CN108700347B - 用于控制制冷系统的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

一种制冷系统(12)包括：具有空冷式热交换器(56)的自由冷却系统(52)，其中，该空冷式热交换器包括风扇(60)，该风扇被配置成使得空气(59)移动过该空冷式热交换器的盘管以便从流过该空冷式热交换器的冷却剂(58)中去除热量；以及具有制冷剂回路的机械冷却系统(68)，该制冷剂回路包括蒸发器(66)、压缩机(70)和沿着该制冷剂回路布置的冷凝器(72)，其中，该压缩机被配置成使制冷剂循环通过该制冷剂回路，并且其中，该蒸发器(66)被配置成接收该冷却剂并且将热量从该冷却剂传递到该制冷剂。该制冷系统(12)还包括控制器(78)，该控制器被配置成调整该风扇(60)的风扇速度最高达阈值风扇速度，以在该风扇速度达到该阈值风扇速度时启动该压缩机(70)的操作，其中，该风扇速度和该压缩机的压缩机速度是至少基于环境空气温度(89)和冷却负载需求的。

Description

用于控制制冷系统的系统和方法
相关申请的交叉引用
本申请要求于2016年2月10日提交的题为“SYSTEMS AND METHODS FORCONTROLLING AREFRIGERATION SYSTEM(用于控制制冷系统的系统和方法)”的美国临时申请序列号62/293,676的优先权和权益，所述美国临时申请的披露内容出于所有目的通过引用以其全文结合在此。
背景技术
本披露总体上涉及一种制冷系统。具体地，本披露涉及一种包括自由冷却系统和机械冷却系统的制冷系统。
制冷系统用于各种环境并且用于许多目的。例如，制冷系统可以包括自由冷却系统和机械冷却系统。在一些情况下，自由冷却系统可以包括液体-空气热交换器，所述热交换器遍及行业使用并且用于许多加热、通风和空调应用中。后面的这些应用包括住宅、商业和工业空调系统。另外，机械冷却系统可以是蒸气压缩制冷循环，其可以包括冷凝器、蒸发器、压缩机和/或膨胀装置。在蒸发器中，通过从空气流动流和/或冷却流体(例如，水)中吸取热能来蒸发液体或主要为液体的制冷剂，该空气流动流和/或冷却流体还可以流过自由冷却系统的液体-空气热交换器。在冷凝器中，制冷剂经历过热减温、冷凝和低温冷却。在一些情况下，制冷系统可以调整液体-空气热交换器的风扇的速度和/或机械冷却系统中的压缩机的速度，以满足期望的冷却需求。
附图说明
图1是根据本披露的一方面的采用制冷系统的示例性商业或工业环境的透视图；
图2是根据本披露的一方面的图1的制冷系统的透视图，该制冷系统可以包括自由冷却系统和机械冷却系统两者以提高制冷系统的效率；
图3是根据本披露的一方面的制冷系统的实施例的框图；
图4是根据本披露的一方面的包括附加机械冷却系统的制冷系统的实施例的框图；
图5是根据本披露的一方面的包括节约装置、过滤器以及附加阀的制冷系统的框图；
图6是根据本披露的一方面的可以被利用来提高制冷系统的效率的过程的框图；并且
图7是根据本披露的一方面的在制冷系统的各种操作模式下环境温度随冷却负载需求变化的图形表示。
具体实施方式
本披露涉及用于制冷系统的增强控制系统，该制冷系统包括用于冷却负载的自由冷却系统和机械冷却系统。如本文中所使用，自由冷却系统可以包括使流体与环境空气处于热交换关系的系统。因此，自由冷却系统可以利用周围环境中的环境空气作为冷却和/或加热流体。制冷系统可以单独利用自由冷却系统(例如，自由冷却模式)、单独利用机械冷却系统(例如，机械冷却模式)，或者同时利用自由冷却系统和机械冷却系统(例如，混合冷却模式)。为了确定要操作哪个(哪些)系统，制冷剂系统可以包括测量制冷系统的操作条件(例如，风扇速度、压缩机速度、环境空气温度、冷却流体温度)的各种传感器和/或其他监测装置。例如，根据本披露的实施例，确定要操作哪个(哪些)系统可以至少取决于期望的冷却负载需求(例如，负载的期望温度)和/或环境空气温度(例如，制冷系统的周围环境的温度)。
通常，制冷系统在操作机械冷却系统之前将自由冷却系统的空气流量增加到最大空气流量，因为通常认为自由冷却系统比机械冷却系统(例如，蒸气压缩制冷循环的压缩机)消耗更少的功率。例如，自由冷却系统可以包括将空气朝向热交换器的盘管引导以冷却流过盘管的冷却流体的一个或多个风扇。为了使风扇操作，向一个或多个风扇供应功率，使得空气可以流过盘管并且从冷却流体中吸收热量。可以通过控制盘管旁通阀与运行一些定速风扇来调整由自由冷却系统执行的自由冷却的量。
机械冷却系统可以包括一个或多个蒸气压缩制冷循环，其中每个蒸气压缩制冷循环包括蒸发器、压缩机、冷凝器和/或膨胀装置。制冷剂可以经由压缩机被引导通过机械冷却系统(例如，制冷剂回路)，该压缩机也可以由变速驱动器供电。联接到压缩机的变速驱动器可以实现控制压缩机的速度，并因此控制由蒸气压缩制冷循环执行的冷却量。
通常，制冷系统在向机械冷却系统的压缩机供应功率之前以最大能力(例如，最大风扇速度)操作自由冷却系统，因为认为自由冷却系统的风扇比机械冷却系统的压缩机消耗更少的功率。另外，当向机械冷却系统的一个或多个压缩机供应功率时，传统制冷系统可以继续以最大能力(例如，以最大风扇速度)操作自由冷却系统。当前实施例试图通过增加自由冷却系统的风扇(例如，变速风扇)的速度最高达阈值速度来使输入到整个制冷系统(例如，自由冷却系统和机械冷却系统)的功率量最小化，其中阈值速度低于风扇的最大速度(例如，风扇在物理上无法超过的速度)。在一些情况下，当风扇达到阈值速度时(或者在风扇达到阈值速度之前)，可以向机械冷却系统的压缩机供应功率。以这种方式操作制冷系统可以使供应到系统的功率量最小化，从而提高制冷系统的效率。
现在转到附图，图1描绘了制冷系统的示例性应用。通常，此类系统可以应用于加热、通风、空调和制冷(HVAC&R)领域内以及该领域之外的一系列环境。制冷系统可以通过蒸气压缩制冷、吸收制冷和/或热电冷却来为数据中心、电气装置、冷冻器、冷却器或其他环境提供冷却。然而，在目前预期的应用中，制冷系统还可以用于住宅、商业、轻工业、工业，以及任何其他用于加热或冷却诸如住宅、建筑物、结构等空间或场地的应用。此外，制冷系统可以用于工业应用，在适当情况下用于各种流体的基本制冷和加热。
图1展示了示例性应用，在这种情况下是用于建筑物环境管理的可以采用一个或多个热交换器的加热、通风、空调和制冷系统(HVAC&R)。例如，建筑物10由包括制冷系统12和锅炉14的系统来冷却。如图所示，制冷系统12布置在建筑物10的屋顶上并且锅炉14位于地下室中；然而，制冷系统12和锅炉14可以位于建筑物10旁边的其他设备房间或区域中。制冷系统12是实施制冷循环来冷却水(或另一冷却流体，诸如乙二醇)的空气冷却装置和/或机械冷却系统。制冷系统12容纳在单个结构内，该单个结构可以包括机械冷却回路、自由冷却系统、控制器，以及相关联的设备，诸如泵、阀和管道。例如，制冷系统12可以是并入了自由冷却系统、机械冷却系统和控制器的单个封装式屋顶单元。在一些实施例中，制冷系统12可以不包括外部控制器(例如，用于控制建筑物10的其他部件的外部控制器的连接端口)。换句话说，制冷系统12是可以被利用来提供加热和/或冷却而不需要附加部件或控制器的自主单元(例如，封装单元)。锅炉14是包括用于加热水的炉子的密闭容器。来自制冷系统12和锅炉14的水(或另一冷却流体)通过水管16在建筑物10中循环。水管16被引导到位于各个楼层上和建筑物10的部分内的空气处理器18。
空气处理器18联接到管道系统20，该管道系统适于在空气处理器18之间分配空气并且可以从外部进气口(未示出)接收空气。空气处理器18包括热交换器，这些热交换器使来自制冷系统12的冷水和来自锅炉14的热水循环以提供加热或冷却的空气。空气处理器18内的风扇吸引空气穿过热交换器的盘管，并且将经调节的空气引导至建筑物10内的环境，诸如房间、公寓或办公室，以将环境维持在指定温度。这里示出为包括恒温器22的控制装置可以用于指定经调节的空气的温度。控制装置22还可以用于控制穿过和来自空气处理器18的空气流量。当然，系统中可以包括其他装置，诸如调节水流量和压力的控制阀和/或感测水、空气等的温度和压力的温度传感器或开关。此外，控制装置可以包括与其他建筑物控制或监测系统(包括远离建筑物10的系统)集成和/或分离的计算机系统。应当注意，虽然水被讨论为冷却流体，但在制冷系统12中可以利用任何合适的冷却流体。
根据本披露的实施例，制冷系统12可以包括可以被修改和/或增强来包括自由冷却系统的机械冷却系统。例如，图2是制冷系统12的透视图，该制冷系统可以包括机械冷却系统(例如，蒸气压缩制冷循环)和自由冷却系统两者以提高整个制冷系统12的效率。在某些实施例中，制冷系统12的机械冷却系统可以是由江森自控公司(Johnson ControlsIncorporated)提供的类似于YVAA冷冻机的空冷式变速螺杆式冷冻机。例如，机械冷却系统可以是具有变速冷凝器风扇(例如，可以与一个或多个空冷式热交换器一起使用的风扇)的双回路变速螺杆式冷冻机。另外，制冷系统12可以包括自由冷却系统，可以单独利用该自由冷却系统或者与机械冷却系统(例如，蒸气压缩制冷循环)相组合地利用。
在某些实施例中，制冷系统12可以包括控制系统，该控制系统被配置成基于环境空气(例如，制冷系统的周围环境中的空气)的温度和/或冷却负载需求(例如，负载所需的冷却量)来确定是否(以及如何)操作机械冷却系统和/或自由冷却系统。因此，制冷系统12可以仅操作机械冷却系统(例如，机械冷却模式)、仅操作自由冷却系统(例如，自由冷却模式)，或者同时操作机械冷却系统和自由冷却系统(例如，混合冷却模式)以满足冷却负载需求。
如以上讨论，可能期望最小化输入到制冷系统12的能量的量，以便在实现负载的期望冷却能力的同时最大化制冷系统12的效率。在典型的制冷系统中，自由冷却系统的风扇速度可以在机械冷却系统的压缩机(例如，变速压缩机)启动之前被最大化，以实现期望的冷却负载。然而，现在认识到，在达到风扇的最大速度之前启动机械冷却系统压缩机可以比在启动机械冷却系统压缩机之前以最大速度操作风扇消耗更少的能量。
例如，图3是可以根据本披露的实施例利用的制冷系统12的框图。如所展示的实施例所示，制冷系统12包括自由冷却系统52和机械冷却系统54(例如，一个或多个蒸气压缩制冷循环)。自由冷却系统52可以包括空冷式热交换器56，该空冷式热交换器可以接收并冷却冷却流体58(例如，水和/或乙二醇)。例如，空冷式热交换器56可以沿着由一个或多个风扇60(例如，变速风扇)产生的空气流动路径59定位，该一个或多个风扇将空气引导过空冷式热交换器56的盘管。当环境空气处于相对较低的温度时，被引导过盘管的空气可以从冷却流体58中吸收热量，由此降低冷却流体58的温度并且增加流过空冷式热交换器56的盘管的环境空气的温度。在某些实施例中，冷却流体58可以由空冷式热交换器56从负载62接收。因此，冷却流体58可以最终被朝向负载62重新引导以降低负载62的温度(例如，可以被引导穿过建筑物或机器的空气或流体)。
然而，当环境空气的温度相对较高时，自由冷却系统52可能不会同样有效。例如，冷却流体58与空冷式热交换器56中的环境空气之间发生的热传递的量可以随着环境空气的温度升高而降低(例如，当环境空气相对温暖时，环境空气可能不会从冷却流体58中吸收同样多的热量)。因此，制冷系统12可以包括三通阀64，该三通阀控制可以流向自由冷却系统52的冷却流体58的量。例如，当环境空气温度充分低于从负载62返回的冷却流体58的温度时，三通阀64可以阻止冷却流体58直接流向机械冷却系统54的蒸发器66并且同时使其能够流过空冷式热交换器56，使得自由冷却满足冷却负载需求的至少一部分。冷却流体58随后可以流过蒸发器66，该蒸发器可以进一步对冷却流体58进行冷却。
如图3所展示的实施例所示，三通阀64可以接收来自泵65的冷却流体58，并且在将冷却流体58的流动直接从负载62朝向蒸发器66引导或从空冷式热交换器56朝向蒸发器66引导之间做出选择。在某些实施例中，三通阀64可以包括一个三通和两个双通蝶阀，这些蝶阀机械地联接到可以调整阀的位置的致动器(例如，在一个蝶阀关闭时另一个蝶阀打开)。应当注意，尽管在图3的实施例中，三通阀64位于空冷式热交换器56的上游，但在其他实施例中，三通阀64可以位于空冷式热交换器56的下游。在其他实施例中，三通阀64可以被配置成同时供应并控制冷却流体58直接从负载62流到空冷式热交换器56并流到蒸发器66。
当自由冷却能够提供基本上全部的冷却负载需求时(例如，当环境空气温度低于阈值温度时)，机械冷却系统54不操作。这样，冷却流体58流过蒸发器66而不经历显著的温度变化(例如，基本上没有热量从蒸发器66中的冷却流体58传递)。在一些实施例中，制冷系统12可以包括旁通阀67，该旁通阀用于使冷却流体58(或冷却流体58的一部分)能够绕过蒸发器66。在某些实施例中，绕过蒸发器66可以基本上避免冷却流体58在流过蒸发器66时经历的压降。
当自由冷却不能提供基本上所有的冷却负载需求时，可以启动机械冷却系统54(例如，单独操作或与自由冷却系统52同时操作)。在某些实施例中，机械冷却系统54可以是蒸气压缩制冷循环68，其包括蒸发器66、压缩机70(例如，变速压缩机)、冷凝器72和/或膨胀装置74以及其他部件。例如，机械冷却系统54可以被配置成使制冷剂76循环，该制冷剂可以经由与冷却流体58的热传递(例如，冷却流体58将热能传递到蒸发器66中的制冷剂76)而在蒸发器66中蒸发(例如，汽化)。因此，热量可以从冷却流体58传递到蒸发器66内的制冷剂76，由此降低冷却流体58的温度(例如，代替或补充自由冷却系统52)。在某些实施例中，冷却流体58和/或制冷剂76可以包括乙二醇(或乙二醇和水的混合物)。在一些实施例中，冷凝器72的一组或多组盘管可以包括微通道盘管。
空冷式热交换器56可以包括圆管板翅式盘管，其具有内部增强管和百叶窗翅片以改善热传递。蒸发器66可以是铜焊板式、直接膨胀(DX)壳管式热交换器、满溢式管壳式热交换器、降膜壳管式热交换器、混合降膜和满溢式热交换器，或它们的任何组合。对于利用DX蒸发器的实施例，制冷剂在管侧上，并且制冷剂可以多次通过蒸发器(例如，两次、三次、四次或更多次)。对于利用制冷剂在壳侧上的蒸发器的实施例，水或乙二醇可以流过管道一次、两次、三次或更多次。
离开蒸发器66的制冷剂76可以流向压缩机70，该压缩机被配置成使制冷剂循环通过蒸气压缩制冷循环68。另外，随着制冷剂76循环(例如，轮回)通过蒸气压缩制冷循环68，压缩机70可以增加制冷剂76的压力。增加制冷剂76的压力还可以增加制冷剂76的温度，使得离开压缩机70的制冷剂76的温度高于进入压缩机70的制冷剂76的温度。因此，可能期望降低制冷剂76的温度，使得它最终可以从蒸发器66中的冷却流体58吸收热量。
因此，离开压缩机70的制冷剂76可以流向冷凝器72。在某些实施例中，机械冷却系统54的冷凝器72可以是空冷式热交换器，类似于自由冷却系统52的空冷式热交换器56。在冷凝器72是空冷式热交换器的实施例中，冷凝器72可以与空冷式热交换器56共用风扇60。如图3所展示的实施例所示，冷凝器72可以相对于空气流动路径59位于空冷式热交换器56的下游，使得冷却流体58可以在自由冷却期间接近环境温度。在其他实施例中，冷凝器72可以包括与风扇60分开的风扇77(例如，变速风扇)(例如，图4和图5)。在其他实施例中，机械冷却系统54的冷凝器72可以是被配置成将热量从制冷剂76传递到另一介质(例如，水、空气)的任何合适的热交换器。在任何情况下，冷凝器72被配置成降低制冷剂76的温度并且总体将制冷剂76液化(例如，冷凝)。
在某些实施例中，机械冷却系统54还可以包括膨胀装置74，该膨胀装置可以进一步降低制冷剂76的温度，并且降低制冷剂76的压力。膨胀装置74可以包括膨胀阀、闪蒸罐、膨胀盘管，或任何其他被配置成降低制冷剂76的压力(并且降低制冷剂76的温度)的装置。在其他实施例中，机械冷却系统54可以不利用膨胀装置74。
如上所讨论，冷却流体58可以通过流过自由冷却系统52和/或机械冷却系统54的蒸发器66来降低温度。然而，当冷却负载需求(例如，负载62的预定和/或期望温度和/或离开蒸发器66的冷却流体58的预定温度)超过自由冷却系统52独自可以提供的量时，自由冷却系统52和机械冷却系统54可以同时操作(例如，混合冷却模式)。因此，冷却流体58可以被引向自由冷却系统52的空冷式热交换器56，其中冷却流体58的温度可以从第一温度降低到第二温度(例如，第二温度低于第一温度)。另外，冷却流体58可以在离开空冷式热交换器56后被引向机械冷却系统54的蒸发器66。在混合冷却模式期间，冷却流体58的温度可以进一步从第二温度降低到第三温度(例如，第三温度低于第二温度，并因此低于第一温度)。在离开蒸发器66后，冷却流体58可以被引向负载62，其中可以利用冷却流体58来冷却负载62。
在某些实施例中，冷却流体58的第一部分可以被引向自由冷却系统的空冷式热交换器56，而冷却流体58的第二部分可以被引向机械冷却系统54的蒸发器66(例如，经由三通阀64)。在其他实施例中，通常所有的冷却流体58可以在进入蒸发器66之前流过空冷式热交换器56或者直接流过蒸发器66。
制冷系统12可以包括控制器78，该控制器可以调整三通阀64的位置、旁通阀67的位置、一个或多个风扇60的速度、一个或多个风扇77(例如，图5)的速度、压缩机70的速度，和/或任何其他可能会影响供应给负载62的冷却流体58的温度的操作条件。因此，制冷系统12可以包括一个或多个传感器，该一个或多个传感器可以监测制冷系统12的操作条件。例如，制冷系统12可以包括返回冷却流体温度传感器81、供应冷却流体温度传感器83、吸入压力传感器85、排出压力传感器87，和/或环境温度传感器89。温度和/或压力传感器可以向控制器78提供反馈，该控制器随后可以基于从一个或多个传感器接收的反馈来调整三通阀64的位置、阀67的位置、一个或多个风扇60的速度、一个或多个风扇77(图5)的速度，和/或压缩机70的速度。
在某些实施例中，控制器78可以包括处理器80和存储器82。例如，控制器78可以包括存储在机器可读介质(例如，存储器82)中的非暂态代码或指令，该非暂态代码或指令由处理器(例如，处理器80)使用来实施本文中披露的技术。存储器82可以存储可以由处理器80执行的计算机指令。另外，存储器82可以存储与制冷系统12的预定操作条件有关的实验数据和/或其他值。控制器78可以监测并控制制冷系统12的操作，例如通过基于从一个或多个传感器接收的反馈来调整三通阀64的位置、阀67的位置、一个或多个风扇60的速度、一个或多个风扇77的速度，和/或压缩机70的速度。制冷系统12的控制器78可以被配置成执行可以提高制冷系统12的效率的指令。本文中参考图6更详细地讨论此类指令。
图4是制冷系统12的框图，其中机械冷却系统54包括第二蒸气压缩制冷循环90。第二蒸气压缩制冷循环90可以包括第二压缩机91(例如，变速压缩机或定速压缩机)、第二冷凝器92，以及第二膨胀装置93。在一些实施例中，压缩机70可以是变速压缩机并且第二压缩机91可以是定速压缩机。然而，在其他实施例中，压缩机70和第二压缩机91可以是将使得制冷系统12能够以最小的能量输入操作的变速压缩机和定速压缩机的任何适当的组合。另外，第二蒸气压缩制冷循环90可以被配置成在冷却负载需求相对较高时将制冷剂94引导通过蒸发器66以提供附加的冷却。第二蒸气压缩制冷循环90可以被配置成以与蒸气压缩制冷循环68基本相同的方式操作，以向蒸发器66提供冷却的制冷剂94，其中冷却的制冷剂94可以从冷却流体58吸收热量。在一些实施例中，制冷剂94可以是与制冷剂76相同的流体(例如，水、乙二醇，和/或水和乙二醇的混合物)。在其他实施例中，制冷剂94可以与制冷剂76不同。
如图4所示，两个制冷剂回路68和90共用单个蒸发器66。在这个实施例中，蒸发器66包括制冷剂在壳侧上并且水或乙二醇在管侧上的壳管式热交换器。分隔件95将两个制冷剂回路68和90分开并且充当两个回路68和90之间的管板。在其他实施例中，当制冷系统12中包括多个制冷剂回路68和90时，可以利用DX蒸发器或铜焊板式蒸发器。
如图4所展示的实施例所示，第二冷凝器92可以定位在与冷凝器72分开的空气流动路径96中。第二空冷式热交换器97可以沿空气流动路径96定位并且与第二冷凝器92共用风扇98(例如，变速风扇)。在这个实施例中，空气流59从周围环境中被抽出、通过空冷式热交换器59、冷凝器72和风扇60，并且随后向上排出(例如，离开制冷系统12)。同样，空气流动路径96从周围环境中被抽出、通过第二空冷式热交换器97、第二冷凝器92和风扇98，并且随后向上排出(例如，离开制冷系统12)。在其他实施例中，冷凝器72、第二冷凝器92和空冷式热交换器56可以以任何合适的布置来定位，以满足冷却负载需求。在其他实施例中，冷凝器72、第二冷凝器92和空冷式热交换器56中的一个或多个可以共用风扇(例如，冷凝器72、第二冷凝器92和/或空冷式热交换器56位于相同的空气流动路径中)，使得环境空气流过处于串流配置的空冷式热交换器56、冷凝器72、第二冷凝器92以及风扇60。
另外，控制器78可以通信地耦合到第二吸入压力传感器99和第二排出压力传感器100，以监测进入和离开第二压缩机91的制冷剂94的压力(例如，类似于压缩机70的吸入压力传感器85和排出压力传感器87)。在一些实施例中，进入和离开第二压缩机91的制冷剂94的压力可以使控制器78能够确定是否提高和/或降低第二压缩机91的速度。
制冷系统12可以另外包括节约装置101、过滤器102、油分离器104和/或附加阀，这些附加阀可以提供增强的控制和冷却负载62的能力，并且从而提高制冷系统12的效率。例如，图5是包括此类附加装置的制冷系统12的框图。如图5所展示的实施例所示，蒸气压缩制冷循环68包括节约装置101。节约装置101可以包括膨胀装置74以及闪蒸罐106。在某些实施例中，闪蒸罐106可以在相对低的压力和低温下从膨胀装置74接收制冷剂76。闪蒸罐106可以是被配置成甚至进一步快速地降低制冷剂76的压力来将任何蒸气制冷剂与冷凝制冷剂分开的容器。因此，由于闪蒸罐106内的快速膨胀，制冷剂76的第一部分可以蒸发(例如，从液体变成蒸气)。在一些实施例中，蒸发的制冷剂76的第一部分可以绕过蒸发器66并且经由旁通回路107被引向压缩机70。另外，制冷剂76的第二部分可以保持液体形式并收集在闪蒸罐106的底部108处。在一些实施例中，阀110可以被包括在闪蒸罐106的下游且在蒸发器66的上游，使得可以基于制冷系统12的其他操作条件来调整制冷剂76的第二部分的流量。例如，当冷凝器72将制冷剂76的温度降低至一定水平，使得离开闪蒸罐106的第一部分显著小于第二部分时，可以调整阀110来增加被引向蒸发器66的制冷剂76的第二部分的流量，使得更多的致冷剂76在蒸发器66中蒸发并被引向压缩机70。
另外，闪蒸罐106可以包括液位传感器111，该液位传感器可以监测在闪蒸罐106的底部108中收集到的制冷剂76的第二部分(例如，液体部分)的量。液位传感器111可以通信地耦合到控制器78，以向控制器78提供关于闪蒸罐106中收集到的液体的量的反馈。在某些实施例中，控制器78可以被配置成基于从液位传感器111接收的反馈来执行输出、功能或命令。例如，在某些实施例中，三通阀112可以位于冷凝器72与节约装置101之间。因此，当闪蒸罐106中的液位高于阈值水平时，可以调整三通阀112来沿着旁通回路113将制冷剂76引向蒸发器66，由此绕过节约装置101(例如，制冷剂的温度太低，并且因此由节约装置101提供的附加冷却可能是不期望的)。另外，当闪蒸罐106中的液位低于预定水平时，三通阀112可以通过关闭旁通回路113来使全部或大部分制冷剂76在节约装置101中引起附加冷却。
如图5所展示的实施例所示，蒸气压缩制冷循环68还可以包括沿旁通回路107布置的止回阀115，该止回阀可以阻止制冷剂76的第一部分从压缩机70流向闪蒸罐106。因此，制冷剂76的第一部分(例如，蒸气制冷剂)可以从闪蒸罐106被引向压缩机70，其中制冷剂76的第一部分的压力可以增加。另外，由于止回阀115，制冷剂76的第一部分可以被阻止从压缩机70往回流向闪蒸罐106。另外地或替代地，阀116可以被包括在闪蒸罐106与压缩机70之间，使得制冷剂76的第一部分的流量可以由控制器78调整(例如，经由被配置成调整阀116的位置的致动器)。可能期望控制制冷剂76的第一部分从闪蒸罐106朝向压缩机70的流动，因为压缩机70可以包括管理可以被压缩的制冷剂76的速率的预定能力(例如，基于压缩机速度)。因此，当压缩机70接近预定能力时，控制器78可以调整阀116来减小制冷剂76的第一部分流向压缩机70的流动速率。类似地，当压缩机通常以低能力操作时，控制器78可以调整阀116来增加制冷剂76的第一部分流向压缩机70的流量。
另外，蒸气压缩制冷循环68可以包括过滤器102，该过滤器可以被利用来从制冷剂76中去除污染物。在某些实施方案中，酸和/或油可以与循环通过蒸气压缩制冷循环68的制冷剂76混合。因此，过滤器102可以被配置成从制冷剂76中去除此类污染物，使得进入膨胀装置74、闪蒸罐106、压缩机70和/或蒸发器66的制冷剂76包括最少的污染物。
蒸气压缩制冷循环68还可以包括油分离器104，例如，该油分离器可以位于压缩机70的下游且在冷凝器72的上游。油分离器104可以被利用来去除在制冷剂76流过压缩机70时可能收集在该制冷剂中的油。因此，在油分离器104内去除的任何油可以经由再循环回路117从油分离器104返回到压缩机70。另外，从制冷剂76中去除的油可以收集在油分离器104内。这样，阀118可以沿着再循环回路117定位以控制流向压缩机70的油的流量和/或压力。因此，返回到压缩机70的油的量可以由控制器78调整(例如，经由被配置成调整阀118的位置的致动器)。在某些实施例中，油分离器104可以是闪蒸器、膜分离器，或任何其他被配置成将油与制冷剂76(例如，水和/或乙二醇)分离的装置。
另外，阀119可以定位在压缩机70与油分离器104之间，以控制流向油分离器104的制冷剂76的量。在一些情况下，油分离器104可以包括油位监测装置(例如，油位传感器120)，该油位监测装置可以使控制器78和/或操作员能够确定在油分离器104中收集了多少油。当油分离器104中的油量超过预定阈值水平时，控制器78可以调整阀119的位置来减少制冷剂76朝向油分离器104的流动。在一些实施例中，控制器78还可以调整阀118的位置来增加从油分离器104返回到压缩机70的油的量。因此，油分离器104中的油位可以降低，从而使得更多的制冷剂76能够流向油分离器104并因此流向冷凝器72。尽管本讨论集中于蒸气压缩制冷循环68，但应注意，第二蒸气压缩制冷循环90还可以包括节约装置、过滤器、油分离器，和/或参考图5讨论的附加阀和部件。
为了提高制冷系统12的效率，可能期望在一个或多个风扇60达到最大速度(例如，一个或多个风扇60无法再更快地旋转所处的速度和/或由制造商指定的预定最大速度)之前操作压缩机70(和/或第二压缩机91)。在一些情况下，在一个或多个风扇60达到最大速度之前操作压缩机70(和/或第二压缩机91)可以提高制冷系统12的效率。例如，图6是可以被利用来提高制冷系统12的效率的过程130的框图。
在框132处，控制器78可以确定环境空气(例如，制冷系统12的周围环境中的空气)的温度和/或冷却负载(例如，负载62)需求。例如，控制器78可以通信地耦合到监测环境空气温度的环境空气温度传感器89。另外，控制器78可以通信地耦合到返回冷却流体温度传感器81和/或供应冷却流体温度传感器83以确定冷却负载需求。如本文中所使用，环境空气温度可以是制冷系统12周围的环境中的空气的温度。另外，冷却负载需求可以基于负载62的预定或期望温度(例如，从用户界面接收的温度)与负载62的实际温度(例如，从监测负载62的传感器接收的温度)之间的差异，和/或供应到负载62或从该负载返回的冷却流体58的期望温度(例如，从用户界面接收)与供应到负载62或从该负载返回的冷却流体58的实际温度(例如，从返回冷却流体温度传感器82或供应冷却流体温度传感器83接收的温度)之间的温差。
在框134处，控制器78可以被配置成以至少基于环境空气的温度和/或冷却负载需求的第一速度操作空冷式热交换器56的一个或多个风扇60。因此，控制器78可以被配置成基于从一个或多个传感器接收的反馈来(例如，经由处理器80)计算风扇的第一速度。一个或多个风扇60的第一速度可以随着冷却负载需求增加和/或环境空气温度升高而增加。相反，第一速度可以随着冷却负载需求降低(例如，当冷却时，在负载的实际温度小于负载的预定温度的情况下)和/或当环境空气温度降低时降低。
在某些实施例中，一个或多个风扇60可以包括最大速度(例如，一个或多个风扇60在物理上无法超过的速度)。然而，现在认识到，可能不期望将一个或多个风扇60的速度提高到最大速度。而是，当环境空气温度升高时和/或当冷却负载需求增加时，操作和/或增加压缩机70的压力可以减少输入到制冷系统12的功率。因此，控制器78的存储器82可以被配置成计算(例如，使用算法)一个或多个风扇60的阈值速度，该阈值速度可以低于一个或多个风扇60的最大速度。例如，一个或多个风扇60的阈值速度可以在最大速度的50％与99％之间、在最大速度的70％与95％之间，或者在最大速度的80％与90％之间。在一些实施例中，控制器78可以利用下面的方程式1来计算单自由冷却模式期间的阈值风扇速度。
阈值速度＝{[d1×(ECHLT-T环境)2]+d0}×风扇因子1 (1)
在方程式1中，d1和d0可以表示特定于空冷式热交换器56的预定因子。另外，ECHLT表示进入的冷冻液体温度(ECHLT)或从蒸发器66引向负载62的冷却流体58的温度(例如，从供应冷却流体温度传感器83接收的温度)。T环境是环境空气温度，并且风扇因子(FanFactor)1是可以特定于空冷式热交换器56的可编程因子。
对于单自由冷却模式下的操作，控制器调节风扇速度以将离开的冷冻液体温度维持在预定的设定点附近。随着负载和/或环境温度升高，控制器提高风扇60的速度直到它们达到阈值速度。在阈值速度下，控制器78可以阻止一个或多个风扇60的速度增加超过阈值速度。导致离开的冷冻水温度相应地增加到设定值以上的负载或环境温度的任何进一步升高或者其他操作条件会导致控制器启动一个或多个压缩机(例如，变速压缩机)的操作。如方程式1所示，对于各种操作条件，阈值速度可以不同(例如，对于环境空气温度和/或冷却负载的各种组合有不同的阈值速度)。压缩机70(和/或第二压缩机91)的速度可以由控制器78使用本领域已知的算法来确定，使得冷却负载需求可以由制冷系统12实现。
当一个或多个风扇60达到阈值速度时，控制器78也可以被配置成以第一压缩机速度来操作机械冷却系统54的压缩机70(和/或第二压缩机91)，如框136所示。在某些实施例中，压缩机70的第一压缩机速度可以是实现冷却负载需求并且也减少输入到制冷系统12的能量的量(例如，输入最小量的能量)的速度。另外，控制器78可以被配置成当压缩机70(和/或第二压缩机91)正在操作时确定一个或多个风扇60的第二速度。换句话说，当压缩机70操作时，可能不期望继续以阈值速度操作一个或多个风扇。例如，控制器78可以被配置成基于方程式2来确定第二速度。
第二速度＝b1×每个风扇的单位总负载+b2×风扇因子2 (2)
因此，第二速度(例如，在混合操作模式期间一个或多个风扇60的速度)可以基于每个风扇的单位总负载(例如，由一个或多个风扇60中的风扇执行的自由冷却和机械冷却的量)。因此，控制器78可以被配置成确定每个风扇的单位总负载，该单位总负载可以基于进入的冷冻液体温度(ECHLT)、环境温度(T环境)、每个风扇的自由冷却能力、每个风扇的机械冷却能力，以及制冷系统12中包括的风扇的数量等等。可以预先确定因子b1、b2和风扇因子2，以便基于实验数据和/或基于制冷系统12特有的信息(例如，由制造商提供)来使这个或这些压缩机70和/或91以及风扇60的总能量使用最小化。可以根据由压缩机70和/或91提供的机械冷却能力加上从空冷式热交换器56提供的自由冷却能力来估计每个风扇的单位总负载。
第二速度表示可以使压缩机70和/或91以及风扇60的总能量使用最小化的估计的风扇速度。在一些情况下，可能期望基于第二速度来调整特定制冷剂回路68和/或90的风扇速度，以将压缩机油压、压缩机吸入压力、压缩机排出压力和/或其他操作条件维持在可接受的控制范围内。
在某些实施例中，当一个或多个风扇60达到阈值速度时，当环境空气温度达到预定值时，和/或当冷却负载需求达到预定值时，压缩机70可以进行操作。因此，控制器78可以基于离开的冷冻液体温度、一个或多个风扇60的第二速度、环境空气温度和/或冷却负载需求来确定压缩机70的第一压缩机速度(和/或第二压缩机91的速度)。在其他实施例中，压缩机70(和/或第二压缩机91)可以不进行操作，直到一个或多个风扇60达到阈值速度。在任何情况下，同时以低于最大速度操作一个或多个风扇60和压缩机70可以减少制冷系统12消耗的功率量，这可以提高制冷系统的效率。
在一些情况下，操作条件(例如，环境空气温度和/或冷却负载需求)可以在制冷系统的操作期间改变。因此，在框138处，控制器78可以被配置成调整一个或多个风扇60的速度、压缩机70的压缩机速度和/或第二压缩机91的压缩机速度以便应对操作条件的变化。另外，控制器78可以被配置成在制冷系统12的不同操作模式之间切换(例如，参见图7)。作为非限制性实例，当制冷系统12位于室外环境中时，环境空气温度可能在夜间降低并且在白天升高(例如，由于有阳光或缺少阳光)。因此，在利用空冷式热交换器56的一个或多个风扇60和压缩机70的混合冷却操作模式期间，控制器78可以被配置成在晚上将一个或多个风扇60的速度从第一速度降低至第二速度(例如，第二速度小于第一速度)和/或将压缩机70的压缩机速度从第一压缩机速度降低至第二压缩机速度(例如，第二压缩机速度小于第一压缩机速度)。类似地，由于环境空气温度在白天增加，因此控制器78可以被配置成用于将一个或多个风扇60的速度从第一速度和/或第二速度增加至第三速度(例如，第三速度大于第一速度和/或第二速度)和/或将压缩机70的压缩机速度从第一压缩机速度和/或第二压缩机速度增加至第三压缩机速度(例如，第三压缩机速度大于第一压缩机速度和/或第二压缩机速度)。
另外，控制器78可以被配置成在冷却负载需求增加和/或减少时调整一个或多个风扇60的速度和/或压缩机70(和/或第二压缩机91)的速度。在任何情况下，控制器78可以被配置成通过计算基本上或总体上使输入到制冷系统12的功率量最小化(例如，参见方程式2)的一个或多个风扇60的速度和压缩机70的压缩机速度(和/或第二压缩机91的速度)的组合来确定一个或多个风扇60的速度和压缩机70(和/或第二压缩机91)的压缩机速度。因此，制冷系统12的效率可以提高。
图7是在制冷系统12的各种操作模式下环境温度随冷却负载需求变化的图形表示150。图形表示假设恒定的离开冷冻液体温度(LCHLT)(例如，从返回冷却液体温度传感器81接收的温度)和流率。因此，图形图示150示出了至少基于环境空气温度和冷却负载需求，制冷系统12何时可以在给定的模式下操作。如图7所展示的实施例所示，当环境空气温度低于阈值温度线152时，可以操作自由冷却系统52。在某些实施例中，基于所测量的返回冷冻液体温度、测量的环境空气温度和/或其他操作参数，阈值温度线152可以表示自由冷却可以仍然有效地从冷却流体58吸收热量的环境空气温度。此外，当环境空气温度低于第二阈值温度线154时，制冷系统12可以在单自由冷却模式156下操作。第二阈值温度线154可以表示可以在不利用机械冷却系统54的情况下和/或在不以超出阈值速度操作一个或多个风扇60的情况下实现冷却负载需求所处的环境空气温度。
当环境空气温度超过第二阈值温度线154但低于阈值温度线152时，控制器78可以被配置成以第一混合冷却模式158操作蒸气压缩制冷循环68的压缩机70。在第一混合冷却模式158下，由自由冷却系统52和蒸气压缩制冷循环68执行的冷却量实现了冷却负载需求。然而，在一些情况下，环境空气温度可能低于阈值温度线152，而自由冷却系统52和蒸气压缩制冷循环68也许不能实现冷却负载需求(例如，当冷却负载需求超过冷却负载需求阈值线159时)。因此，除了蒸气压缩制冷循环68的空冷式热交换器56和压缩机70之外，第二蒸气压缩制冷循环90的第二压缩机91也可以进行操作以实现期望的冷却水平。在此类情况下，制冷系统12可以在第二混合冷却模式160下操作。
当环境空气温度升高到阈值温度线152以上时，自由冷却系统52可以消耗能量但不提供任何大量的冷却。因此，可以阻止供应到一个或多个风扇60的功率，并且可以执行第一单机械冷却模式162。第一单机械冷却模式162可以操作蒸气压缩制冷循环68的压缩机70来冷却流过蒸发器66的冷却流体58。第一单机械冷却模式162可以实现低于第二冷却负载需求阈值线164的期望冷却水平。因此，当冷却负载需求超过第二冷却负载需求阈值线164(并且环境空气温度超过温度阈值线152)时，可以由控制器78启动第二单机械冷却模式166。第二单机械冷却模式166可以操作蒸气压缩制冷循环68的压缩机70和第二蒸气压缩制冷循环90的第二压缩机91两者，以便实现冷却负载需求。
在某些实施例中，温度阈值线152和第二温度阈值线154可以沿着代表环境空气温度的轴线170在点168处相交。点168可以小于代表LCHLT的点172，使得热量可以从冷却流体58传递到环境空气。
所披露的实施例中的一个或多个实施例单独或组合地可以提供可用于提高包括自由冷却系统和机械冷却系统的制冷系统的效率的一个或多个技术效果。通常，本披露的实施例包括当自由冷却系统的一个或多个风扇在最大速度以下操作时操作机械冷却系统的压缩机。在一些情况下，以低于最大速度的速度操作压缩机和自由冷却系统的风扇可能比以最大速度操作压缩机和/或风扇消耗更少的功率。因此，输入到制冷系统的功率可以减少，并且制冷系统的效率可以提高。本说明书中的技术效果和技术问题是示例性而非限制性的。应当注意的是，在本说明书中描述的实施例可以具有其他技术效果并且可以解决其他技术问题。
尽管仅展示和描述了本披露的某些特征和实施例，但本领域的技术人员可以想到许多修改和变化(例如，各种元件的大小、尺寸、结构、形状和比例、参数的值(例如，温度、压力等)、安装布置、材料的使用、颜色、取向等的变化)而实质上无需脱离权利要求中所述的主题的新颖性教示和优点。可以根据替代实施例对任何过程或方法步骤的顺序或序列进行改变或重新排序。因此，应该理解的是，所附权利要求书不旨在将所有这种修改和变化涵盖为落入本披露的真正精神内。此外，为了提供对示例性实施例的简要描述，可能尚未描述实际实现方式的所有特征(即，与当前预期的执行实施例的最佳模式无关的那些特征，或者与启用所要求保护的实施例无关的那些特征)。应该理解的是，在任何这种实际实施方式的开发中(如在任何工程或设计方案中)，必须作出大量实施方式特定的决定。这种开发工作可能是复杂且耗时的，但是对于从本披露中受益的普通技术人员来说，这仍是常规的设计、生产和制造工作，而无需过多实验。

Claims (29)

1.一种制冷系统，包括：
自由冷却系统，所述自由冷却系统包括空冷式热交换器，其中，所述空冷式热交换器包括风扇，所述风扇被配置成使得空气移动过所述空冷式热交换器的盘管以从流过所述空冷式热交换器的冷却剂中去除热量；
机械冷却系统，所述机械冷却系统包括制冷剂回路，所述制冷剂回路具有蒸发器、变速压缩机以及沿着所述制冷剂回路布置的冷凝器，其中，所述变速压缩机被配置成使制冷剂循环通过所述制冷剂回路，并且其中，所述蒸发器被配置成接收所述冷却剂并且将热量从所述冷却剂传递到所述制冷剂；以及
控制器，所述控制器被配置成调整所述风扇的风扇速度最高达到小于所述风扇的最大速度的阈值风扇速度，并且被配置成响应于所述风扇速度达到小于所述风扇的最大速度的所述阈值风扇速度而启动所述变速压缩机，其中，所述风扇速度和所述变速压缩机的压缩机速度是至少基于环境空气温度和冷却负载需求的。
2.如权利要求1所述的制冷系统，其中，所述控制器被配置成调整所述风扇速度和所述压缩机速度以便以最小能量输入实现期望的冷却负载需求。
3.如权利要求1所述的制冷系统，其中，所述自由冷却系统、所述机械冷却系统和所述控制器被封装在单个单元中，使得所述制冷系统是自主单元。
4.如权利要求1所述的制冷系统，其中，所述控制器被配置成响应于所述风扇速度达到所述阈值风扇速度而调整所述压缩机速度并且将所述风扇速度维持在所述阈值风扇速度。
5.如权利要求1所述的制冷系统，其中，所述阈值风扇速度是由所述控制器至少基于所述环境空气温度和离开所述蒸发器的所述冷却剂的温度中的一者或两者来确定的。
6.如权利要求1所述的制冷系统，其中，所述控制器被配置成响应于所述环境空气温度达到阈值温度而将所述风扇速度调整至零。
7.如权利要求1所述的制冷系统，其中，所述冷却剂包括乙二醇。
8.如权利要求1所述的制冷系统，其中，所述制冷剂回路的所述冷凝器包括空冷式冷凝器。
9.如权利要求8所述的制冷系统，其中，所述空冷式冷凝器相对于空气流处于所述空冷式热交换器的下游。
10.如权利要求1所述的制冷系统，包括温度传感器，所述温度传感器被配置成监测所述环境空气温度并且将所述环境空气温度作为反馈提供给所述控制器。
11.如权利要求1所述的制冷系统，其中，所述机械冷却系统包括附加制冷剂回路，所述附加制冷剂回路具有附加变速压缩机和沿着所述附加制冷剂回路布置的附加冷凝器，其中，所述附加变速压缩机被配置成使附加制冷剂循环通过所述附加制冷剂回路，并且其中，所述附加制冷剂被配置成流动到所述蒸发器中并且从所述冷却剂吸收热量。
12.如权利要求1所述的制冷系统，其中，所述风扇是变速风扇。
13.如权利要求1所述的制冷系统，其中所述阈值风扇速度是由所述控制器基于环境空气温度或离开所述蒸发器的所述制冷剂的温度来确定的。
14.一种制冷系统控制器，包括：
存储器，所述存储器被配置成存储用于操作自由冷却系统和机械冷却系统的指令；
处理器，所述处理器被配置成执行所述指令，其中，所述指令包括：
确定环境空气温度和冷却负载需求中的一者或两者；
以至少基于所述环境空气温度和所述冷却负载需求中的一者或两者的第一速度操作空冷式热交换器的风扇；
基于所述环境空气温度和所述冷却负载需求中的至少一者或两者的变化来调整所述风扇的所述第一速度；以及
响应于所述第一速度达到小于所述风扇的最大速度的阈值速度，启动所述机械冷却系统的变速压缩机，其中，所述变速压缩机被配置成在以所述最大速度操作所述风扇之前以基于所述环境空气温度、所述冷却负载需求，以及所述风扇的所述第一速度中的一者或多者的压缩机速度进行操作。
15.如权利要求14所述的制冷系统控制器，其中，所述指令包括在所述环境空气温度达到阈值温度时将所述风扇的所述第一速度调整至零。
16.如权利要求15所述的制冷系统控制器，其中，所述指令包括响应于所述环境空气温度超过所述阈值温度而绕过所述空冷式热交换器。
17.如权利要求15所述的制冷系统控制器，其中，所述阈值温度低于从负载返回的冷却流体的温度。
18.如权利要求14所述的制冷系统控制器，其中，所述阈值速度是小于所述最大速度的预先确定的阈值速度。
19.如权利要求14所述的制冷系统控制器，包括温度传感器，所述温度传感器被配置成监测所述环境空气温度并且将所述环境空气温度作为反馈提供给所述制冷系统控制器。
20.如权利要求14所述的制冷系统控制器，其中，所述指令包括调整所述风扇的所述第一速度和所述压缩机速度中的一者或两者以实现所述冷却负载需求。
21.如权利要求14所述的制冷系统控制器，其中，所述指令包括将所述风扇维持在所述阈值速度并且调整所述压缩机速度以实现所期望的冷却负载需求。
22.如权利要求14所述的制冷系统控制器，其中所述阈值风扇速度是由所述制冷系统控制器基于所述环境空气温度来确定的。
23.如权利要求22所述的制冷系统控制器，其中所述阈值风扇速度是由所述制冷系统控制器基于离开蒸发器的制冷剂的温度来确定的。
24.一种控制制冷系统的方法，包括：
确定环境空气温度和冷却负载需求中的一者或两者；
以至少基于所述环境空气温度和所述冷却负载需求中的一者或两者的第一速度操作空冷式热交换器的变速风扇；
基于所述环境空气温度和所述冷却负载需求中的至少一者或两者的变化来调整所述变速风扇的所述第一速度；以及
响应于所述第一速度达到小于所述变速风扇的最大速度的阈值速度，启动机械冷却系统的变速压缩机，其中，所述变速压缩机被配置成在以所述最大速度操作所述变速风扇之前以基于所述环境空气温度、所述冷却负载需求，以及所述变速风扇的所述第一速度中的一者或多者的压缩机速度进行操作。
25.如权利要求24所述控制制冷系统的方法，包括响应于所述环境空气温度达到阈值温度而将所述风扇的所述第一速度调整至零。
26.如权利要求25所述控制制冷系统的方法，包括响应于所述环境空气温度超过所述阈值温度而绕过所述空冷式热交换器。
27.如权利要求24所述控制制冷系统的方法，包括响应于所述冷却负载需求达到阈值冷却负载需求而调整附加变速压缩机的附加压缩机速度。
28.如权利要求24所述控制制冷系统的方法，包括在调整所述压缩机速度的同时调整所述风扇的所述第一速度以实现所述冷却负载需求。
29.如权利要求24所述控制制冷系统的方法，其中所述阈值风扇速度是由控制器基于环境空气温度或离开蒸发器的制冷剂的温度来确定的。
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