-To＞N2时，开启第二阀门组，将所述室外热管冷凝器启动并运行、开启第一阀门组将所述机械制冷回路启动并运行，使所述热管回路可同时使用室外自然冷源和机械制冷源为室内降温；其中Ti为室内温度，To为室外温度，N2为热管使用室外自然冷源开启运行的临界温差上限，一般N2≥5；
若室内外温差继续增加，当Ti-To＞M2时，关闭所述机械制冷回路运行、开启所述室外热管冷凝器运行，使所述热管回路单独使用室外自然冷源为室内降温，M2为热管单独采用室外自然冷源实现足够温控的稳定温差上限，一般M2≥10以及M2＞N2；此时与所述换热器热管侧输入串接的第一阀门组关闭，与所述室外热管冷凝器串接的第二阀门组开启；
若室内外温差发生减少，且温差Ti-To＜M1时，开启所述机械制冷回路运行、开启所述室外热管冷凝器运行，使所述热管回路可同时使用室外自然冷源和机械制冷源为室内降温，M1为所述热管回路单独采用室外自然冷源实现足够温控的稳定温差下限，M2≥M1；此时所述换热器热管侧输入串接的第一阀门组开启，与所述室外热管冷凝器串接的第二阀门组开启；
若室内外温差持续发生减少，且温差Ti-To＜N1时，关闭所述室外热管冷凝器运行、开启所述机械制冷回路运行，使所述热管回路单独使用机械制冷源实现室内降温，N1为所述热管回路开启使用室外自然冷源运行的临界温差下限，N2≥N1；此时与所述换热器热管侧输入串接的第一阀门组开启，与所述室外热管冷凝器串接的第二阀门组关闭。
本发明实施例中，由于室外热管冷凝器和换热器并联相接设置，且分别设置在组合换热器、即室外一体化换热器的高部和低部，被汽化的工质液体优先通过换热器，在双回路联合工作情况下室外热管冷凝器和换热器的互相牵制影响较小，避免了室外热管冷凝器成为换热器的热阻；也无需为回路单独工作情况下设置独立直通管路使得装置更加简化；
本发明实施例通过N2与N1分别对应热管冷却回路开启与关闭的控制点，避免热管冷却回路在室内外临界温差情况下的频繁开启与关闭，提升了对自然冷源的利用；
前述装置或方法中，通过M1与M2分别对应机械制冷回路开启与关闭的控制点，避免机械制冷回路在室内外稳定工作温差情况下的频繁开启与关闭，有效地保护了机组设备；
本发明提供的装置或方法中，在机械制冷回路和热管冷却回路中设置手动阀门，一方面，能够解决在边界温差情况下，当回路频繁切换导致机组整体性能失灵、切换功能丧失情形发生时，通过旋转并控制手动阀门组件的开合，实现对装置中机械制冷回路或热管冷却回路的机械控制，继续保持热管空调组合装置正常热冷交换功能；另一方面，在一些日照条件较好、室外温度较高的地区，当室内室外温差不大，随着机械制冷回路和热管冷却回路模式的切换，室内室外温差趋于边界温差时，即要么是室外温度较高一点，要么是室外温度较高一些，而两者温差大小基本在一个范围内恒定的状态下，此时回路的切换变得异常频繁，此时通过机械调整手动阀门组件的开合，选择一种热换模式，有利于保护装置的使用从而延长其寿命。
从以上技术方案可以看出，本发明实施例具有以下优点：
本发明提供的热管空调组合装置及制冷方法，利用热换器、冷凝器以及室外一体化换热器的设置，形成热管冷却回路和机械制冷回路，形成以热管冷却为主、机械制冷为辅的组合式或单独式制冷模式，同时，在管路中设置阀门组件，能够根据室内外温差变化，调整阀门的开合，既能充分利用了自然冷源，又更好地解决了现有空调与热管组合方案存在的性能和稳定性缺陷，确保数据中心或通信机房设备全年正常稳定运行，延长装置的使用寿命和周期。
附图说明
图1是本发明实施例中一种热管空调组合装置中仅有手动阀门的一个连接结构示意图；
图2是本发明实施例中一种热管空调组合装置中设置两组手动阀门和感应阀门组合的一个连接结构示意图；
图3是本发明实施例中一种热管空调组合装置中的间壁换热器输入输出侧一个连接结构示意图；
图4是本发明实施例中一种热管空调组合装置的制冷控制一个流程示意图。
具体实施方式
本发明实施例提供了一种热管空调组合装置及制冷方法，用于解决现有空调与热管组合方案存在的性能和稳定性存在的缺陷，确保数据中心或通信机房设备全年正常稳定运行
为使得本发明的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，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，下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部的实施例。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它实施例，都属于本发明保护的范围。
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细描述，以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。
参见图1至图4，图1为本发明实施例中的一种热管空调组合装置的一个连接结构示意图，包括热管冷却回路100和机械制冷回路200，机械制冷回路200由换热器1032空调侧输入1输出2、气液分离器201、压缩机202、冷凝器203和节流部件204首尾依次连接而成；热管冷却回路由室内蒸发器101、阀门102、室外一体化换热器103、储液器104、液泵105首尾依次相连组成热管冷却回路100。
室外一体化换热器103由一个室外热管冷凝器1031和换热器1032组成，室外热管冷凝器1031的输出6与换热器1032热管侧输出4并联，换热器1032热管侧输入3与第一阀门组1022串接，室外热管冷凝器1031输入5与第二阀门组1021串接；
其中，室外热管冷凝器1031设置在室外一体化换热器103的高部，换热器1032设置在室外一体化换热器103的低部，这样设置的目的是为了实现冷热交换时冷气和热流互不干扰，其中，冷气通过室外热管冷凝器1031从顶部散向整个室内空间，热气通过换热器1032从低位置被吸入并被热传递到室外；室外热管冷凝器1031使用室外自然冷源参与热管制冷，换热器1032采用机械制冷源参与热管制冷。
热管冷却回路100和机械制冷回路200的管道内部均密封制冷工质，换热器1032高于液泵105，换热器1032为间壁式换热器或混合式换热器，本实施例中采用间壁式换热器；液泵105为喷射泵、虹吸泵或机械泵；室内蒸发器101和室外热管冷凝器1031均为风冷式翅片结构；室内蒸发器101和室外热管冷凝器1031带风机或不带风机，均为风冷式翅片结构。本发明实施例中，进一步地包括用于测量室内外温度的温度传感器和控制器，其中，控制器根据温度传感器传输收录的信号控制热管空调组合装置的工作，即通过温度高低的判断和运算后，选择不同的制冷换热模式。为了在边界温度时防止模式切换过多对本发明中的装置造成损害，或者当切换模式失灵时，为了选择更合适的模式进行制冷换热，在热管冷却回路100和机械制冷回路200的管道上既可以单独设置手动阀门，如图1，亦可以同时设置手动阀门和感应阀门，如图2，这样，不论装置处于何种状态下，均可通过阀门的开合选择，选择合适的制冷换热模式进行工作，相较于只存在一种控制方法的装置，可以更方便地根据场景的不同进行操控，同时，又延长了装置的使用寿命。
当冬季室外天气寒冷时，室内外温差较大，例如大于10度(M1取值10)，如图4B区，热管回路100单独使用室外自然冷源为室内降温，该工作模式下换热器1032热管侧输入1串接的第一阀门组1022关闭，室外热管冷凝器1031输入3串接的第二阀门组1021开启，此时室内蒸发器101内的液体冷媒工质，吸收室内热量汽化成为蒸汽；经第二阀门组1021进入室外热管冷凝器1031，通过室外自然冷空气释放热量，从而冷凝为液体流入储液器104内；储液器104内的液体冷媒工质在液泵105的作用下被泵回室内蒸发器101。
当处于夏季等炎热室外天气时，室内外温差很小或者为负，例如5度(N1取值5)，如图4D区，热管回路100单独使用机械制冷源为室内降温，该工作模式下第一阀门组1022开启、第二阀门组1021关闭，这时室内蒸发器101内的液体冷媒工质，吸收室内热量汽化成为蒸汽；经第一阀门组1022进入换热器1032热管管路，换热器1032热管管路与机械制冷循环管路中的制冷剂进行热交换，释放热量，并冷凝为液体流入储液器104内；储液器104内的液体冷媒经液泵105被泵回室内蒸发器101；而换热器1032机械制冷循环管路中的液体制冷剂吸收了热管回路冷媒释放的热量气化成为蒸气，经气液分离器201后被吸入压缩机202，压缩后的高压气体流入冷凝器203，冷凝成为液体，并经节流部件204重新流入换热器1032机械制冷管路。
在春秋过渡季节室外天气凉爽变化，例如室内外温差在3～10℃变化(N2取值为5、M1取值为8)时，如图4C或A区，第一阀门组1022和第二阀门组1021均开启，热管回路100同时使用室外自然冷源和机械制冷源为室内降温。该工作模式下，室内蒸发器101内的液体冷媒工质，吸收室内热量汽化成为蒸汽；部分蒸汽经第二阀门组1021进入室外热管冷凝器1031，通过室外自然冷空气释放热量，冷凝为液体流入储液器104内；另一部分蒸汽经第一阀门组1022进入换热器1032热管管路，换热器1032热管管路与机械制冷循环管路中的制冷剂进行热交换，释放热量，冷凝为液体流入储液器104内；储液器104内的液体冷媒工质在液泵105的作用下被泵回室内蒸发器101。而换热器1032机械制冷循环管路中的液体制冷剂吸收了热管回路冷媒释放的热量气化成为蒸气，经气液分离器201后被吸入压缩机202，压缩后的高压气体流入冷凝器203，冷凝成为液体，并经节流部件204重新流入换热器1032机械制冷管路。
为避免温差处于例如3、4度，或者9、10度期间，可能造成室外热管冷凝器1031或者机械制冷回路200的频繁启动与关闭，通过在管路中设置手动阀门，根据当时的室内外温差所在范围，通过机械性地调整和控制手动阀门的开合，手动选择制冷换热模式，既保证制冷换热的持续，又保护了机组整体的稳定性，或者，通过临界温度上下限和稳定温度上下限的设置，使得过渡温度期间保持机组相对稳定的工作状态，即：
采用上述稳定温度上下限控制，将热管回路100单独使用机械制冷的启动点温度与关闭点温度分离开，避免机械制冷回路200的频繁启动与关闭，保护机械制冷回路200设备。
采用上述临界温度上下限控制，将热管回路100单独使用室外自然冷源的启动点温度与关闭点温度分离开，避免室外热管冷凝器1031的频繁启动与关闭，相对延长了热管回路100使用室外自然冷源的时间，提高了对自然冷源的利用。
当室外温度处于临界温度附近时，导致室外热管冷凝器1031实质上不保证能有效冷凝工作，但在室外一体化换热器中室外热管冷凝器1031和换热器1032并联连接以及室外热管冷凝器1031相对换热器1032处于高位设置的结构下，这时第二阀门组1021虽然打开但室外内自然冷空气温差不足于使冷凝器释放热量将蒸汽冷凝为液体，也就不能产生负压以吸取室内蒸发器101换热产生的蒸汽，室内蒸发器101换热产生的蒸汽仍可通过并联的换热器1032支路优先进行热交换，释放热量，冷凝为液体流入储液器104内以保持热管回路工作；如此室外热管冷凝器1031在启动但实质上不能冷凝工作情况下不会对换热器1032造成热负荷，二者的互相牵制影响也很小。因此在临界温度上下限范围内保持室外热管冷凝器1031启动，既可以避免室外热管冷凝器1031的频繁启动与关闭、保护设备，还可以通过延迟关闭室外热管冷凝器1031尽可能利用室外自然冷源，同时不会降低对机械制冷模式的效能。
当制冷控制设置M1＝M2、N1＝N2时，属于温度上下限设置特殊情况，这时候机组失去频繁启动与关闭保护。此时，因为系统管道中设置有手动阀门，通过利用上述前四种制冷换热的模式选择条件，判断装置处于上述哪一种条件之下，然后手动机械控制第一阀门组1022和第二阀门组1021中的手动阀门的开合，这样，既能实现制冷换热功能的继续进行，又能防止机组在失去频繁启动与关闭保护的前提下，因回路频繁切换导致机组整体失去稳定性或者因频繁切换造成机组切换功能失灵导致制冷换热功能减弱或丧失的后果产生，从而保护了本实施例中的组合装置的安全稳定，延长其使用周期。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的装置的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
以上所述，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1.一种热管空调组合装置，其特征在于，包括热管冷却回路(100)和机械制冷回路(200)，所述机械制冷回路(200)由换热器(1032)空调侧输入(1)输出(2)、气液分离器(201)、压缩机(202)、冷凝器(203)和节流部件(204)首尾依次连接而成；热管冷却回路(100)由室内蒸发器(101)、阀门组件(102)、室外一体化换热器(103)、储液器(104)、液泵(105)首尾依次相连而成；
所述室外一体化换热器(103)由所述室外热管冷凝器(1031)和所述换热器(1032)组成，所述室外热管冷凝器(1031)的输出(6)与所述换热器(1032)热管侧输出(4)并联，所述换热器(1032)热管侧输入(3)与第一阀门组(1022)串接，所述室外热管冷凝器(1031)输入(5)与第二阀门组(1021)串接；
所述室外热管冷凝器(1031)设置在所述室外一体化热换器(103)的高部，所述换热器(1032)设置在所述室外一体化热换器(103)的低部；
所述换热器(1032)高于液泵(105)；
所述室内蒸发器(101)位于机房内。
2.根据权利要求1所述的一种热管空调组合装置，其特征在于，所述第二阀门组(1021)和所述第一阀门组(1022)均由手动阀门和感应阀门混合组成。
3.根据权利要求1所述的一种热管空调组合装置，其特征在于，所述第二阀门组(1021)和所述第一阀门组(1022)均各由一个手动阀门构成。
4.根据权利要求1所述的一种热管空调组合装置，其特征在于，所述换热器(1032)为间壁换热器或混合式换热器。
5.根据权利要求1所述的一种热管空调组合装置，其特征在于，所述室内蒸发器(101)和室外热管冷凝器(1031)均为风冷式翅片结构。
6.根据权利要求1所述的一种热管空调组合装置，其特征在于，所述室外热管冷凝器(1031)使用室外自然冷源参与热管制冷，所述换热器(1032)采用机械制冷源参与热管制冷。
7.根据权利要求1所述的一种热管空调组合装置，其特征在于，所述热管冷却回路(100)和机械制冷回路(200)的管道内部均密封制冷工质。
8.根据权利要求1所述的一种热管空调组合装置，其特征在于，所述液泵(105)为喷射泵、虹吸泵或机械泵。
9.一种权利要求1至8任一项所述的热管空调组合装置的制冷方法，其特征在于：
启动装置，蒸发器正常运行，当温差Ti-To＞N2时，开启第二阀门组(1021)，将所述室外热管冷凝器(1031)启动并运行、开启第一阀门组(1022)将所述机械制冷回路(200)启动并运行，使所述热管回路(100)可同时使用室外自然冷源和机械制冷源为室内降温；其中Ti为室内温度，To为室外温度，N2为热管使用室外自然冷源开启运行的临界温差上限，一般N2≥5；
若室内外温差继续增加，当Ti-To＞M2时，关闭所述机械制冷回路(200)运行、开启所述室外热管冷凝器(1031)运行，使所述热管回路(100)单独使用室外自然冷源为室内降温，M2为热管单独采用室外自然冷源实现足够温控的稳定温差上限，一般M2≥10以及M2＞N2；此时与所述换热器(1032)热管侧输入(3)串接的第一阀门组(1022)关闭，与所述室外热管冷凝器(1031)串接的第二阀门组(1021)开启；
若室内外温差发生减少，且温差Ti-To＜M1时，开启所述机械制冷回路(200)运行、开启所述室外热管冷凝器(1031)运行，使所述热管回路(100)可同时使用室外自然冷源和机械制冷源为室内降温，M1为所述热管回路(100)单独采用室外自然冷源实现足够温控的稳定温差下限，M2≥M1；此时所述换热器(1032)热管侧输入(3)串接的第一阀门组(1022)开启，与所述室外热管冷凝器(1031)串接的第二阀门组(1021)开启；
若室内外温差持续发生减少，且温差Ti-To＜N1时，关闭所述室外热管冷凝器(1031)运行、开启所述机械制冷回路(200)运行，使所述热管回路(100)单独使用机械制冷源实现室内降温，N1为所述热管回路(100)开启使用室外自然冷源运行的临界温差下限，N2≥N1；此时与所述换热器(1032)热管侧输入(3)串接的第一阀门组(1022)开启，与所述室外热管冷凝器(1031)串接的第二阀门组(1021)关闭。
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