CN105042929B - 三模式复合冷水机组及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种三模式复合冷水机组，包括依次串联形成制冷剂回路的压缩机、单向阀、冷凝器、干燥过滤器、节流装置和蒸发器以及气体旁通支路和液体旁通支路，所述冷凝器的水平高度高于所述蒸发器的水平高度，所述气体旁通支路上设置有气体控制阀，且并联于所述压缩机吸气口和所述单向阀出口处，所述液体旁通支路上设置有液体控制阀，且并联于所述干燥过滤器入口和所述节流装置出口处。本发明提供的三模式复合冷水机组及其控制方法，把气相驱动的动力热管巧妙的融入到重力热管和蒸气压缩复合技术中，构建了可连续调节的三模复合型冷水机组，这种机组不仅能充分利用自然冷源，具有良好的节能效果，而且可靠性高、初投资少、占地面积小，在大型机房冷却等方面具有良好的应用前景。

Description

三模式复合冷水机组及其控制方法

技术领域

本发明属于空调设备领域，尤其涉及一种三模式复合冷水机组及其控制方法。

背景技术

随着我国城镇化和信息化的推进，具有全年供冷需求的建筑空间在种类和数量上都在迅速增长，包括数据机房、移动基站等高发热密度空间，大型公共建筑内区，工艺车间、生产厂房等特殊工业空间等。这些建筑空间不仅在夏季需冷却降温，在过渡季甚至冬季，由于其负荷特性或功能需求，也需要向其供给冷量。目前这些建筑空间目前绝大部分均采用传统的蒸气压缩方式供冷，其全年供冷能耗普遍偏高。

近年来，为了降低全年供冷能耗，很多利用过渡季和冬季自然冷源的自然供冷技术得到了推广，比较典型的有冷却塔自然供冷、空冷器自然供冷等。通常情况下，自然供冷技术作为一套单独设备与原来的主制冷设备中(蒸气压缩制冷)并联设置，当外温较高时，主制冷设备运行保证安全可靠，当外温较低时，自然供冷设备运行保证节能。自然供冷设备的加入，虽然降低了制冷运行能耗，但是增加了初投资、占地面积，同时带来了耦合控制困难、运行维护工作量大等问题。

1985年日本大金工业株式会社提出了将分离式热管循环融入机械压缩式制冷循环的机房空调器(参见：孙丽颖,马最良.冷剂自然循环空调机的特性与应用.哈尔滨商业大学学报2004,20:929-732)，通过增设压缩机旁通支路和节流装置旁通支路，形成分离式热管循环。当外温较低时，机组运行于分离式热管循环，节约了压缩机功耗；当外温较高时，机组运行于常规的蒸气压缩制冷循环。该技术方案不仅可以节能制冷运行能耗，而且具有节材、节地、节省初投资和维护费用的优势，因此得到了不断的改进和发展。申请号为200910249714.5的中国专利提出了一种复合空调器的气相模式切换装置，申请号为201010134287.9的中国专利改进了复合空调器的蒸发器。然而，该技术还停留在冷风型空调器阶段，难以在大型冷水机组中应用，主要存在以下困难：

1、重力热管高差限制和不稳定问题。重力型分离式热管的动力来源于冷凝器4和蒸发器1之间的液位高差，循环驱动力通常较小(假设高差为2m，则循环驱动力最大仅为约20kPa)。然而大型冷水机组中制冷剂循环量大，循环阻力较大，因此需要更大的循环驱动力。然而在实际产品设计时，冷凝器和蒸发器的高度差不可能过大，这就需要寻找另一种热管循环驱动力。另一方面，很多研究表明，重力型分离式热管由于驱动力小且相变传热，在运行过程中可能出现不稳定现象(例如制冷剂阻滞，制冷量突然消失)，这将影响机组的安全可靠性。在出现不稳定现象时，需要一种“外扰”来克服这种不稳定性，恢复正常运行。

2、机组频繁启停问题。在现有小型复合空调器中，当室外温度温和，机组运行在重力热管和蒸气压缩交界面附近时，热管模式的COP高，但是制冷量不足，此时为了节能，热管模式优先运行，制冷量不足的部分由蒸气压缩模式补充，这就导致压缩机可能频繁启停，这在大型冷水机组中是不允许的。因此需要寻找一种可连续调节、平滑过渡阶段连接重力热管和蒸气压缩模式，在室外温度温和的情况下既能充分节能，又能保证满足制冷需求，同时避免压缩机频繁启停。

3、润滑油的问题。在传统的蒸气压缩制冷系统中，润滑油起着润滑、密封和降温的作用，是制冷系统不可或缺的一部分，尤其在大型冷水机组中，机组含油量大，对回油可靠性要求高。然而在热管运行时，油的存在会阻碍传热、增加流动阻力，进而抑制热管传热性能，另外热管运行可能改变润滑油的分布，为下一次压缩机安全启动带来潜在危险。另一方面，为了保证热管运行时阻力较小，给压缩机回油设计也带来了诸多困难，例如在干式蒸发器中为了降低阻力应尽可能减少管程数，但减少管程将降低制冷剂流速，不能保证顺利回油；在满液式机组中，需要设计复杂的回油系统，且难以设置油分离器。

申请号为CN00200740.1的中国专利提出了在热管的气相或者液相加压，构成机械驱动的动力式热管“热环”的思想，这种动力式热管可以解决传统的重力式热管高差不足、不稳定性等问题，但是它只解决了有正向温差情况下的传热问题，无法解决没有温差或者负向温差情况下的传热问题。另外因为这种技术对于增压装置要求很高，比如小压比(<1.5)连续调节，无油运行，密封好等，因此并未提出实质的实施方案，且没有提出相应的控制方法。

发明内容

因此，本发明提供一种能够根据不同的室外温度和不同的机组及安装的高度差充分利用自然冷源的三模式复合冷水机组及其控制方法。

一种三模式复合冷水机组，包括依次串联形成制冷剂回路的压缩机、单向阀、冷凝器、干燥过滤器、节流装置和蒸发器以及气体旁通支路和液体旁通支路，所述冷凝器的水平高度高于所述蒸发器的水平高度，所述气体旁通支路上设置有气体控制阀，且并联于所述压缩机吸气口和所述单向阀出口处，所述液体旁通支路上设置有液体控制阀，且并联于所述干燥过滤器入口和所述节流装置出口处。

所述压缩机为无油直流变频磁悬浮压缩机，且所述压缩机配有液泵冷却系统。

所述蒸发器为满液式蒸发器或降膜式蒸发器。

所述冷凝器为风冷冷凝器或蒸发冷冷式冷凝器。

还包括用于给所述冷凝器降温的喷淋装置、循环水泵和接水盘，所述喷淋装置设置于所述冷凝器上侧，所述接水盘设置于所述冷凝器下侧，所述循环水泵与喷淋装置和所述接水盘连通。

一种三模式复合冷水机组的控制方法，包括：

测量得到室外温度t_a和冷冻水温度t_w；

根据冷水机组设定第一控制温度a和第二控制温度b，并计算所述冷冻水温度t_w与所述第一控制温度a的第一差值t₁和所述冷冻水温度t_w和所述第二控制温度b的第二差值t₂；

当室外温度t_a不大于第一差值t₁时，关闭所述压缩机，打开所述气体控制阀和所述液体控制阀，所述冷凝器内的液态制冷剂受重力影响通过所述液体控制阀自流至所述蒸发器内进行换热，在变成气态制冷剂后受温度和所述液体控制阀处的压力通过所述气体控制阀回流至所述冷凝器中。

还包括：测量得到室外温度t_a和冷冻水温度t_w；

根据冷水机组设定第一控制温度a和第二控制温度b，并计算所述冷冻水温度t_w与所述第一控制温度a的第一差值t₁和所述冷冻水温度t_w和所述第二控制温度b的第二差值t₂；

当室外温度t_a处于第一差值t₁和第二差值t₂之间时，关闭所述气体控制阀，打开所述液体控制阀，并根据所述室外温度t_a调节所述压缩机转速，使所述冷凝器压力高于所述蒸发器压力，所述冷凝器内的液态制冷剂在重力和所述压缩机的压力下通过所述液体控制阀流至所述蒸发器内进行换热，并通过所述压缩机的压力回流至所述冷凝器中。

还包括：测量得到室外温度t_a和冷冻水温度t_w；

根据冷水机组设定第一控制温度a和第二控制温度b，并计算所述冷冻水温度t_w与所述第一控制温度a的第一差值t₁和所述冷冻水温度t_w和所述第二控制温度b的第二差值t₂；

当室外温度t_a大于所述第二差值时，关闭所述气体控制阀和所述液体控制阀，并根据所述室外温度t_a调节所述压缩机转速，所述冷凝器内的液态制冷剂在重力和所述压缩机的压力下通过所述节流装置流至所述蒸发器内进行换热，并通过所述压缩机的压力回流至所述冷凝器中。

所述压缩机的转速与所述室外温度t_a成正比。

本发明提供的三模式复合冷水机组及其控制方法，把气相驱动的动力热管巧妙的融入到重力热管和蒸气压缩复合技术中，构建了可连续调节的三模复合型冷水机组，这种机组不仅能充分利用自然冷源，具有良好的节能效果，而且可靠性高、初投资少、占地面积小，在大型机房冷却等方面具有良好的应用前景。

附图说明

图1是本发明提供的三模式复合冷水机组的结构示意图；

图2是本发明提供的三模式复合冷水机组的控制方法逻辑图；

图3是本发明提供的三模式复合冷水机组的压差、制冷量、输入功率与室外温度的变化关系图；

图4是本发明提供的三模式复合冷水机组在重力型分离式热管模式下的结构示意图；

图5是本发明提供的三模式复合冷水机组在重力型分离式热管模式下的压焓图；

图6是本发明提供的三模式复合冷水机组在气相驱动动力式热管模式下的结构示意图；

图7是本发明提供的三模式复合冷水机组在气相驱动动力式热管模式下的压焓图；

图8是本发明提供的三模式复合冷水机组在蒸气压缩制冷模式下的结构示意图；

图9是本发明提供的三模式复合冷水机组在蒸气压缩制冷模式下的压焓图。

图10是本发明提供的三模式复合冷水机组的喷淋装置、循环水泵和接水盘的结构示意图。

具体实施方式

下面通过具体的实施例并结合附图来详细说明本发明。

如图1所示的三模式复合冷水机组，包括依次串联形成制冷剂回路1的压缩机11、单向阀12、冷凝器13、干燥过滤器14、节流装置15和蒸发器16以及气体旁通支路2和液体旁通支路3，所述冷凝器13的水平高度高于所述蒸发器16的水平高度，所述气体旁通支路2上设置有气体控制阀21，且并联于所述压缩机11吸气口和所述单向阀12出口处，所述液体旁通支路3上设置有液体控制阀31，且并联于所述干燥过滤器14入口和所述节流装置15出口处。所述压缩机11为无油直流变频磁悬浮压缩机，且所述压缩机11配有液泵冷却系统。所述蒸发器16为满液式蒸发器或降膜式蒸发器。所述冷凝器13为风冷冷凝器或蒸发冷冷式冷凝器，以此构建可工作在重力型分离式热管、气相驱动动力式热管和蒸气压缩制冷三种模式下的逐级加压，可连续调节的复合型冷水机组。

如图10所示的还包括用于给所述冷凝器13降温的喷淋装置41、循环水泵42和接水盘43，所述喷淋装置41设置于所述冷凝器13上侧，所述接水盘43设置于所述冷凝器13下侧，所述循环水泵42与所述喷淋装置41和所述接水盘连通，降低冷凝器13表面温度(可低至空气相应湿球温度)，增大室外冷源可利用范围，也就延长了重力式热管和气相驱动动力式热管运行时间，缩短了蒸气压缩循环运行时间，将大幅节省运行能耗。另外，在高温季节，可以缓解离心式压缩机11压比过高的问题。

如图2至图9所示的一种三模式复合冷水机组的控制方法，包括：

其中，如图4和图5所示的重力型分离式热管模式：

测量得到室外温度t_a和冷冻水温度t_w；

根据冷水机组设定第一控制温度a和第二控制温度b，并计算所述冷冻水温度t_w与所述第一控制温度a的第一差值t₁和所述冷冻水温度t_w和所述第二控制温度b的第二差值t₂；

当室外温度t_a不大于第一差值t₁时，关闭所述压缩机11，打开所述气体控制阀21和所述液体控制阀31，所述冷凝器13内的液态制冷剂受重力影响通过所述液体控制阀31自流至所述蒸发器16内进行换热，在变成气态制冷剂后受温度和所述液体控制阀31处的压力通过所述气体控制阀21回流至所述冷凝器13中。

所述蒸发器16、所述气体旁通管、所述冷凝器13、所述液体旁通管构成一个分离式热管循环，制冷剂在所述冷凝器13中受室外温度影响和喷淋装置的冷却作用冷凝并向下流动，焓值降低，由于形成液柱，压力略有上升；在所述液体旁通管中向下流动，焓值基本不变，由于所述冷凝器13和所述蒸发器16之间具有高度差，制冷剂受重力影响向下自流至所述蒸发器16内，并且因为重力的原因，液柱下端的压力大于液柱上端的压力，因此会在所述蒸发器16入口处形成的静压，进而产生压差，这部分增大的压差也就是循环的驱动力，制冷剂在所述蒸发器16中吸热，由液态变成气态蒸发并向上流动，焓值增加，压力降低；制冷剂在气体旁通管中向上流动压力减低、焓值基本不变；这时蒸发器16中的压力略高于冷凝器13中的压力，压差是一个很小的数；从所述冷凝器13中流出的制冷剂一部分变成气态回流至所述冷凝器13中，另一部分留在所述蒸发器16处并受所述冷凝器13内再次流出的液态制冷剂形成的压差驱动回流至所述冷凝器13中；重力型热管的制冷量与温差基本成正比，因此随着室外温度的升高，制冷量Q降低，但在临界点处可以满足供冷需求；由于依靠重力进行循环，不需要消耗压缩功，因此输入功率E只包括风机功耗，且保持不变，这样可以充分的利用自然冷源，且满足供冷需求。

其中，如图6和图7所示的还包括的气相驱动动力式热管模式：

测量得到室外温度t_a和冷冻水温度t_w；

根据冷水机组设定第一控制温度a和第二控制温度b，并计算所述冷冻水温度t_w与所述第一控制温度a的第一差值t₁和所述冷冻水温度t_w和所述第二控制温度b的第二差值t₂；

当室外温度t_a处于第一差值t₁和第二差值t₂之间时，关闭所述气体控制阀21，打开所述液体控制阀31，并根据所述室外温度t_a调节所述压缩机11转速，使所述冷凝器13压力高于所述蒸发器16压力，所述冷凝器13内的液态制冷剂在重力和所述压缩机11的压力下通过所述液体控制阀31流至所述蒸发器16内进行换热，并通过所述压缩机11的压力回流至所述冷凝器13中。

其中压缩机11的压缩比一般不大于1.5。

所述蒸发器16、所述压缩机11、所述冷凝器13、所述液体旁通管构成一个动力式热管循环，制冷剂在所述冷凝器13内冷凝，因室外温度不能满足将所述冷凝器13内所有制冷剂冷却成液体，即无法产生足够的压差，因此所述压缩机11作为一个小压比增压装置为制冷剂增压，克服制冷剂在所述蒸发器16、所述冷凝器13、所述液体旁通管中的摩擦压降，提供制冷剂循环动力，液体旁通管中由于有静态液柱，所以压力略有上升。这时，冷凝器13压力略高于蒸发器16压力，且随着室外温度T升高，压缩机11转速相应增大，压差ΔP也相应增大，进而维持制冷量Q基本不变，满足供冷需求，随着压缩机11转速的增加，输入功率也相应增大，但始终低于蒸气压缩模式下的输入功率。也就是说，在重力热管不足以满足供冷需求，但室外冷源还可以利用时，通过输入少量的压缩功，驱动制冷剂加速循环，满足了供冷需求，这样不仅可以充分利用室外的冷源，且避免了压缩机11频繁启停，提高了机组安全可靠性。

其中，如图8和图9所示的还包括的蒸气压缩制冷模式：

测量得到室外温度t_a和冷冻水温度t_w；

根据冷水机组设定第一控制温度a和第二控制温度b，并计算所述冷冻水温度t_w与所述第一控制温度a的第一差值t₁和所述冷冻水温度t_w和所述第二控制温度b的第二差值t₂；

当室外温度t_a大于所述第二差值时，关闭所述气体控制阀21和所述液体控制阀31，并根据所述室外温度t_a调节所述压缩机11转速，所述冷凝器13内的液态制冷剂在重力和所述压缩机11的压力下通过所述节流装置15流至所述蒸发器16内进行换热，并通过所述压缩机11的压力回流至所述冷凝器13中。

该冷水机组直接利用所述压缩机11的压力进行工作，达到制冷目的。

所述压缩机11的转速与所述室外温度t_a成正比。

由以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种三模式复合冷水机组的控制方法，其特征在于：

所述三模式复合冷水机组，包括依次串联形成制冷剂回路的压缩机、单向阀、冷凝器、干燥过滤器、节流装置和蒸发器以及气体旁通支路和液体旁通支路，所述冷凝器的水平高度高于所述蒸发器的水平高度，所述气体旁通支路上设置有气体控制阀，且并联于所述压缩机吸气口和所述单向阀出口处，所述液体旁通支路上设置有液体控制阀，且并联于所述干燥过滤器入口和所述节流装置出口处；

所述控制方法，包括：

测量得到室外温度t_a和冷冻水温度t_w；

根据冷水机组设定第一控制温度a和第二控制温度b，并计算所述冷冻水温度t_w与所述第一控制温度a的第一差值t₁和所述冷冻水温度t_w和所述第二控制温度b的第二差值t₂；

当室外温度t_a不大于第一差值t₁时，关闭所述压缩机，打开所述气体控制阀和所述液体控制阀，所述冷凝器内的液态制冷剂受重力影响通过所述液体控制阀自流至所述蒸发器内进行换热，在变成气态制冷剂后受温度和所述液体控制阀处的压力通过所述气体控制阀回流至所述冷凝器中。

2.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于：还包括：

测量得到室外温度t_a和冷冻水温度t_w；

根据冷水机组设定第一控制温度a和第二控制温度b，并计算所述冷冻水温度t_w与所述第一控制温度a的第一差值t₁和所述冷冻水温度t_w和所述第二控制温度b的第二差值t₂；

当室外温度t_a处于第一差值t₁和第二差值t₂之间时，关闭所述气体控制阀，打开所述液体控制阀，并根据所述室外温度t_a调节所述压缩机转速，使所述冷凝器压力高于所述蒸发器压力，所述冷凝器内的液态制冷剂在重力和所述压缩机的压力下通过所述液体控制阀流至所述蒸发器内进行换热，并通过所述压缩机的压力回流至所述冷凝器中。

3.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于：还包括：

测量得到室外温度t_a和冷冻水温度t_w；

根据冷水机组设定第一控制温度a和第二控制温度b，并计算所述冷冻水温度t_w与所述第一控制温度a的第一差值t₁和所述冷冻水温度t_w和所述第二控制温度b的第二差值t₂；

当室外温度t_a大于所述第二差值t₂时，关闭所述气体控制阀和所述液体控制阀，并根据所述室外温度t_a调节所述压缩机转速，所述冷凝器内的液态制冷剂在重力和所述压缩机的压力下通过所述节流装置流至所述蒸发器内进行换热，并通过所述压缩机的压力回流至所述冷凝器中。

4.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于：所述压缩机的转速与所述室外温度t_a成正比。

5.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于：所述压缩机为无油直流变频磁悬浮压缩机，且所述压缩机配有液泵冷却系统。

6.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于：所述蒸发器为满液式蒸发器或降膜式蒸发器。

7.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于：所述冷凝器为风冷冷凝器或蒸发冷冷式冷凝器。

8.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于：所述三模式复合冷水机组，还包括用于给所述冷凝器降温的喷淋装置、循环水泵和接水盘，所述喷淋装置设置于所述冷凝器上侧，所述接水盘设置于所述冷凝器下侧，所述循环水泵与喷淋装置和所述接水盘连通。