CN105627533B - 重构型冗余空调 - Google Patents

Abstract

本发明属于空调换热系统技术领域，具体涉及一种热备用的重构型冗余空调；具体技术方案为：重构型冗余空调，包括可靠性部件系统和不可靠部件系统，可靠性部件系统与不可靠部件系统相互配合组成空调换热系统，不可靠部件系统还备份有冗余部件系统，不可靠部件系统中的部件、冗余部件系统中的部件均可与可靠性部件系统中的部件组成空调换热系统，通过不可靠部件系统中的部件与冗余部件系统中的部件进行重构，利用控制系统将各套空调系统组成构件再次融合，从而重新构建出一套完整的制冷系统，控制系统可对所有组成设备进行运行状态实时监控，同时各设备间依照工作模式进行控制线路与相应制冷管路的交叉连接，利用现有设备提高了系统整体可靠性。

Description

重构型冗余空调

技术领域

本发明属于空调换热系统技术领域，具体涉及一种热备用的重构型冗余空调。

背景技术

空调顾名思义就是空气调节器，现已广泛应用于人们的日常生活当中，随着空调使用越来越广泛，地点及作用的特殊化，人们对于空调的要求也越来越苛刻，对空调的依赖程度也越来越高，为了保证室内空气温湿度受控，人们已经在使用冗余型空调。

冗余型空调即是将空调工作系统及设备重复配置，当系统发生故障时,冗余配置的部件介入并承担故障部件的工作,由此减少系统的故障时间。根据空调设计初期采用的冗余形式进行手动或自动切换。具体工作方式大同小异本文不再赘述。

冗余空调系统整体采用热备模式，参见说明书附图1，在正常工作中，制冷系统一与制冷系统二互为备份机组，通过控制系统程序控制进行交替工作，以保证设备使用寿命。假设当空调系统一出现设备故障时，可由控制系统实现自主切机，由空调系统二接替工作，以保证空调系统功能实现，反之亦然，即实现冗余功能。当空调系统一故障，但在切机后，空调系统二也存在设备故障，那么在无重构功能的系统支持下，空调整体将出现停机。

发明内容

为解决现有技术存在的技术问题，本发明提供了一种全新的重构型冗余空调，本系统利用控制系统将各套空调系统组成构件再次融合，从而重新构建出一套完整的制冷系统，控制系统可对所有组成设备进行运行状态实时监控，同时，各设备间依照工作模式进行控制线路与相应制冷管路的交叉连接。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案为：重构型冗余空调，包括可靠性部件系统和不可靠部件系统，可靠性部件系统与不可靠部件系统相互配合组成空调换热系统，不可靠部件系统还备份有冗余部件系统，不可靠部件系统中的部件、冗余部件系统中的部件交叉重构后均可与可靠性部件系统组成空调换热系统。通过不可靠部件系统中的部件与冗余部件系统中的部件进行重构，利用控制系统将各套空调系统组成构件再次融合，从而重新构建出一套完整的制冷系统，要求控制系统可对所有组成设备进行运行状态实时监控，同时各设备间依照工作模式进行利用控制线路与相应制冷管路的交叉连接。

可靠性部件为不经常更换部件或非易损部件，在水冷系统中，可靠性部件系统包括水箱、钎焊板式换热器、风冷翅片式换热器和卧式储液器。不可靠部件为经常需要更换的部件或易损部件，不可靠性部件系统包括主循环泵、主气液分离器、主压缩机、主直流无刷电机、主干燥过滤器和主电子膨胀阀，用于备份不可靠性部件的冗余部件系统包括从循环泵、从气液分离器、从压缩机、从直流无刷电机、从干燥过滤器和从电子膨胀阀。

水箱内的水通过主循环泵与钎焊板式换热器进行热交换，钎焊板式换热器与主气液分离器、主压缩机、风冷翅片式换热器、卧式储液器、主干燥过滤器、主电子膨胀阀构成闭环换热系统。水箱内的水通过钎焊板式换热器与闭环换热系统进行换热，这个闭环换热系统为现有的水冷换热系统，这里不再赘述。

从循环泵并联在主循环泵上，从循环泵和主循环泵均能将水箱内的水抽出，且通过控制系统来切换从循环泵或主循环泵为整个系统供水。

从气液分离器并联在主气液分离器上，从压缩机并联在主压缩机上，通过控制系统来实现不同的构件组合，共有四种组合：一、主气液分离器与从压缩机的组合；二、主气液分离器与主压缩机的组合；三、从气液分离器与主压缩机的组合；四、从气液分离器与从压缩机的组合，通过控制系统来切换不同的组合，四种组合均能满足闭环换热系统的工作需求。

从直流无刷电机并联在主直流无刷电机上，主直流无刷电机和从直流无刷电机上均装有对风冷翅片式换热器进行散热的轴流风机，通过控制系统来切换主直流无刷电机带动其上安装的轴流风机为风冷翅片式换热器散热，或从直流无刷电机带动其上安装的轴流风机为风冷翅片式换热器散热。

从干燥过滤器并联在主干燥过滤器上，从电子膨胀阀并联在主电子膨胀阀上，通过控制系统来实现不同的构件组合，共有四种组合：一、主干燥过滤器与从电子膨胀阀的组合；二、主干燥过滤器与主电子膨胀阀的组合；三、从干燥过滤器与主电子膨胀阀的组合；从干燥过滤器与从电子膨胀阀的组合，通过控制系统来切换不同的组合，四种组合均能满足闭环换热系统的工作需求。

卧式储液器上连通有充氟嘴，通过充氟嘴可对卧式储液器进行充氟。

钎焊板式换热器的进水端布置有监测水箱出水温度的出水温度传感器，钎焊板式换热器的出水端布置有监测水箱进水温度的进水温度传感器，通过监测进出水的温度来监测换热效率。

钎焊板式换热器置于闭环系统的一端布置有制冷蒸发器出口温度传感器，钎焊板式换热器置于闭环系统的另一端布置有制热蒸发器出口温度传感器，制冷蒸发器出口温度传感器和制热蒸发器出口温度传感器可用来监测闭环换热系统在钎焊板式换热器处的换热效率。

主气液分离器与主压缩机的进气端之间布置有吸气压力传感器和吸气温度传感器，主气液分离器与从压缩机的进气端之间布置有吸气压力传感器和吸气温度传感器，从气液分离器与主压缩机的进气端之间布置有吸气压力传感器和吸气温度传感器，从气液分离器与从压缩机的进气端之间布置有吸气压力传感器和吸气温度传感器，每个组合的支路上均装有吸气压力传感器和吸气温度传感器，不论控制系统切换到那个支路上，均能实现对整个闭环换热系统的吸气压力和吸气温度的控制。

主压缩机的排气端、从压缩机的排气端与风冷翅片式换热器之间布置有排气压力传感器和排气温度传感器，排气压力传感器与排气温度传感器能够监测排气压力和排气温度，实现对整个闭环换热系统的控制。

本发明相对于现有技术具有以下有益效果：

一、设计时，依照可靠性高低进行设备冗余配置，降低了制造成本。

二、系统运行时，各备份部件均采用热备模式，系统切机时间短。

三、当主备制冷系统均出现一台或多台设备故障时，只要不是相同设备同时损坏，控制系统即可重新构建一套新制冷分系统，从而利用现有设备提高了系统整体可靠性，提高了系统整体正常运行时间。

四、该套设计思路可应用于各型水冷、风冷或双冷源空调，保障设备可靠工作，延长维护周期。

附图说明

图1为现有冗余空调系统在无重构型功能支持下的系统控制图。

图2为本发明的设备构成图。

图中，1为钎焊板式换热器，2为风冷翅片式换热器，3为卧式储液器，4为主循环泵，5为主气液分离器，6为主压缩机，7为主直流无刷电机，8为主干燥过滤器，9为主电子膨胀阀，10为从循环泵，11为从气液分离器，12为从压缩机，13为从直流无刷电机，14为从干燥过滤器，15为从电子膨胀阀，16为轴流风机，17为充氟嘴，18为出水温度传感器，19为进水温度传感器，20为制冷蒸发器出口温度传感器，21为制热蒸发器出口温度传感器，22吸气压力传感器，23为吸气温度传感器，24为排气压力传感器，25为排气温度传感器。

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

下面先解释一下冗余的概念：

冗余其实是一个很宽泛的技术概念，而不是大家理解中的技术方法，冗余原始概念是重复配置系统的一些部件,当系统发生故障时,冗余配置的部件介入并承担故障部件的工作,由此减少系统的故障时间。冗余按类型分为主动和被动形式，所谓主动和被动主要是主从切换的能动性上来分析，主动冗余是可以主动切换，就是可以随时自行切换；被动冗余是指当正在运行的组件坏掉或者不正常的时候才会切换到备用组件，其中也包括用户手动或者用户程序切换方式，按照功能来分又分成热备份（Hot standby）、温备份（Warmstandby）和冷备份（Coldstandby）。

冷备份的概念：

冷备份，其实说白了就是backup，他是通过备份所有正常运行的组件放在一旁或者仓库里，等运行的组件坏了以后更换新的组件来完成系统的正常运行，这个冗余时间和更换时间息息相关。这种冷备用方式很少去关注响应时间，并且需要运维人员干预操作。举个例子，一套PLC运行系统，在做备件时做了完全的配置备件，当PLC在运行时因为夜晚雷电发现有一块AI卡件烧毁了，运维人员马上把系统断电，然后更换卡件，在上电运行，这就是一个完整的coldstandby的过程，至于其中耽误的时间，只能视运维人员的对系统的熟练程度而定并且必须被动接受。

温备用的概念：

温备用，是两套完全一样的配置组件，一个正常运行被视为主，另一个带机并不运行备用被视为从，每隔一段时间，主从的内容相互交换一次，当运行组件出现故障，备用组件才会运行承担工作。举个例子，西门子的300软冗余系统，两台微处理器的冗余方式就是温备，主处理器控制系统的输入和输出（I/O），而备用处理器上电和主处理器停止控制过程中的等待时间。当发生这种情况，备用处理器承担的I/O控制，并采取指定的主处理器，处理器允许脱机成为次要处理器，并可以在不牺牲过程控制维护。

在正常操作中，主处理器提供定期更新的备用处理器。这些更新通常发生在每个程序扫描结束，并可能在任何时间只涉及了部分数据。因此，当转换发生时，备用处理器可以工作过的数据不完整，因为它可能会采取一些备用处理器程序扫描追上来这里的主要是前转换，这可能有助于在转换过程中颠簸。

热备用的概念：

热备用，是两套完全一样的组件，全部都是上电并运行的状态，两个组件同时进行数据采集、数据处理和计算，只是主组件担任输出控制任务，两个组件实时交互，当主从切换的时候必须完成无扰动切换。而且热备组件系统是随时切换同时检测组件状态并报告。

热备系统即使在一瞬间也不能让系统当机，当主从切换的时候，需要完成系统通讯消息和数据更新以及堆栈的同步，从而苛刻实现程序执行的速度和堆栈段内容都是一致的，为了确保热备系统的操作正确性，全部数据需要实时主从交互，其交互方法有两种，第一种就是常规的扫描和传输方法，这种技术早期被施耐德的PLC广泛使用，首先先是在程序扫描结束后传输所改变的内容，首先程序扫描时间是程序执行和传输的时间组合，这也就是PLC的执行周期为什么有时间周期定义之说了，这样就不是每次把PLC内全部程序进行交互，减少同步任务复合，但当从PLC内没有程序的时候，主PLC会把全部内容同步过去，但这个过程只是上电或者首次运行时候做一次比较。这种热备方式是一种经典和准确的热备方法，并且这种方法延续至今。

第二种方法就是异步传输方法，在异步传输，主系统中在其电路有两个独立的微处理器。第一个微处理器执行程序。在执行结束，所有数据被传递给第二个微处理器。这第二个微处理器处理所有的传输任务，而第一个微处理器执行下一个程序扫描。因此，一个微处理器是执行，而另一种是传输到备用处理器的数据。由于这种从主处理器辅助处理器的数据传输是异步的程序扫描，它随时的数据传输，而不会影响程序执行和系统负荷。这种热备异步传输的方式是AB的Contrologix一项技术，他的冗余配置中主从系统各有三个CPU，第一个就是执行程序的CPU，第二个就是起到数据总线的背板CPU，第三个就是同步模块RM的CPU，所以他的任务被分配在多个CPU当中。

如图2所示，重构型冗余空调，包括可靠性部件系统和不可靠部件系统，可靠性部件系统与不可靠部件系统相互配合组成空调换热系统，不可靠部件系统还备份有冗余部件系统，不可靠部件系统中的部件、冗余部件系统中的部件均可与可靠性部件系统组成空调换热系统。通过不可靠部件系统中的部件与冗余部件系统中的部件进行重构，利用控制系统将各套空调系统组成构件再次融合，从而重新构建出一套完整的制冷系统，要求控制系统可对所有组成设备进行运行状态实时监控，同时各设备间依照工作模式进行控制线路与相应制冷管路的交叉连接。

可靠性部件为不经常更换部件或非易损部件，在水冷系统中，可靠性部件系统包括水箱、钎焊板式换热器1、风冷翅片式换热器2和卧式储液器3。不可靠部件为经常需要更换的部件或易损部件，不可靠性部件系统包括主循环泵4、主气液分离器5、主压缩机6、主直流无刷电机7、主干燥过滤器8和主电子膨胀阀9，用于备份不可靠性部件的冗余部件系统包括从循环泵10、从气液分离器11、从压缩机12、从直流无刷电机13、从干燥过滤器14和从电子膨胀阀15。

水箱内的水通过主循环泵4与钎焊板式换热器1进行热交换，钎焊板式换热器1与主气液分离器5、主压缩机6、风冷翅片式换热器2、卧式储液器3、主干燥过滤器8、主电子膨胀阀9构成闭环换热系统。水箱内的水通过钎焊板式换热器1与闭环换热系统进行换热，这个闭环换热系统为现有的水冷换热系统，这里不再赘述。

从循环泵10并联在主循环泵4上，从循环泵10和主循环泵4均能将水箱内的水抽出，且通过控制系统来切换从循环泵10或主循环泵4为整个系统供水。

从气液分离器11并联在主气液分离器5上，从压缩机12并联在主压缩机6上，通过控制系统来实现不同的构件组合，共有四种组合：一、主气液分离器5与从压缩机12的组合；二、主气液分离器5与主压缩机6的组合；三、从气液分离器11与主压缩机6的组合；四、从气液分离器11与从压缩机12的组合，通过控制系统来切换不同的组合，四种组合均能满足闭环换热系统的工作需求。

从直流无刷电机13并联在主直流无刷电机7上，主直流无刷电机7和从直流无刷电机13上均装有对风冷翅片式换热器2进行散热的轴流风机16，通过控制系统来切换主直流无刷电机7带动其上安装的轴流风机16为风冷翅片式换热器2散热，或从直流无刷电机13带动其上安装的轴流风机16为风冷翅片式换热器2散热。

从干燥过滤器14并联在主干燥过滤器8上，从电子膨胀阀15并联在主电子膨胀阀9上，通过控制系统来实现不同的构件组合，共有四种组合：一、主干燥过滤器8与从电子膨胀阀15的组合；二、主干燥过滤器8与主电子膨胀阀9的组合；三、从干燥过滤器14与主电子膨胀阀9的组合；从干燥过滤器14与从电子膨胀阀15的组合，通过控制系统来切换不同的组合，四种组合均能满足闭环换热系统的工作需求。

卧式储液器3上连通有充氟嘴17，通过充氟嘴17可对卧式储液器3进行充氟。

钎焊板式换热器1的进水端布置有监测水箱出水温度的出水温度传感器18，钎焊板式换热器1的出水端布置有监测水箱进水温度的进水温度传感器19，通过监测进出水的温度来监测换热效率。

钎焊板式换热器1置于闭环系统的一端布置有制冷蒸发器出口温度传感器20，钎焊板式换热器1置于闭环系统的另一端布置有制热蒸发器出口温度传感器21，制冷蒸发器出口温度传感器20和制热蒸发器出口温度传感器21可用来监测闭环换热系统在钎焊板式换热器1处的换热效率。

主气液分离器5与主压缩机6的进气端之间布置有吸气压力传感器22和吸气温度传感器23，主气液分离器5与从压缩机12的进气端之间布置有吸气压力传感器22和吸气温度传感器23，从气液分离器11与主压缩机6的进气端之间布置有吸气压力传感器22和吸气温度传感器23，从气液分离器11与从压缩机12的进气端之间布置有吸气压力传感器22和吸气温度传感器23，每个组合的支路上均装有吸气压力传感器22和吸气温度传感器23，不论控制系统切换到那个支路上，均能实现对整个闭环换热系统的吸气压力和吸气温度的控制。

主压缩机6的排气端、从压缩机12的排气端与风冷翅片式换热器2之间布置有排气压力传感器24和排气温度传感器25，排气压力传感器24与排气温度传感器25能够监测排气压力和排气温度，实现对整个闭环换热系统的控制。

重构型冗余空调其工作原理与空调工作原理一致，但其组成与普通冗余空调不同，重构型冗余空调设计提升空调系统的整体无故障运行时间。

普通冗余空调采用两套完整工作系统，各自独立，两套控制系统之间或有通讯，当主系统故障时通过人工或程序控制实现系统切换，实现主备模式。

重构型冗余空调在内部零部件构成中，根据零部件可靠性高低进行冗余备份，以液冷空调主机为例，非冗余液冷主机由水箱、水泵、压缩机、冷凝风机、冷凝器等组成，在重构型冗余配置中，对压缩机、水泵等关键部件进行冗余备份，而冷凝器、水箱属于高可靠部件，在冗余备份中采用设备共享模式。

重构是利用控制系统将各套空调系统组成构件再次融合，从而重新构建出一套完整的制冷系统，这要求控制系统可对所有组成设备进行运行状态实时监控，同时各设备间依照工作模式进行利用控制线路与相应制冷管路的交叉连接。

假设重构冗余型空调制冷系统一中水泵出现设备故障，控制系统可根据设定进行下步操作，如系统二无故障可启动制冷系统二，如系统二内部设备有故障，则对系统二故障设备进行判定，如不是水泵，将系统二内的水泵重新融入系统一中，重新进行系统构建，从而形成第三套制冷系统，如二套系统中，水泵故障，则做出停机处理。

图2是以液冷制冷主机为设计基础带重构功能的制冷主机设备逻辑图，整套系统中，对循环泵、电子膨胀阀、干燥过滤器、轴流风机16、直流无刷电机、压缩机及气液分离器做了热备份，交叉链路上均设置相应传感器及控制阀，控制系统对所有设备进行实时监控，所有设备均处于通电状态，相同设备互为备份，正常工作时，启动运行的部件为主部件，若干时间后（系统设置或人工设置），主部件停止运行，备用部件投入运行。当制冷系统中有零件（循环泵、电子膨胀阀、干燥过滤器、轴流风机16、直流无刷电机、压缩机及气液分离器）出现故障时，处于热备份的部件可及时投入运行，控制系统将根据需要将相关链路上的阀体进行打开和关闭。

该套制冷系统中，当控制系统能力足够，制冷分系统非共用设备可在理论上可无限扩充，作为备份设备，以保证设备高可靠有效运行。

另外，根据可靠性的需求，可以配置多套冗余部件系统来对应设计。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包在本发明范围内。

Claims (7)

1.重构型冗余空调，包括可靠性部件系统和不可靠部件系统，可靠性部件系统与不可靠部件系统相互配合组成空调换热系统，其特征在于，所述不可靠部件系统还备份有冗余部件系统，不可靠部件系统中的部件与冗余部件系统中的部件经过交叉组合后均可与可靠性部件系统中的部件组成空调换热系统；

所述可靠性部件系统包括水箱、钎焊板式换热器（1）、风冷翅片式换热器（2）和卧式储液器（3），所述不可靠性部件系统包括主循环泵（4）、主气液分离器（5）、主压缩机（6）、主直流无刷电机（7）、主干燥过滤器（8）和主电子膨胀阀（9）。

2.根据权利要求1所述的重构型冗余空调，其特征在于：冗余部件系统包括从循环泵（10）、从气液分离器（11）、从压缩机（12）、从直流无刷电机（13）、从干燥过滤器（14）和从电子膨胀阀（15）；

所述水箱内的水通过主循环泵（4）与钎焊板式换热器（1）进行热交换，钎焊板式换热器（1）与主气液分离器（5）、主压缩机（6）、风冷翅片式换热器（2）、卧式储液器（3）、主干燥过滤器（8）、主电子膨胀阀（9）构成闭环换热系统；

从循环泵（10）并联在主循环泵（4）上；

从气液分离器（11）并联在主气液分离器（5）上；

从压缩机（12）并联在主压缩机（6）上；

从直流无刷电机（13）并联在主直流无刷电机（7）上，主直流无刷电机（7）和从直流无刷电机（13）上均装有对风冷翅片式换热器（2）进行散热的轴流风机（16）；

从干燥过滤器（14）并联在主干燥过滤器（8）上；

从电子膨胀阀（15）并联在主电子膨胀阀（9）上。

3.根据权利要求2所述的重构型冗余空调，其特征在于，所述卧式储液器（3）上连通有充氟嘴（17）。

4.根据权利要求3所述的重构型冗余空调，其特征在于，所述钎焊板式换热器（1）的进水端布置有监测水箱出水温度的出水温度传感器（18），钎焊板式换热器（1）的出水端布置有监测水箱进水温度的进水温度传感器（19）。

5.根据权利要求4所述的重构型冗余空调，其特征在于，所述钎焊板式换热器（1）置于闭环系统的一端布置有制冷蒸发器出口温度传感器（20），所述钎焊板式换热器（1）置于闭环系统的另一端布置有制热蒸发器出口温度传感器（21）。

6.根据权利要求5所述的重构型冗余空调，其特征在于，所述主气液分离器（5）与主压缩机（6）的进气端之间布置有吸气压力传感器（22）和吸气温度传感器（23），所述主气液分离器（5）与从压缩机（12）的进气端之间布置有吸气压力传感器（22）和吸气温度传感器（23），所述从气液分离器（11）与主压缩机（6）的进气端之间布置有吸气压力传感器（22）和吸气温度传感器（23），所述从气液分离器（11）与从压缩机（12）的进气端之间布置有吸气压力传感器（22）和吸气温度传感器（23）。

7.根据权利要求6所述的重构型冗余空调，其特征在于，所述主压缩机（6）的排气端与从压缩机（12）的排气端合并，合并端与风冷翅片式换热器（2）之间布置有排气压力传感器（24）和排气温度传感器（25）。