CN108662698A - 一种节能双循环机房空调机组及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种节能双循环机房空调机组及其控制方法，包括室内机、室外氟泵节能机和室外冷凝器；其中室内机包括压缩机、蒸发器、电子膨胀阀和第一单向阀，第一单向阀与压缩机并联；氟泵节能机包括储液器、制冷剂泵以及与制冷剂泵并联的第二单向阀；压缩机、室外冷凝器、储液器、第二单向阀、电子膨胀阀和蒸发器构成压缩机制冷循环系统；蒸发器、第一单向阀、室外冷凝器、储液器、制冷剂泵和电子膨胀阀构成制冷剂泵循环系统；压缩机、室外冷凝器、储液器、制冷剂泵、电子膨胀阀和蒸发器构成压缩机与制冷剂泵混合制冷循环系统。本发明能够满足机房全年的制冷需求，有效降低机组占地及功耗，能够充分利用室外自然冷源，具有显著的节能效果。

Description

一种节能双循环机房空调机组及其控制方法

技术领域

本发明应用于机房空调，具体涉及一种可以充分利用室外自然冷源的节能双循环机房空调机组及其控制方法，属于制冷设备技术领域。

背景技术

随着通信技术的高速发展，IDC机房得到了大规模的发展，通信企业的能耗问题也越来越突出。据统计资料显示，机房空调的用电量占机房总用电量的50％以上。由于机房空调环境的特殊性，数据中心一年四季不间断需要制冷，即使在冬季室外温度低的情况下，机房仍然需要制冷。机房外的自然冷空气是一个巨大的天然冷源，如果能合理的加以利用，机房空调的节能将存在很大的空间。

目前，比较常见的利用室外冷源的方式以下三种：直接利用新风，乙二醇间接冷却技术和制冷剂泵技术。由于制冷剂泵技术对机房不引入新风，不增加室内外连接管路等得到广泛的利用。现有的制冷剂泵技术较为常见的是独立的制冷剂泵技术，包括多联泵，此类系统在压缩机运行和制冷剂泵运行时，分别经过不同的室内外盘管。这就需要在室内机和室外冷凝器各增加一套换热盘管，用于不同运行模式的制冷运行，此技术的缺点在于：1)由于室内外均增加了换热盘管，使得风机的运行阻力加大，功耗增加；2)另一方面，不同运行方式经过不同的换热盘管，这就增加了室内外的连接管路及焊接泄漏点的隐患；3)对制冷剂泵的控制仅根据流量或者制冷量需求来判断，不能很好地跟室外温度进行对应，不能充分的利用室外的自然冷源。

发明内容

发明目的：针对现有技术存在的不足，本发明目的在于提供一种节能双循环机房空调机组及其控制方法，能够满足机房全年的制冷需求，有效降低机组占地及功耗，并且通过运行模式控制方式的改进，能够充分利用室外自然冷源，具有显著的节能效果。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种节能双循环机房空调机组，包括室内机、室外氟泵节能机和室外冷凝器包括室内机、室外氟泵节能机和室外冷凝器；所述室内机包括压缩机、蒸发器、电子膨胀阀和第一单向阀，所述第一单向阀与压缩机并联；所述氟泵节能机包括储液器、制冷剂泵以及与制冷剂泵并联的第二单向阀；所述压缩机、室外冷凝器、储液器、第二单向阀、电子膨胀阀和蒸发器构成压缩机制冷循环系统；所述蒸发器、第一单向阀、室外冷凝器、储液器、制冷剂泵和电子膨胀阀构成制冷剂泵循环系统；所述压缩机、室外冷凝器、储液器、制冷剂泵、电子膨胀阀和蒸发器构成压缩机与制冷剂泵混合制冷循环系统。

作为优选，所述压缩机两端分别串联电磁阀和第三单向阀后与第一单向阀并联。

作为优选，所述制冷剂泵两端串联有第三手动球阀和第四手动球阀，并在出口端串联第四单向阀后与第二单向阀并联。

作为优选，所述压缩机、第三单向阀、排气球阀、室外冷凝器、储液器、第二单向阀、第一手动球阀、进液球阀、干燥过滤器、视液镜、电子膨胀阀、分液器、蒸发器、吸气电磁阀依次通过管路相连，构成压缩机制冷循环系统。

作为优选，所述蒸发器、第一单向阀、排气球阀、室外冷凝器、储液器、第三手动球阀、制冷剂泵、第四手动球阀、第四单向阀、第一手动球阀、进液球阀、干燥过滤器、视液镜、电子膨胀阀、分液器依次通过管路相连，构成制冷剂泵循环系统。

作为优选，所述压缩机、第三单向阀、排气球阀、室外冷凝器、储液器、第三手动球阀、制冷剂泵、第四手动球阀、第四单向阀、第一手动球阀、进液球阀、干燥过滤器、视液镜、电子膨胀阀、分液器、蒸发器、吸气电磁阀依次通过管路相连，构成压缩机制冷循环系统。

作为优选，所述空调机组还包括主控板，以及与主控板相连的多个温湿度传感器；所述主控板上设有如下功能模块：

制冷需求计算模块，用于根据室内设定温度和采集的室内回风温度进行PID计算制冷需求；

泵制冷量计算模块，用于根据采集的室外环境温度和温度与制冷量之间的关系计算得到制冷剂泵制冷量比例；

运行模式确定模块，用于在室外温度高于混合模式开启温度且制冷需求达到100％时开启压缩机制冷模式；在室外温度低于混合模式开启温度且高于制冷剂泵制冷模式开启温度且制冷需求达到100％时开启混合制冷模式；以及在室外温度低于制冷剂泵制冷模式开启温度时：如果制冷剂泵制冷量比例小于100％，且制冷需求达到100％，开启压缩机制冷模式；如果制冷需求大于50％且小于制冷剂泵制冷量比例，开启制冷剂泵制冷模式。

作为优选，泵制冷量计算模块根据预存的室外环境温度与制冷剂泵制冷量比例之间的关系，计算制冷剂泵制冷量比例，所述关系为预先根据多种工况的实验测试数据拟合得到的一次函数关系，室外环境温度越低，制冷剂泵制冷量比例越大。

一种节能双循环机房空调机组的控制方法，包括：

根据室内制冷需求、室外环境温度和制冷剂泵制冷量确定机组的运行模式；具体为：在室外温度高于混合模式开启温度且制冷需求达到100％时开启压缩机制冷模式；在室外温度低于混合模式开启温度且高于制冷剂泵制冷模式开启温度且制冷需求达到100％时开启混合制冷模式；以及在室外温度低于制冷剂泵制冷模式开启温度时：如果制冷剂泵制冷量比例小于100％，且制冷需求达到100％，开启压缩机制冷模式；如果制冷需求大于50％且小于制冷剂泵制冷量比例，开启制冷剂泵制冷模式。

根据制冷需求和机组运行模式控制室内风机的转速和压缩机的启停或转速；

根据过热度的设定值与实际值和机组运行模式控制电子膨胀阀的开度；

根据冷凝压力的设定值与实际值和机组运行模式控制室外风机的启停及频率；

在混合制冷模式和制冷剂泵制冷模式下，根据制冷剂泵前后压差的设定值与实际值控制制冷剂泵的频率。

有益效果：与现有技术相比，本发明压缩机制冷和制冷剂泵制冷共用一套室内机和室外冷凝器，满足压缩机制冷、制冷剂泵制冷和混合制冷三种不同模式的运行，有效减小机组占地及功耗，能够满足机房全年365天的制冷需求，并且具有显著的节能效果。此外，本发明将当前的制冷需求与当前室外温度下制冷剂泵的制冷量做对比，当制冷量满足制冷需求时即启动制冷剂泵运行，充分利用室外冷源。与常规方案相比，本发明的控制方案更加适应实际机组的实时运行，控制精度高，能够充分利用室外自然冷源。

附图说明

图1为本发明实施例的系统结构示意图。

图中：1-压缩机，2-蒸发器，3-分液器，4-电子膨胀阀，5-视液镜，6-干燥过滤器，7-进液球阀，8-排气球阀，9-针阀，10-吸气电磁阀，11-第三单向阀，12-第一单向阀，21/22/23/24-第一/第二/第三/第四手动球阀，25-第四单向阀，26-第二单向阀，27-制冷剂泵，28-储液器，30-室外冷凝器。

图2为本发明实施例的控制硬件连接示意图。

图3为本发明实施例的总体控制流程示意图。

图4为本发明实施例中压缩机制冷模式下控制流程示意图。

图5为本发明实施例中混合制冷模式下控制流程示意图。

图6为本发明实施例中制冷剂泵制冷模式下控制流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的说明。

本发明实施例公开的一种节能双循环机房空调机组，包括室内机、室外氟泵节能机和室外冷凝器。其中室内机包括压缩机、蒸发器、电子膨胀阀以及与压缩机并联的第一单向阀。氟泵节能机包括储液器、制冷剂泵以及与制冷剂泵并联的第二单向阀。压缩机、室外冷凝器、储液器、第二单向阀、电子膨胀阀和蒸发器构成压缩机制冷循环系统；蒸发器、第一单向阀、室外冷凝器、储液器、制冷剂泵和电子膨胀阀构成制冷剂泵循环系统；压缩机、室外冷凝器、储液器、制冷剂泵、电子膨胀阀和蒸发器构成压缩机与制冷剂泵混合制冷循环系统。

本发明实施例的节能双循环机房空调机组能够充分利用室外自然冷源，在室外温度低于室内温度时，开启制冷剂泵，降低机组的制冷消耗功率。机组具有三种运行模式：

1)压缩机制冷模式

在夏天，室外温度高于室内温度时，机组处于该制冷模式下工作，此时，制冷剂泵不工作，压缩机单独工作，为系统制冷运行提供动力。

2)压缩机与制冷剂泵混合制冷模式

在春秋季节，室外温度低于室内温度时，机组处于该制冷模式下工作，此时，压缩机和制冷剂泵同时工作，部分利用室外自然冷源，降低压缩机能耗，具有一定的节能效果。

3)制冷剂泵制冷模式

在冬季，室外温度远低于室内温度时，机组处于该模式下工作，此时，压缩机停止工作，制冷剂泵单独工作，充分利用室外的自然冷源，使用制冷剂泵代替压缩机来为系统循环提供动力，由于制冷剂泵功率远小于压缩机的功率，此时具有显著的节能效果。

如图1所示，为本发明实施例的一个具体应用示例，由室内部分和室外部分两大部分组成，室内部分即室内机(I)，主要由压缩机1，蒸发器2，第三单向阀11、12、吸气电磁阀10、视液镜5、干燥过滤器6、电子膨胀阀4等组成。室外部分由室外冷凝器(III)和氟泵节能机(II)两个相对独立的机组构成，室外冷凝器由室外风机、室外冷凝盘管以及电器部件组成，氟泵节能机主要由储液器28、制冷剂泵27、第四单向阀25、26以及电器部件组成。

本实施例的节能双循环机房空调机组通过控制单向阀11/12/25/26，吸气电磁阀10等多个部件的不同开关状态组合以及压缩机1和制冷剂泵27的不同开启状态，来自动实现整个机组在三种模式下进行制冷循环与切换。

1)压缩机制冷模式

从压缩机1出来的高温高压的制冷剂蒸汽经过第三单向阀11和排气球阀8后进入室外冷凝器30进行冷凝；冷凝后的高压制冷剂液体进入氟泵节能机，经过储液器28后，经过第二单向阀26和第二手动球阀22后进入室内机；依次经过进液球阀7、干燥过滤器6、视液镜5、电子膨胀阀4以及分液器3后，进入蒸发器2进行蒸发制冷，而后经过吸气电磁阀10后进入压缩机1进行压缩，依次构成整个制冷剂循环。在此循环中，制冷剂经过压缩机1而不经过制冷剂泵27。

2)压缩机与制冷剂泵混合制冷模式

从压缩机1出来的高温高压的制冷剂蒸汽经过第三单向阀11和排气球阀8后进入室外冷凝器30进行冷凝；冷凝后的高压制冷剂液体进入氟泵节能机，经过储液器28后，经过第三手动球阀23进入制冷剂泵27进行增压后，经过第四手动球阀24、第四单向阀25和第二手动球阀22后进入室内机；依次经过进液球阀7、干燥过滤器6、视液镜5、电子膨胀阀4以及分液器3后，进入蒸发器2进行蒸发制冷，而后经过吸气电磁阀10后进入压缩机1进行压缩，依次构成整个制冷剂循环。在此循环中，制冷剂既经过压缩机1也经过制冷剂泵27。

3)制冷剂泵制冷模式

从蒸发器2出来的具有一定过热度的制冷剂蒸汽经过第一单向阀12和排气球阀8后进入室外冷凝器30进行冷凝；冷凝后的高压制冷剂液体进入氟泵节能机，经过储液器28后，经过第三手动球阀23进入制冷剂泵27进行增压后，经过第四手动球阀24、第四单向阀25和第二手动球阀22后进入室内机；依次经过进液球阀7、干燥过滤器6、视液镜5、电子膨胀阀4以及分液器3后，进入蒸发器2进行蒸发制冷，依次构成整个制冷剂循环。在此循环中，制冷剂经过制冷剂泵27而不经过压缩机1。

如图2所示，为本发明实施例的机组控制硬件结构示意图，控制硬件包括主控板，温湿度传感器、氟泵变频器、室外风机变频器、温度传感器、压力传感器等等。各传感器采集数据传输给主控板，主控板将相关监控信息显示在显示屏上，同时根据设定的控制逻辑向相关执行部件发送控制指令进行系统控制。其中温湿度传感器主要采集室内回风温度与相对湿度，并采集机组其他温度数据，比如：吸气温度，排气温度，进液温度，室外环境温度等多个温度测点。氟泵变频器主要采集和控制氟泵的运行状态，并采集泵前/后压力等参数；室外风机变频器用于控制室外风机的运行状态，并采集冷凝压力等参数。

主控板通过RS485与温湿度传感器、氟泵变频器以及室外风机变频器进行通信，从而进行数据的采集和对机组运行的控制。此外，主控板还通过在压缩机的进出口的压力传感器采集机组的吸气压力，排气压力等运行压力数据。

主控板上对机组运行的控制主要包括运行模式的确定，以及各模式下室内外风机、电子膨胀阀、制冷剂泵等的控制。为了充分利用室外自然冷源，本发明主控板上设有制冷需求计算模块、泵制冷量计算模块以及运行模式确定模块用于确定机组的运行模式。其中，制冷需求计算模块，用于根据室内设定温度和采集的室内回风温度进行PID计算制冷需求。泵制冷量计算模块，用于根据采集的室外环境温度和温度与制冷量之间的关系计算得到制冷剂泵制冷量比例。运行模式确定模块，用于在室外温度高于混合模式开启温度且制冷需求达到100％时开启压缩机制冷模式；在室外温度低于混合模式开启温度且高于制冷剂泵制冷模式开启温度且制冷需求达到100％时开启混合制冷模式；以及在室外温度低于制冷剂泵制冷模式开启温度时：如果制冷剂泵制冷量比例小于100％，且制冷需求达到100％，开启压缩机制冷模式；如果制冷需求大于50％且小于制冷剂泵制冷量比例，开启制冷剂泵制冷模式。

如图3-6所示，本发明实施例公开的上述节能双循环机房空调机组的控制方法，主要包括确定机组的运行模式、室内风机和压缩机运行控制、电子膨胀阀开度控制、室外风机运行控制、制冷剂泵运行控制等。主要控制步骤如下：

1.主控板通过通讯采集温湿度传感器的数据(包括机房室内回风温度与相对湿度，吸气温度，排气温度，进液温度，室外环境温度等)，比较机房温湿度值与设定值，计算室内制冷需求；并比较室外环境温度与各模式切换点的值，确定机组的运行模式。具体包括：

1)计算室内制冷需求q：根据设定温度和采集的室内回风温度进行PID计算制冷需求，即根据设定温度，比例带，积分常数，微分常数进行PID计算制冷需求：

其中ΔT/P*Max为比例项，为积分项，(T_10秒前-T)*D/P*Max为微分项；P、I、D分别为比例、积分、微分常数，Max为最大输出，可取255；T表示回风温度，ΔT表示温差，n表示计算时刻。

该制冷需求的计算方法，相对于常规的仅通过温差及控制精度计算的制冷负荷比，具有较高的控制精度，由于加入了比例和微分的计算，消除稳态误差及波动，使得温度波动范围很小，消除由于负荷等其他变化带来的温度波动。

2)制冷剂泵制冷量比例Qp计算：根据室外环境温度和温度与制冷量之间的关系计算得到制冷剂泵制冷量比例。这里的室外温度与制冷量之间的关系是根据多种工况的实验测试数据，拟合得到的一次函数关系，制冷剂泵制冷量比列随室外实际温度值Tout增加递减，不同型号的机组略有不同，以80kW机组为例，Qp＝0.9245-0.03404*Tout。

3)根据室内制冷需求、室外环境温度和制冷剂泵制冷量确定机组的运行模式。设混合模式开启室外温度设定值Tmix，制冷剂泵制冷模式开启室外温度设定值Tp，室外温度实际值Tout：

当Tout＞Tmix，且q≥100％开启压缩机制冷模式，否则机组处于待机状态

当Tmix≥Tout＞Tp，且q≥100％开启混合制冷模式，否则机组处于待机状态

当Tp≥Tout，且q≥100％，Qp＜100％时，开启压缩机制冷模式

且q≥100％，Qp≥100％时，开启制冷剂泵制冷模式

且Qp≥q≥50％，开启制冷剂泵制冷模式

且50％＞q，机组处于待机状态

也就是说，当室外温度高于混合模式开启温度时，如果制冷需求达到100％，机组开启压缩机制冷模式；否则机组处于待机模式。

当室外温度低于混合模式开启温度且高于制冷剂泵制冷模式开启温度时，如果制冷需求达到100％，机组开启压缩机制冷模式；否则机组处于待机模式。

当室外温度低于制冷剂泵制冷模式开启温度时，如果制冷需求小于50％，机组处于待机模式；如果制冷需求达到100％，且制冷剂泵制冷量比例小于100％时，机组开启压缩机制冷模式；如果制冷需求达到100％，且制冷剂泵制冷量比例不小于100％时，机组开启制冷剂泵制冷模式；如果制冷需求大于50％且小于制冷剂泵制冷量比例时，机组处于制冷剂泵制冷模式。

由于制冷剂泵制冷模式是利用室外自然冷源进行换热冷却的，其制冷量随室外温度的变化而发生变化，室外环境温度越低，制冷剂泵制冷量越大。所以在制冷剂泵制冷模式时，充分考虑可室内的制冷需求与制冷剂泵制冷量的大小关系，更加适应实际机组的实时运行，充分合理利用室外自然冷源。

2.通过加热/加湿需求控制电加热/电加湿的启停及其开启量。

3.通过制冷需求及机组的运行模式，控制室内风机的转速和压缩机的启停；如果压缩机是变频压缩机，控制压缩机的转速。风机控制模式可旋转回风温度控制或压差控制。

4.通过机组的运行模式，根据采集的吸气温度、吸气压力，以及相应模式下过热度的设定值，来控制电子膨胀阀的开启步数。本实施例通过过热度控制电子膨胀阀的开度，以控制系统的运行流量，并保证在不同的运行模式下，控制目标跟控制模式相对应，能够提高系统利用率。

5.通过机组的运行模式，根据泵前后的压差以及相应模式下压差的设定值，来控制制冷剂泵的启停及其频率。在压缩机制冷模式，泵关闭。在混合制冷模式，泵频率根据其前后压差进行比例调节，泵的频率为ΔP/ΔPset*50Hz；ΔP为当前泵进出口压差/ΔPset为泵压差设定值。在制冷剂泵制冷模式，泵频率根据其前后压差进行比例调节,泵的频率为ΔP/ΔPset*50Hz。

6.通过机组的运行模式，冷凝压力以及相应模式下冷凝压力的设定值，来控制室外风机的启停及其频率。

Claims (9)

1.一种节能双循环机房空调机组，其特征在于，包括室内机、室外氟泵节能机和室外冷凝器；所述室内机包括压缩机、蒸发器、电子膨胀阀和第一单向阀，所述第一单向阀与压缩机并联；所述氟泵节能机包括储液器、制冷剂泵以及与制冷剂泵并联的第二单向阀；所述压缩机、室外冷凝器、储液器、第二单向阀、电子膨胀阀和蒸发器构成压缩机制冷循环系统；所述蒸发器、第一单向阀、室外冷凝器、储液器、制冷剂泵和电子膨胀阀构成制冷剂泵循环系统；所述压缩机、室外冷凝器、储液器、制冷剂泵、电子膨胀阀和蒸发器构成压缩机与制冷剂泵混合制冷循环系统。

2.根据权利要求1所述的一种节能双循环机房空调机组，其特征在于，所述压缩机两端分别串联电磁阀和第三单向阀后与第一单向阀并联。

3.根据权利要求1所述的一种节能双循环机房空调机组，其特征在于，所述制冷剂泵两端串联有第三手动球阀和第四手动球阀，并在出口端串联第四单向阀后与第二单向阀并联。

4.根据权利要求1所述的一种节能双循环机房空调机组，其特征在于，所述压缩机、第三单向阀、排气球阀、室外冷凝器、储液器、第二单向阀、第一手动球阀、进液球阀、干燥过滤器、视液镜、电子膨胀阀、分液器、蒸发器、吸气电磁阀依次通过管路相连，构成压缩机制冷循环系统。

5.根据权利要求1所述的一种节能双循环机房空调机组，其特征在于，所述蒸发器、第一单向阀、排气球阀、室外冷凝器、储液器、第三手动球阀、制冷剂泵、第四手动球阀、第四单向阀、第一手动球阀、进液球阀、干燥过滤器、视液镜、电子膨胀阀、分液器依次通过管路相连，构成制冷剂泵循环系统。

6.根据权利要求1所述的一种节能双循环机房空调机组，其特征在于，所述压缩机、第三单向阀、排气球阀、室外冷凝器、储液器、第三手动球阀、制冷剂泵、第四手动球阀、第四单向阀、第一手动球阀、进液球阀、干燥过滤器、视液镜、电子膨胀阀、分液器、蒸发器、吸气电磁阀依次通过管路相连，构成压缩机制冷循环系统。

7.根据权利要求1所述的一种节能双循环机房空调机组，其特征在于，所述空调机组还包括主控板，以及与主控板相连的多个温湿度传感器；所述主控板上设有如下功能模块：

制冷需求计算模块，用于根据室内设定温度和采集的室内回风温度进行PID计算制冷需求；

泵制冷量计算模块，用于根据采集的室外环境温度和温度与制冷量之间的关系计算得到制冷剂泵制冷量比例；

运行模式确定模块，用于在室外温度高于混合模式开启温度且制冷需求达到100%时开启压缩机制冷模式；在室外温度低于混合模式开启温度且高于制冷剂泵制冷模式开启温度且制冷需求达到100%时开启混合制冷模式；以及在室外温度低于制冷剂泵制冷模式开启温度时：如果制冷剂泵制冷量比例小于100%，且制冷需求达到100%，开启压缩机制冷模式；如果制冷需求大于50%且小于制冷剂泵制冷量比例，开启制冷剂泵制冷模式。

8.根据权利要求7所述的一种节能双循环机房空调机组，其特征在于，泵制冷量计算模块根据预存的室外环境温度与制冷剂泵制冷量比例之间的关系，计算制冷剂泵制冷量比例，所述关系为预先根据多种工况的实验测试数据拟合得到的一次函数关系，室外环境温度越低，制冷剂泵制冷量比例越大。

9.根据权利要求1-8任一项所述的一种节能双循环机房空调机组的控制方法，其特征在于，包括：

根据室内制冷需求、室外环境温度和制冷剂泵制冷量确定机组的运行模式；具体为：在室外温度高于混合模式开启温度且制冷需求达到100%时开启压缩机制冷模式；在室外温度低于混合模式开启温度且高于制冷剂泵制冷模式开启温度且制冷需求达到100%时开启混合制冷模式；以及在室外温度低于制冷剂泵制冷模式开启温度时：如果制冷剂泵制冷量比例小于100%，且制冷需求达到100%，开启压缩机制冷模式；如果制冷需求大于50%且小于制冷剂泵制冷量比例，开启制冷剂泵制冷模式；

根据制冷需求和机组运行模式控制室内风机的转速和压缩机的启停或转速；

根据过热度的设定值与实际值和机组运行模式控制电子膨胀阀的开度；

根据冷凝压力的设定值与实际值和机组运行模式控制室外风机的启停及频率；

在混合制冷模式和制冷剂泵制冷模式下，根据制冷剂泵前后压差的设定值与实际值控制制冷剂泵的频率。