CN106016534B - 一种具有自然冷却功能的复合型空调系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有自然冷却功能的复合型空调系统，其特征是系统组成包括：压缩机模块、由换热器组件和冷却风机构成的风冷换热模块、多功能储液器、液泵、空气处理模块及各控制阀，通过操作控制阀改变制冷工质的流动路径实现如下三种不同的工作模式：压缩制冷工作模式、压缩制冷与自然冷却协同运行的复合制冷工作模式，以及自然冷却工作模式。本发明利用模糊控制进行制冷量的调节，在低温或过渡季节应用自然冷却替代压缩制冷，高效利用自然冷源，尤其适用于数据中心、高性能计算机、通讯基站和电力电子设备的工作环境控制，大幅降低空调系统的能耗和运行成本。

Description

一种具有自然冷却功能的复合型空调系统
技术领域
本发明涉及制冷空调技术领域，具体涉及一种具有自然冷却功能的复合型空调系统。
背景技术
信息产业和数字化建设的快速发展，推动了数据机房、通讯基站的数量，建设规模快速增长，据统计机房、基站空调的能耗占其总能耗的35％～50％。机房、基站的显热负荷比大，为保持适宜的工作环境温度，一年四季需运行空调，在室内侧设定温度高于室外环境温度的季节，尤其在低温季节或寒冷地区，常规的数据中心和通讯基站空调系统仍需继续运行制冷压缩机，制冷系统能源效率低而且易发生故障，若能利用室内外温差低成本排放热量或为室内侧提供冷量，将大大减小空调系统的能耗和运行成本。
利用室外低温空气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技术研究与应用，如目前采用的新风系统，此外还有不同形式的气-气、气-水热交换系统，以及应用热管技术的复合型空调。
中国实用新型专利ZL200720019537.8中公开了一种机房辅助节能制冷装置，当室外空气温度较低时，空调停止工作，直接将室外低温空气送至室内用于电子柜等设备降温，利用自然冷源，减少空调能耗。但直接利用室外低温空气用于电子冷却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，可能对电子设备造成损害。
中国实用新型专利ZL201020114596.X中公开了一种用于通信基站的自然冷能热交换装置，包括空气换热器、室内风机、室外风机及其箱体。当室外温度较低时，将室外低温空气引入，与室内空气进行热交换，间接利用自然冷源降低基站内空气温度，减少基站能耗。此种气-气热交换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。当室外温度高于设定温度Ta时，制冷模式工作，参与制冷循环的第一制冷工质在蒸发冷凝器中蒸发吸热，用于冷却和冷凝第二制冷工质；当室外温度低于Ta时，系统转换为热管循环制冷模式，利用室外低温空气对第二制冷工质进行冷却和冷凝，压缩式制冷循环停止工作，从而有效减少全年空调能耗。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，为了确保热管系统具有足够的制冷量，必须降低转换工况的设定温度Ta，以致部分过渡季节的自然冷源并不能得到利用；对于执行GB/T 19413-2010的空调系统，由于室内侧设定温度为24℃，压缩制冷转换到热管循环制冷的室外环境温度必定很低，自然冷源的利用率低。
中国实用新型专利ZL01278831.7公开了一种带循环泵的节能型制冷循环装置，在热管循环系统中使用循环泵有利于提高热管循环的工作效率，也消除了热管系统安装时对冷凝器与蒸发器相对位差的要求，但其在利用自然冷源方面的不足与CN201010528027.X专利相类似，就是说，热管循环工作的上限温度必须较低才能与压缩制冷循环平稳衔接。
中国发明专利ZL201210037082.8公开了一种机房用热管空调系统及其控制方法，该发明通过冷凝蒸发器将分离式热管模块和压缩制冷模块耦合，具有压缩制冷、复合制冷和热管制冷三种工作模式，在冷凝蒸发器内完成二次换热，通过二次冷媒向用冷侧输送冷量，其缺点：一是二次换热存在较大的不可逆传热损失；二是需要增加一个冷凝蒸发器，如壳管式换热器、或数个板式换热器；三是需要二次冷媒。这不仅降低了能效、提高了制造成本，而且也给机组的结构布置和制造工艺添加了难度。
大数据、云计算等信息化技术发展的推动，大型数据机房面积已发展到数千～数十万平方米，单位面积热流密度成倍增长，产生了对更大功率的空调系统及其更灵活的组合和控制方式的需要。
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，提供一种具有自然冷却功能的复合型空调系统，以期避免机房空调系统在低温季节仍需要运行压缩制冷所产生的高能耗及可靠性等不足，提高数据中心空调系统的能效，满足各类数据机房的空调需求，并解决空调系统的制冷量调节和能量控制等问题，高效利用自然冷源，实现复合型空调产品规模化、高效率生产和应用。
本发明为解决技术问题采用如下技术方案：
本发明具有自然冷却功能的复合型空调系统的结构特点是：所述空调系统的组成包括：压缩机模块、由换热器组件和冷却风机构成的风冷换热模块、储液器、液泵、空气处理模块以及各控制阀，通过操作控制阀改变制冷工质的流动路径实现如下三种不同的工作模式：压缩制冷工作模式、压缩制冷与自然冷却协同运行的复合制冷工作模式，以及自然冷却工作模式；
所述压缩机模块的出口分为两路，其中第一路直接连通换热器组件中的第一风冷换热片的入口端，第二路是通过第一电磁阀与换热器组件中的第二风冷换热片的入口端连接；
所述第一风冷换热片的出口端通过第一电子膨胀阀连通集管，在所述第一电子膨胀阀的两端并联连接第二电磁阀；所述第二风冷换热片的出口端通过第二电子膨胀阀连通集管，在所述第二电子膨胀阀的两端并联连接第三电磁阀；
所述集管连接到储液器的第一进口，储液器中的“U”形管的外接端口连接至压缩机模块的吸气端，储液器的供液口通过供液总管连通至空气处理模块的入口端，所述液泵设置在所述供液总管上；连通在空气处理模块的出口端的回流总管一路经第四电磁阀连通储液器的第二进口，另一路经第五电磁阀连接至第二风冷换热片的入口端。
本发明具有自然冷却功能的复合型空调系统的结构特点也在于：所述压缩机模块中的压缩机为一台或为两台并联组合；
针对压缩机采用的类型为需要润滑油进行润滑的涡旋式、螺杆式或离心式压缩机的压缩机模块，在所述压缩机的出口管路中依次串联油分离器和单向阀，所述油分离器设有连通压缩机的回油通道，在所述回油通道中设置降压毛细管；在所述储液器中，位于“U”形管的下部“U”形弯头的侧壁上设置有吸油孔，所述吸油孔的数量和直径根据压缩机排量和类型来确定；
针对压缩机采用的类型为磁悬浮式无润滑油压缩机的压缩机模块，在所述压缩机的出口管路中设置单向阀。
本发明具有自然冷却功能的复合型空调系统的结构特点也在于：所述第一风冷换热片和第二风冷换热片为同类型的换热器，包括管片式或平行流式换热器；迎着风向布置的换热器组件是由第一风冷换热片和第二风冷换热片平行且并列构成，其中，第一风冷换热片位于出风侧，第二风冷换热片位于进风侧；在所述风冷换热模块中，两组呈左右对称布置的换热器组件在出风侧布置一台共用的冷却风机，所述冷却风机为直流变频风机，或为具有高速档、中速档、低速档以及停止档的有级调速风机。
本发明具有自然冷却功能的复合型空调系统的结构特点也在于：所述空气处理模块是由蒸发器、蒸发风机和流量控制阀构成，各空气处理模块中的蒸发器的进口连接供液总管，各空气处理模块的蒸发器的出口连接至回流总管；所述流量控制阀设置在所述蒸发器的入口端，所述流量控制阀的感温元件安装在所述蒸发器的出口端的管壁上；所述流量控制阀为比例调节阀，利用感温元件将蒸发器出口的冷媒温度信号转换为压力信号，并通过毛细管传递压力信号调节流量控制阀的开度，从而控制蒸发器的供液量。
本发明具有自然冷却功能的复合型空调系统的结构特点也在于：所述制冷工质为HFC、HCFC类或其它环保类制冷剂。
本发明具有自然冷却功能的复合型空调系统的控制方法是：
所述压缩制冷工作模式是：空调系统的制冷量全部由运行压缩机模块进行压缩制冷所提供，通过执行压缩机模块的加载或减载实现制冷量调节；
所述自然冷却的工作模式是：压缩机模块停止运行，空调系统的制冷量全部由运行自然冷却所提供，通过执行冷却风机的转速的加载或减载实现制冷量调节；
所述复合制冷工作模式是：优先以自然冷却的工作模式进行运行，不足冷量由压缩机模块的压缩制冷进行补充，通过执行压缩机模块的加载或减载实现制冷量的调节；在空调热负荷低于自然冷却所提供的冷量时，压缩机模块停止运行，并切换为通过执行冷却风机的转速的加载或减载实现制冷量调节。
本发明具有自然冷却功能的复合型空调系统的控制方法的也在于：
设置所述压缩制冷工作模式的循环回路为：第四电磁阀和第一电磁阀均为导通，第五电磁阀、第二电磁阀以及第三电磁阀均关闭，储液器中的液体工质由液泵提供动力从供液口输出，通过供液总管进入空气处理模块，在空气处理模块中输出的吸热工质经回流总管和第四电磁阀返回储液器，储液器的上部气态工质通过“U”形管进入压缩机模块，压缩机模块中排出的高压高温气态工质由第一电磁阀分流在第一风冷换热片和第二风冷换热片中放热冷凝为高压液态工质，所述高压液态工质分别经过第一电子膨胀阀和第二电子膨胀阀节流降压成为低压低温液体，并通过集管返回储液器；
设置所述自然冷却工作模式的循环回路为：第五电磁阀、第一电磁阀、第二电磁阀和第三电磁阀均为导通，第四电磁阀为关闭，储液器内的液体工质由液泵提供动力从供液口输出，通过供液总管进入空气处理模块，在空气处理模块中输出的吸热工质由回流总管经第五电磁阀，随后由第一电磁阀分流，在第一风冷换热片和第二风冷换热片中放热冷凝为液态工质，所述液态工质分别通过第二电磁阀和第三电磁阀进入集管并返回储液器。
设置所述复合制冷工作模式的循环回路为：第五电磁阀和第三电磁阀导通，第四电磁阀、第一电磁阀和第二电磁阀均关闭，储液器内的液体工质由液泵提供动力从供液口输出，通过供液总管进入空气处理模块，在空气处理模块中输出的吸热的工质经回流总管和第五电磁阀进入第二风冷换热片，在所述第二风冷换热片中放热后的工质经第三电磁阀，并通过集管返回储液器；同时，储液器上部的气态工质通过“U”形管进入压缩机模块，压缩机模块中排出的高压高温气态工质进入第一风冷换热片，并经第一风冷换热片放热冷凝为高压液态工质，所述高压液态工质经过第一电子膨胀阀节流降压成为低压低温液体，并通过集管返回储液器。
本发明具有自然冷却功能的复合型空调系统的控制方法的也在于：所述三种不同的工作模式按如下原则设定：
在Ta≥A2的工况下，运行为压缩制冷工作模式；
在A2＞Ta＞A1的工况下，运行为复合制冷工作模式；
在Ta≤A1的工况下，运行为自然冷却工作模式；
其中：Ta为室外环境温度测量值，A1、A2均为设定温度，且A2＞A1。
本发明对于空调系统中制冷量Q0采用模糊控制规则进行调节，所述模糊控制规则是以储液器内制冷工质的温度为目标参数，执行压缩机模块的加载或减载，在全部制冷压缩机停机时执行冷却风机的转速的加载、或减载，从而调节空调系统的制冷量Q0，精确控制储液器内制冷工质的温度；
令：TR为储液器内制冷工质的设定温度；
T为实时检测获得的储液器内制冷工质的测量温度；
则有：温度偏差ΔT为：ΔT＝(T-TR)；
设定：温度偏差ΔT为五个等级，按测量温度T从大到小依次为：正大、正中、零、负中、负大；
设定：所述测量温度T的变化率dΔT/dt按温度偏差ΔT从大到小依次为：正大、正中、零、负中、负大；
通过控制压缩机模块或风机的加载或减载实现空调系统的制冷量Q0的调节，设定调节量U按从大到小依次为：正大、正中、零、负中、负大；
建立模糊规则，通过测量ΔT、计算dΔT/dt，经模糊化计算，并把模糊化计算结果转化为精确量，控制压缩机模块或风机执行加载或减载，精确控制储液器内制冷工质的温度。
与已有技术相比，本发明有益效果体现在：
1、本发明集成应用了蒸气压缩式制冷和自然冷却技术，根据室外环境温度和空调热负荷状况切换冷媒流动回路、调节空调系统制冷量，实现压缩制冷、压缩制冷与自然冷却协同运行的复合制冷、自然冷却三种不同的工作模式。复合制冷的应用拓宽了自然冷却的工作温区，避免了室内外温差较小时由于自然冷却的产冷量不足而必须单一运行压缩制冷，自然冷却的工作温区与机房内的温度设定及用户所在地的气候条件相关，约占年度总时间的1/3～4/5，自然冷却技术的开发和应用对推动数据中心等全天候空调系统的节能减排有重要的意义。
2、本发明在压缩制冷工况和复合制冷工况，将压缩制冷系统中经过节流降压降温的制冷工质直接注入储液器内，与储液器内制冷工质进行混合和传热，应用模糊控制技术调节空调系统的制冷量，精确控制储液器内制冷工质的热工参数稳定在设定值。与已有技术中的发明专利ZL201210037082.8相比，本发明不存在二次换热损失，并省略了用于二次换热的蒸发冷凝器，提高了系统的热效率和可靠性的同时降低了制造成本。
3、本发明系统中风冷换热模块由两组换热器组件和一个共用冷却风机构成，每组换热器组件由两片风冷换热片构成，处在进风侧的风冷换热片在压缩制冷工况下作为压缩制冷系统的冷凝器，在复合制冷和自然冷却工况作为自然冷却的风冷换热器件；处在出风侧的风冷换热片在压缩制冷和复合工况下作为压缩制冷系统的冷凝器，仅在自然冷却工况作为自然冷却的风冷换热器件。在压缩制冷工作模式时，两片风冷换热片都作为冷凝器，换热面积大；在复合制冷工作模式下，两片风冷换热片分别作为自然冷却的风冷换热器和压缩制冷的冷凝器，此时换热温差大而且由于自然冷却的作用使得压缩制冷的制冷量需求减小；在自然冷却工作模式下，两片风冷换热片都作为自然冷却的风冷换热器件，换热面积大，自然冷却完全替代压缩制冷，高效节能；本发明使得每片风冷换热片在不同工况下都得到高效应用，模块化设计极大地有益于提高生产效率和产品质量。
4、冷凝器是压缩制冷循环系统的关键部件，功能是冷却、冷凝和过冷高温高压的制冷剂。在过渡季节压缩制冷的需求减小，传热温差增大，单位面积换热能力提高，减小其换热面积，有利于压缩制冷循环参数的合理匹配；自然冷却工作模式仅在室外为中、低温的环境下才工作，实现自然冷源的应用是本发明产生大幅度节能效果的关键，增大自然冷却的换热器面积可提升节能效果；在复合制冷工况，自然冷却的风冷换热器设置在进风侧，提高了自然冷却的产冷量，经进风侧换热器加热的空气温升小于10℃，对压缩制冷循环的高效运行和可靠性有积极的效果。
5、本发明设置低压储液器，在压缩制冷和复合制冷工况通过调节压缩机的排量及电子膨胀阀的节流作用，在自然冷却工况通过调节风冷换热器的换热能力，精确控制储液器内制冷工质的热工参数；采用较大容积的低压储液器，热容量大，稳定性好，调节精度高，响应空调热负荷频繁、宽幅变化。
6、本发明采用液泵输送制冷工质为室内侧循环供冷，动力循环可靠性高，不受安装位置限制；制冷工质在放热端和吸热端进行相变换热，传热系数大、换热效率高，室内、外侧换热器结构紧凑，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，而且制冷工质循环流量小，输送功小；采用液泵强制循环，流量调节便捷、精确，液泵压头可根据供液距离、落差及系统阻力进行最佳匹配，利于空调温度的精密控制。
7、本发明采用模糊控制技术，以储液器内制冷工质的温度T为目标参数，以空调系统的制冷量为调节量，通过控制压缩机模块的加载、或减载，或通过控制室外风机转速加载、或减载，精确控制制冷工质的温度；对于延迟较大的储液器内制冷工质温度T，不仅采用其温度偏差，而且采用其温度的变化率，应用模糊控制技术，以响应空调热负荷的频繁、宽幅波动，实现空调对象温度的精密控制。
附图说明
图1为本发明系统构成示意图；
图2a为本发明中采用一个制冷压缩机的压缩机模块的方框图；
图2b为本发明中采用两个制冷压缩机的压缩机模块的方框图；
图3a为本发明中V形结构的风冷换热模块主视结构示意图；
图3b为本发明中矩形结构的风冷换热模块主视结构示意图；
图4为本发明中室内空气处理器模块方框图；
图5为本发明中储液器的结构示意图；
图6为本发明复合型空调系统能量调节规划示意图；
图7为本发明的模糊控制系统结构原理图。
图中标号：1压缩机模块，101压缩机，102油分离器，103单向阀，104降压毛细管，2第一电磁阀，3风冷换热模块，31第一风冷换热片，32第二风冷换热片，33换热器组件，34冷却风机，4第二电磁阀，5第一电子膨胀阀，6第三电磁阀，7第二电子膨胀阀，8集管，9储液器，91供液口，92第二进口，93第一进口，94“U”形管，95吸油孔，10液泵，11供液总管，12空气处理模块，121蒸发器，122蒸发风机，123流量控制阀，124毛细管，125感温元件，13回流总管，14第四电磁阀，15第五电磁阀。
具体实施方式
参见图1，本实施例中具有自然冷却功能的复合型空调系统的组成包括：压缩机模块1、由换热器组件33和冷却风机34构成的风冷换热模块3、储液器9、液泵10、空气处理模块12以及各控制阀，通过操作控制阀改变制冷工质的流动路径实现如下三种不同的工作模式：压缩制冷工作模式、压缩制冷与自然冷却协同运行的复合制冷工作模式，以及自然冷却工作模式。
图1所示，压缩机模块1的出口分为两路，其中第一路直接连通换热器组件33中的第一风冷换热片31的入口端，第二路是通过第一电磁阀2与换热器组件33中的第二风冷换热片32的入口端连接。第一风冷换热片31的出口端通过第一电子膨胀阀5连通集管8，在第一电子膨胀阀5的两端并联连接第二电磁阀4；第二风冷换热片32的出口端通过第二电子膨胀阀7连通集管8，在第二电子膨胀阀7的两端并联连接第三电磁阀6；集管8连接到储液器9的第一进口93，储液器9中的“U”形管94的外接端口连接至压缩机模块1的吸气端，储液器9的供液口91通过供液总管11连通至空气处理模块12的入口端，液泵10设置在供液总管11上；连通在空气处理模块12的出口端的回流总管13一路经第四电磁阀14连通储液器9的第二进口92，另一路经第五电磁阀15连接至第二风冷换热片32的入口端。
本实施例中压缩机模块1中的压缩机101可以为如图2a所示的一台，单压缩机101采用变频或变排量压缩机，压缩机101的排气方向设置油分离器102和单向阀103，油分离器102下部的回油通道连接至压缩机的油底壳或吸气管，回油通道中设有降压毛细管104，维持压缩机吸排气的压差；或为如图2b所示的两台并联组合，双压缩机101包括双变频、或一个变频和一个定频二种组合，采用变频或变排量压缩机有益于实现制冷量的精确调节，以响应空调热负荷的频繁、宽幅波动；双压缩机系统，有益于提高部分负荷压缩机的工作效率；针对压缩机101采用的类型为需要润滑油进行润滑的涡旋式、螺杆式或离心式压缩机的压缩机模块1，在压缩机101的出口管路中依次串联油分离器102和单向阀103，油分离器102设有连通压缩机的回油通道，在回油通道中设置降压毛细管104，在储液器9中，位于“U”形管94的下部“U”形弯头的侧壁上设置有吸油孔95，吸油孔95的数量和直径根据压缩机排量和类型来确定；针对压缩机101采用的类型为磁悬浮式无润滑油压缩机的压缩机模块1，则不配置油分离器102及其回油通道，直接在压缩机101的出口管路中设置单向阀103，储液器9的U形管94上不设吸油孔95。
如图1、图3a和图3b所示，本实施例中第一风冷换热片31和第二风冷换热片32为同类型的换热器，包括管片式或平行流式换热器；迎着风向布置的换热器组件33是由第一风冷换热片31和第二风冷换热片32平行且并列构成，其中，第一风冷换热片31位于出风侧，第二风冷换热片32位于进风侧；在风冷换热模块3中，两组呈左右对称布置的换热器组件33在出风侧布置一台共用的冷却风机34，冷却风机34为直流变频风机，或为具有高速档、中速档、低速档以及停止档的有级调速风机，采用调速风机有利于空调系统运行中制冷量的精确调节，并节能。
图3a所示为两组换热器组件33呈“V”形布置，图3b所示为两组换热器组件33平行直立；换热器组件33中的第一风冷换热片31和第二风冷换热片32在不同工况担负不同的功能，进风侧第二风冷换热片32在压缩制冷工况作为压缩制冷循环的冷凝器，在复合制冷和自然冷却工况作为自然冷却循环的风冷换热器；出风侧第一风冷换热片31在压缩制冷和复合工况作为都作为压缩制冷循环的冷凝器，在自然冷却工况作为自然冷却循环的风冷换热器。
在压缩制冷工作模式时，第一风冷换热片31和第二风冷换热片32都作为压缩制冷循环的冷凝器，换热面积大；在复合制冷工作模式时，第一风冷换热片31和第二风冷换热片32分别作为压缩制冷循环的冷凝器和自然冷却循环的风冷换热器，此时由于自然冷却输出产冷量，减小了对压缩制冷的制冷量需求，同时压缩制冷循环中冷凝器的传热温差增大，弥补了传热面积的减小，有利于压缩制冷循环参数的合理匹配；在自然冷却工作模式时，第一风冷换热片31和第二风冷换热片32都作为自然冷却循环的风冷换热器，换热面积大，自然冷却完全替代压缩制冷，高效节能。这一结构形式使第一风冷换热片31和第二风冷换热片32在各种工况都得到合理应用，不仅降低了制造成本，而且使得空调系统的结构更为紧凑，模块化设计有益于提高生产效率和产品质量。
冷凝器是压缩制冷循环系统的关键部件，功能是冷却、冷凝和过冷高温高压的制冷工质。在过渡季节的复合制冷工况传热温差增大、单位面积换热能力提高，虽然仅采用第一风冷换热片31作为冷凝器，总换热面积减小，但由于自然冷却的作用，压缩机模块1的总排量也减小，不影响压缩制冷循环参数的合理匹配；自然冷却工作模式仅在室外为较低温度的环境下才工作，实现自然冷源的应用，是本发明产生大幅度节能效果的关键，增大自然冷却的换热器面积可提升节能效果；在复合制冷工况，用于自然冷却的风冷换热器32设置在进风侧，提高了自然冷却的产冷量，经进风侧换热器加热的空气温升小于10℃，对压缩制冷循环的高效运行和可靠性有积极的效果。将第一风冷换热片31、第二风冷换热片32设计成换热器组件33，并与风机34构成风冷换热模块3，有益于标准化、规模化生产，提高生产效率和产品质量，同时其空间结构紧凑、系统布局美观、造价低。
如图1和图4所示，本实施例中空气处理模块12是由蒸发器121、蒸发风机122和流量控制阀123构成，各空气处理模块12中的蒸发器121的进口连接供液总管11，各空气处理模块12的蒸发器121的出口连接至回流总管13；流量控制阀123设置在蒸发器121的入口端，流量控制阀123的感温元件125安装在蒸发器121的出口端的管壁上；流量控制阀123为比例调节阀，利用感温元件125将蒸发器121出口的冷媒温度信号转换为压力信号，并通过毛细管124传递压力信号调节流量控制阀123的开度，从而控制蒸发器121的供液量，制冷工质为HFC、HCFC类或其它环保类制冷剂。
如图5所示，本实施例中的储液器9为多功能储液器，一是储液蓄冷；二是气液分离，为压缩机模块1提供气体；三是在“U”形管的弯头侧面开吸油孔，辅助回油，润滑油沉积在底部，压缩机吸气时气流的速度带回底部的润滑油；图5所示的“U”形管94的一端连接压缩机模块1的吸气端、另一端的开口位于储液器9内的上部气体区，储液器9还设有供液口91、第二进口92和第一进口93；重力作用使得储液器9内的工质自动分层，上部为气体、下部为液体、底部沉积少量润滑油。位于储液器9内的“U”形管94的开口端处于气态工质区，“U”形管94的U形弯头接近储液器9的底部，“U”形管94的U形弯头的侧面中心线处设置1～2个吸油孔95，在压缩机吸气时形成的流速及其压差作用下，吸入沉积在储液器9底部的润滑油，确保没被油分离器102分离的润滑油返回压缩机101中。本实施例中配置的储液器9的液体容积相当于满负荷五分钟的供液量，其中液体和气体的设计容积分别为60％、40％，较大的储液热容量则热惯性大，相对于频繁、宽幅变化的空调热负荷，供液的热工参数稳定性好，空调温度精度高。
在三种不同的工作模式中：
压缩制冷工作模式是：空调系统的制冷量全部由运行压缩机模块1进行压缩制冷所提供，通过执行压缩机模块1的加载或减载实现制冷量调节。
自然冷却的工作模式是：压缩机模块1停止运行，空调系统的制冷量全部由运行自然冷却所提供，通过执行冷却风机34的转速的加载或减载实现制冷量调节。
复合制冷工作模式是：优先以自然冷却的工作模式进行运行，不足冷量由压缩机模块1的压缩制冷进行补充，通过执行压缩机模块1的加载或减载实现制冷量的调节；在空调热负荷低于自然冷却所提供的冷量时，压缩机模块1停止运行，并切换为通过执行冷却风机34的转速的加载或减载实现制冷量调节。
设置压缩制冷工作模式的循环回路为：第四电磁阀14和第一电磁阀2均为导通，第五电磁阀15、第二电磁阀4以及第三电磁阀6均关闭，储液器9中的液体工质由液泵10提供动力从供液口91输出，通过供液总管11进入空气处理模块12，在空气处理模块12中输出的吸热工质经回流总管13和第四电磁阀14返回储液器9，储液器9的上部气态工质通过“U”形管94进入压缩机模块1，压缩机模块1中排出的高压高温气态工质由第一电磁阀2分流在第一风冷换热片31和第二风冷换热片32中放热冷凝为高压液态工质，高压液态工质分别经过第一电子膨胀阀5和第二电子膨胀阀7节流降压成为低压低温液体，并通过集管8返回储液器9。
设置自然冷却工作模式的循环回路为：第五电磁阀15、第一电磁阀2、第二电磁阀4和第三电磁阀6均为导通，第四电磁阀14为关闭，储液器9内的液体工质由液泵10提供动力从供液口91输出，通过供液总管11进入空气处理模块12，在空气处理模块12中输出的吸热工质由回流总管13经第五电磁阀15，随后由第一电磁阀2分流，在第一风冷换热片31和第二风冷换热片32中放热冷凝为液态工质，液态工质分别通过第二电磁阀4和第三电磁阀6进入集管8并返回储液器9。
设置复合制冷工作模式的循环回路为：第五电磁阀15和第三电磁阀6导通，第四电磁阀14、第一电磁阀2和第二电磁阀4均关闭，储液器9内的液体工质由液泵10提供动力从供液口91输出，通过供液总管11进入空气处理模块12，在空气处理模块12中输出的吸热的工质经回流总管13和第五电磁阀15进入第二风冷换热片32，在第二风冷换热片32中放热后的工质经第三电磁阀6，并通过集管8返回储液器9；同时，储液器9上部的气态工质通过“U”形管94进入压缩机模块1，压缩机模块1中排出的高压高温气态工质进入第一风冷换热片31，并经第一风冷换热片31放热冷凝为高压液态工质，高压液态工质经过第一电子膨胀阀5节流降压成为低压低温液体，并通过集管8返回储液器9。
本实施例中采用液泵输送制冷工质为室内侧集中循环供冷，动力循环可靠性高，不受安装位置限制；制冷工质在放热端和吸热端进行相变换热，传热系数大、换热效率高，换热器体积小、结构紧凑，同时具有循环流量小、输送功小的优点；采用液泵强制循环，供液量稳定，流量调节便捷、精确；液泵压头可根据供液距离、落差及系统阻力进行最佳匹配，利于空调温度的精密控制。
三种不同的工作模式按如下原则设定：
在Ta≥A2的工况下，运行为压缩制冷工作模式；
在A2＞Ta＞A1的工况下，运行为复合制冷工作模式；
在Ta≤A1的工况下，运行为自然冷却工作模式；
其中：Ta为室外环境温度测量值，A1、A2均为设定温度，且A2＞A1。
对于空调系统中制冷量Q0采用模糊控制规则进行调节，模糊控制规则是以储液器9内制冷工质的温度为目标参数，执行压缩机模块1的加载或减载，在全部制冷压缩机101停机时执行冷却风机34的转速的加载、或减载，从而调节空调系统的制冷量Q0，精确控制储液器9内制冷工质的温度；
令：TR为储液器9内制冷工质的设定温度；
T为实时检测获得的储液器9内制冷工质的测量温度；
则有：温度偏差ΔT为：ΔT＝(T-TR)；
设定：温度偏差ΔT为五个等级，按测量温度T从大到小依次为：正大、正中、零、负中、负大；
设定：测量温度T的变化率dΔT/dt按温度偏差ΔT从大到小依次为：正大、正中、零、负中、负大；
通过控制压缩机模块1或冷却风机34的加载或减载实现空调系统的制冷量Q0的调节，设定调节量U按从大到小依次为：正大、正中、零、负中、负大；
建立模糊规则，如图7所示，通过测量ΔT、计算dΔT/dt，模糊化，模糊化计算，并把模糊化计算结果转化为精确量，控制压缩机模块1或风机34执行加载或减载，精确控制储液器9内制冷工质的温度。
图6中横坐标为室外环境温度，即环温，纵坐标为能量，包括：空调额定热负荷，压缩机制冷量，风冷制冷量(即为自然冷却的制冷量)和空调能耗。其中A2-A3段为压缩制冷区，由压缩制冷提供全部制冷量，由压缩机模块1的加减载调节制冷量；A1-A2段为复合制冷，自然冷却循环满负荷运行，压缩制冷补充不足制冷量，由压缩机模块1的加减载调节制冷量；A0-A1段，压缩制冷停止工作，控制风机34的转速调节自然冷却的制冷量；在各段中，空调总能耗的变化如最底部线段，从高温至低温，分别是W1、W2、W3、W4、W5、W6。
如图6所示，机房空调热负荷在宽温区不变；压缩制冷和自然冷却的输出制冷量在运行区间随着环温的下降而增大，需要进行能量调节使之与机房热负荷相匹配。A3-A2段为压缩制冷模式工作区，复合型空调系统的冷量全部由运行压缩制冷来提供，通过控制压缩机模块1的能量，对应的能耗变化从W1至W2；A1-A2段为过渡季节的复合制冷区，风冷换热模块3满负荷运行最大化利用自然冷源，控制压缩机模块1的排气量调节制冷量输出，对应能耗变化从W3至W4，由于自然冷却循环工作有效地减少了压缩机模块1的能耗，W2>W3；A1-A0段为低温季节，机房热负荷低于自然冷却所提供的冷量，压缩机模块1停止工作，复合型空调系统运行在完全利用自然冷源的最节能工作状态，控制风机34的速度或运行个数调节风冷换热模块3的换热能力或产冷量，对应能耗变化从W4至W5；在宽温区内，复合型空调系统的总能耗随着环温的下降逐渐减小，自然冷源的使用大幅降低了系统的总能耗，如采用单一的压缩制冷，则在整个运行温区A3-A0空调能耗变化为W1至W6，不仅能耗增加，同时还增加压缩制冷系统运行在低温环境的故障风险。
以一台实际运行的高性能计算机系统的空调为实施例，闭式服务器机柜的设定送风温度为22℃、回风温度为33℃。
可以设定：当室外空气温度＞20℃时，空调系统运行在压缩制冷区；室外空气温度≤20℃时，空调系统运行在复合制冷工作区；由于计算机系统通常工作负荷在40～60％范围，复合制冷工作区的运行规则是：满负荷运行风冷以实现最大化利用自然冷源，当风冷换热模块3所产生的制冷量大于或等于热负荷时，压缩机模块1停止工作，空调系统完全利用自然冷源，实现空调系统低能耗运行。
本发明用于室内侧设定温度为27℃或24℃的机房等空调对象，其储液器22内制冷工质的设定温度可适当调整，在满足空调送风温度和制冷量要求的条件下，运行自然冷却，实现空调系统的低碳运行和确保室内空气的高品质。

Claims (5)

1.一种具有自然冷却功能的复合型空调系统，所述空调系统的组成包括：压缩机模块(1)、由换热器组件(33)和冷却风机(34)构成的风冷换热模块(3)、储液器(9)、液泵(10)、空气处理模块(12)以及各控制阀，通过操作控制阀改变制冷工质的流动路径实现如下三种不同的工作模式：压缩制冷工作模式、压缩制冷与自然冷却协同运行的复合制冷工作模式，以及自然冷却工作模式；所述储液器(9)的供液口(91)通过供液总管(11)连通至空气处理模块(12)的入口端，所述液泵(10)设置在所述供液总管(11)上；连通在空气处理模块(12)的出口端的回流总管(13)一路经第五电磁阀(15)连接至第二风冷换热片(32)的入口端，其特征是：
所述压缩机模块(1)的出口分为两路，其中第一路直接连通换热器组件(33)中的第一风冷换热片(31)的入口端，第二路是通过第一电磁阀(2)与换热器组件(33)中的第二风冷换热片(32)的入口端连接；
所述第一风冷换热片(31)的出口端通过第一电子膨胀阀(5)连通集管(8)，在所述第一电子膨胀阀(5)的两端并联连接第二电磁阀(4)；所述第二风冷换热片(32)的出口端通过第二电子膨胀阀(7)连通集管(8)，在所述第二电子膨胀阀(7)的两端并联连接第三电磁阀(6)；
所述集管(8)连接到储液器(9)的第一进口(93)，储液器(9)中的“U”形管(94)的外接端口连接至压缩机模块(1)的吸气端，所述连通在空气处理模块(12)的出口端的回流总管(13)的另一路经第四电磁阀(14)连通储液器(9)的第二进口(92)。
2.根据权利要求1所述的具有自然冷却功能的复合型空调系统，其特征是：所述压缩机模块(1)中的压缩机(101)为一台或为两台并联组合；
针对压缩机(101)采用的类型为需要润滑油进行润滑的涡旋式、螺杆式或离心式压缩机的压缩机模块(1)，在所述压缩机(101)的出口管路中依次串联油分离器(102)和单向阀(103)，所述油分离器(102)设有连通压缩机的回油通道，在所述回油通道中设置降压毛细管(104)；在所述储液器(9)中，位于“U”形管(94)的下部“U”形弯头的侧壁上设置有吸油孔(95)，所述吸油孔(95)的数量和直径根据压缩机排量和类型来确定；
针对压缩机(101)采用的类型为磁悬浮式无润滑油压缩机的压缩机模块(1)，在所述压缩机(101)的出口管路中设置单向阀(103)。
3.根据权利要求1所述的具有自然冷却功能的复合型空调系统，其特征是：所述第一风冷换热片(31)和第二风冷换热片(32)为同类型的换热器，包括管片式或平行流式换热器；迎着风向布置的换热器组件(33)是由第一风冷换热片(31)和第二风冷换热片(32)平行且并列构成，其中，第一风冷换热片(31)位于出风侧，第二风冷换热片(32)位于进风侧；在所述风冷换热模块(3)中，两组呈左右对称布置的换热器组件(33)在出风侧布置一台共用的冷却风机(34)，所述冷却风机(34)为直流变频风机，或为具有高速档、中速档、低速档以及停止档的有级调速风机。
4.根据权利要求1所述的具有自然冷却功能的复合型空调系统，其特征是：所述空气处理模块(12)是由蒸发器(121)、蒸发风机(122)和流量控制阀(123)构成，各空气处理模块(12)中的蒸发器(121)的进口连接供液总管(11)，各空气处理模块(12)的蒸发器(121)的出口连接至回流总管(13)；所述流量控制阀(123)设置在所述蒸发器(121)的入口端，所述流量控制阀(123)的感温元件(125)安装在所述蒸发器(121)的出口端的管壁上；所述流量控制阀(123)为比例调节阀，利用感温元件(125)将蒸发器(121)出口的冷媒温度信号转换为压力信号，并通过毛细管(124)传递压力信号调节流量控制阀(123)的开度，从而控制蒸发器(121)的供液量。
5.根据权利要求1所述的具有自然冷却功能的复合型空调系统，其特征是：所述制冷工质为HFC、HCFC类或其它环保类制冷剂。
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