CN108758920A - 一种空调冷媒流量控制系统及其控制方法 - Google Patents

一种空调冷媒流量控制系统及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种空调冷媒流量控制系统及其控制方法，系统包括压缩机、冷凝器、储液器、单向阀Ⅰ、流量调节装置和蒸发器、冷媒增压装置、单向阀Ⅱ、温度传感器Ⅰ、温度传感器Ⅱ和压力传感器，方法包括压缩模式控制方法和自然冷却模式控制方法，压缩模式控制方法是根据回气过热度调节流量调节装置开度；自然冷却模式控制方式是根据送风过热调节流量调节装置开度。通过上述系统和方法，间接利用自然冷源将冷媒经过自然冷源降温，再送到数据中心内，为数据中心提供冷量，达到了降低能耗和使用成本的目的。

Description

一种空调冷媒流量控制系统及其控制方法
技术领域
本发明属于空调控制技术领域，尤其涉及一种控制空调冷媒流量的系统及其控制方法。
背景技术
我国数据中心总量超过40万个，数据中心机房整体PUE居高不下，耗电量已超过全社会总电量的1.5%，数据中心中空调设备耗电量占据了数据中心耗电量的40%。为降低数据中心能耗，机房建设相关部门联合制定了《国家绿色数据中心试点工作方案》。要求2017年在重点领域创建百个绿色数据中心，绿色数据中心要求：1）利用自然冷源；2）循环使用水资源；3）低PUE。自然冷源作为一种免费的冷源，符合绿色数据中心的要求，得到各个机房空调企业的重视。
在我国大部分地区，冬季温度很低，接近或者低于0℃，存在丰富自然冷源，如果直接将室外空气通入数据中心，需要对空气进行过滤处理，由于我国的空气质量较差，空气含有大量的尘埃，过滤网需要经常更换，增加了维护费用，整体计算，其实成本并没有降低。冷媒间接利用自然冷源由于压力低，不能采用传统的方式调节冷媒流量。否者根本达不到温度控制以及降低能耗的目的。
发明内容
本发明为解决上述技术问题，提出了一种空调冷媒流量控制系统，通过该控制系统控制空调冷媒的流量，间接利用自然冷源将冷媒经过自然冷源降温，再送到数据中心内，为数据中心提供冷量，达到了降低能耗和使用成本的目的。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：
一种空调冷媒流量控制系统，包括压缩机、冷凝器、储液器、单向阀Ⅰ、流量调节装置和蒸发器，其特征在于： 还包括冷媒增压装置、单向阀Ⅱ、温度传感器Ⅰ、温度传感器Ⅱ和压力传感器，压缩机的出口通过管路与冷凝器相连，冷凝器的出口通过管路与储液器相连，储液器出口连接有两条管路，一条管路上安装冷媒增压装置，另一条管路安装单向阀Ⅰ，两条管路相接后与流量调节装置的进口相连，流量调节装置的出口通过管路与蒸发器相连，蒸发器的出口连接有两条管路，一条连接在压缩机的进口上，一条连接在单向阀Ⅱ的进口上，单向阀Ⅱ的出口通过管路与连接在压缩机出口上的管路相连；所述温度传感器Ⅰ安装在蒸发器的送风口，用于检测蒸发器的送风温度；所述温度传感器Ⅱ和压力传感器安装在蒸发器的出口的管路上，分别用于检测蒸发器出口管路内的冷媒的回气温度和回气压力。
在安装有压缩机的管路上还安装有气液分离器和油分离器，气液分离器安装在压缩机的进口的管路上，油分离器安装在压缩机的出口的管路上。
所述储液器上安装有安全阀，储液器的进口的管路上安装有温度传感器Ⅲ，温度传感器Ⅲ用于检测冷凝器冷凝后的冷媒的冷凝温度。
所述冷媒增压装置优选为氟泵。
所述流量调节装置的进口的管路上安装有电磁阀和干燥过滤器。
所述流量控制装置为电子膨胀阀。
本发明还提供了通过上述系统进行冷媒流量控制的方法，其特征在于：该方法包括压缩模式控制方法和自然冷却模式控制方法，检测到压缩机处于运行状态，氟泵处于停止状态，电子膨胀阀自动运行压缩模式；检测到压缩机处于待机状态，氟泵处于运行状态，电子膨胀阀自动切换为自然冷却模式，再次检测到压缩机处于运行状态，氟泵处于待机状态，电子膨胀阀再次自动切换压缩模式，电子膨胀阀两种运行模式，根据氟泵、压缩机运行状态智能切换，切换过程自动进行，不需要人为操作。
所述压缩模式控制方法为：
将流量调节装置调节至初始开度；
通过温度传感器Ⅱ检测冷媒的回气温度t，通过压力传感器检测冷媒的回气压力P；
计算回气压力对应的饱和气态温度t1，t1=a1+a2lnP+a3(lnP)2+a4(lnP)3+ a5(lnP)4+ a6(lnP)5
其中，R12、R22、R134a和R410A为冷媒种类。
回气过热度为t-t1，合理过热度区间为[5,8]，当t-t1＜5，流量调节装置开度按照1%的开度增加；当t-t1＞8，流量调节装置开度按照1%的开度减小；每次调节后，稳定时间60s后再次检测，重复上述调节，直至t-t1在合理过热度区间[5，8]范围内，t-t1在[5，8]范围，流量调节装置维持在当前开度；
所述自然冷却模式控制方法为：
流量调节装置调节至初始开度；
通过温度传感器Ⅱ检测冷媒的回气温度tf，通过温度传感器Ⅰ检测目标送风温度tf0，送风过热度区间为[-1，1]；
计算送风过热度tf -tf0，当tf -tf0＜-1，流量调节装置开度按照1%的开度减小；当tf-tf0＞1，流量调节装置开度按照1%的开度增加，每次调节后，稳定时间60s后再次检测，重复上述调节，直至tf -tf0在合理过热度区间[-1，1]范围内，tf -tf0在 [-1，1]范围，流量调节装置维持在当前开度。
通过与常规空调对比测试发现：本专利的提供的控制方法，控制精度比常规空调高，温度波动率为常规空调的80%，全年能效比COP比常规空调高出2倍以上，数据中心PUE降了40%以上，在自然冷源利用方面，只要环境温度低于15℃，可以利用自然冷源制冷，时间总长为0.3年以上。通过常规方法实现压缩机制冷与自然冷源制冷，需要使用2套，成本降低了20%以上。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明通过上述系统，将自然冷却和压缩机冷却合在一个系统里，通过检测回气温度、回气压力和送风温度来有效控制冷媒的流量、蒸发量和节流度，从而达到制冷的要求下，降低能耗；通过这些参数的具体控制，提高了冷媒蒸发效率，降低了冷媒循环量；本发明有效利用冬季室外环境自然冷源，减少数据中心空调设备耗电量，降低数据中心PUE，响应了国家建设绿色数据中心的号召。
附图说明
图1为本发明整体结构示意图。
附图标记1、压缩机，2、储液器，3、安全阀，4、温度传感器Ⅲ，5、冷媒增压装置，6、单向阀Ⅰ，7、电磁阀，8、干燥过滤器，9、流量调节装置，10、温度传感器Ⅰ，11、EC风机，12、蒸发器，13、温度传感器Ⅱ，14、压力传感器，15、气液分离器，16、油分离器，17、管路，18、单向阀Ⅱ。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步的描述，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，并不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域的普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的其他所用实施例，都属于本发明的保护范围。
本发明提供了一种空调冷媒流量控制系统，其目的是通过合理调节流量调节装置的开度来调节冷媒的流量，从而达到制冷要求的同时，降低能耗，降低PUE值。
本系统包括两个循环，一是压缩机制冷循环，一是氟泵制冷循环（利用自然冷源冷却制冷剂，降低能耗），通过两个制冷循环的结合，根据室外温度可以在两个制冷循环中自由切换，充分利用自然冷源，在自然冷源无法达到制冷目的的时候，通过压缩制冷循环来补充，以满足制冷目的。
下面对两个制冷循环作如下详细阐述：
1、压缩机制冷循环
高温高压的冷媒从压缩机1流出，经过油分离器16分离后，通过管道17进入冷凝器（图中未示出）冷凝为中温高压的液体，进入到储液器2，经过单向阀Ⅰ6与电磁阀7，经过干燥过滤器8干燥过滤后，再经过流量调节装置9进行流量调节后进入到蒸发器12；经过蒸发吸热后的冷媒变为低温低压的气体，经过气液分离器15进行气液分离后回到压缩机1中完成循环。
2、氟泵制冷循环
经过冷凝器（图中未示出）冷却后的中温中压的冷媒进入到储液器2，再经过冷媒增压装置5（如氟泵）增压变为中温高压的冷媒液体，经过电磁阀7，经过干燥过滤器8干燥过滤后，再经过流量调节装置9进行流量调节后进入到12蒸发器；经过蒸发吸热后的冷媒变为低温低压的气体，经过单向阀Ⅱ，通过管道17进入冷凝器，完成循环。
具体来讲，涉及到的硬件，以及他们的连接关系如下：
1）硬件
压缩机1：为冷媒在压缩制冷循环中提供循环动力，可以为变频或者定频压缩机，在本发明论述中采用变频压缩机，根据使用发明专利系统的机组冷量大小和冷媒种类选择型号；
冷媒增压装置5：在利用自然冷源时，为冷媒循环提供动力，使冷媒能够克服阻力完成循环，例如氟泵。
流量调节装置9：控制冷媒流量，满足蒸发器的制冷需求量，并且冷媒流经流量调节装置时，变为低温低压的气液混合状态的冷媒。流量调节装置的调节方式有两种：1、压缩机模式；2、自然冷却模式。
储液器2：压缩机模式和自然冷却模式所需的冷媒量不同，氟泵自然冷却式运行所需的冷媒远远多于压缩机模式所需冷媒，储液器用于储存压缩机模式运行时多余的冷媒。
干燥过滤器8：制冷系统在运行的过程会有少量的杂质与水产生，并且杂质与水会使系统运行出现故障，干燥过滤器能过滤杂质与水，冷媒能顺利循环。
蒸发器12：冷媒在蒸发器内蒸发，并且发生相变，冷媒在蒸发器内发生相变，由液态冷媒变为气态冷媒，通过EC风机11给室内送风达到制冷的目的。
温度传感器Ⅰ10：安装在蒸发器12的送风口，用于检测送风温度。
温度传感器Ⅱ13：安装在蒸发器的出口管路上，用于检测管路内的冷媒的回气温度。
温度传感器Ⅲ4：安装在储液器的进口的管路上，用于检测冷媒经过冷凝器冷凝后的温度。
压力传感器14：安装在蒸发器的出口管路上，用于检测管路内的冷媒的回气压力。
上述硬件的连接关系为：
压缩机1的出口通过管路与冷凝器相连，冷凝器的出口通过管路17与储液器2相连，储液器2出口连接有两条管路17，一条管路17上安装冷媒增压装置5，另一条管路17安装单向阀Ⅰ6，两条管路17相接后与流量调节装置9的进口相连，流量调节装置9的出口通过管路17与蒸发器12相连，蒸发器12的出口连接有两条管路17，一条连接在压缩机1的进口上，一条连接在单向阀Ⅱ18的进口上，单向阀Ⅱ18的出口通过管路17与连接在压缩机1出口上的管路相连。
气液分离器15和油分离器16安装在安装有压缩机的管路上，气液分离器15安装在压缩机1的进口的管路上，油分离器16安装在压缩机1的出口的管路上。
所述储液器2上安装有安全阀3。
所述冷媒增压装置5优选为氟泵。
流量电磁阀7和干燥过滤器8安装在调节装置9的进口的管路上，电磁阀7的出口连接在干燥过滤器8的进口上。
本发明还提供了上述系统的控制方法，该方法包括压缩模式控制方法和自然冷却模式控制方法。
所述压缩模式控制方法为：
压缩模式时，根据回气过热度调节流量调节装置开度。
（1）检测到压缩机系统启动，检测EC风机运行状态，无报警则进入下一步；
（2）电磁阀启动，流量调节装置调节至初始开度；
（3）检测回气温度t，回气压力P，计算回气压力对应的饱和气态温度t1，回气过热度为t-t1，合理过热度区间[5,8]，检测到t-t1＜5，流量调节装置开度按照1%的开度增加；检测到t-t1＞8，流量调节装置开度按照1%的开度减小，每次调节后，稳定时间60秒后再次检测，重复上述调节，直至t-t1在合理过热度区间[5，8]范围内，t-t1在[5，8]范围，流量调节装置维持在当前开度。
计算回气压力对应的饱和气态温度t1，t1=a1+a2lnP+a3(lnP)2+a4(lnP)3+ a5(lnP)4+ a6(lnP)5
R12 R22 R134a R410A
a1 -30.0876302 -41.0308840 -26.3563745 -51.9673667
a2 23.3809323 21.2206640 21.8210708 20.3204308
a3 2.49391686 2.40955580 2.26267331 1.03392485
a4（×10-2） 43.2578609 6.09719155 21.6026214 74.8312798
a5（×10-2） -6.63918749 9.18337892 3.57097686 -11.2395843
a6（×10-3） 17.5161937 -7.95893312 -2.08397355 11.6744984
其中，R12、R22、R134a和R410A为冷媒种类。
所述自然冷却模式控制方法为：
自然冷却模式时，根据送风过热调节流量调节装置开度。
（1）检测到冷媒增压装置（例如氟泵）系统启动，检测EC风机运行状态，无报警则进入下一步；
（2）电磁阀启动，流量调节装置调节至初始开度；
（3）检测回气温度tf，目标送风温度tf0，送风过热度区间[-1，1]，计算送风过热度tf -tf0，如果tf -tf0＜-1，流量调节装置开度按照1%的开度减小；如果tf -tf0＞1，流量调节装置开度按照1%的开度增加，每次调节后，稳定时间60秒后再次检测，重复上述调节，直至tf -tf0在合理过热度区间[-1，1]范围内，tf -tf0在 [-1，1]范围，流量调节装置维持在当前开度。

Claims (5)

1.一种空调冷媒流量控制系统，包括压缩机、冷凝器、储液器、单向阀Ⅰ、流量调节装置和蒸发器，其特征在于： 还包括冷媒增压装置、单向阀Ⅱ、温度传感器Ⅰ、温度传感器Ⅱ和压力传感器，压缩机的出口通过管路与冷凝器相连，冷凝器的出口通过管路与储液器相连，储液器出口连接有两条管路，一条管路上安装冷媒增压装置，另一条管路安装单向阀Ⅰ，两条管路相接后与流量调节装置的进口相连，流量调节装置的出口通过管路与蒸发器相连，蒸发器的出口连接有两条管路，一条连接在压缩机的进口上，一条连接在单向阀Ⅱ的进口上，单向阀Ⅱ的出口通过管路与连接在压缩机出口上的管路相连；所述温度传感器Ⅰ安装在蒸发器的送风口，用于检测蒸发器的送风温度；所述温度传感器Ⅱ和压力传感器安装在蒸发器的出口的管路上，分别用于检测蒸发器出口管路内的冷媒的回气温度和回气压力。
2.根据权利要求1所述的一种空调冷媒流量控制系统，其特征在于：在安装有压缩机的管路上还安装有气液分离器和油分离器，气液分离器安装在压缩机的进口的管路上，油分离器安装在压缩机的出口的管路上。
3.根据权利要求1所述的一种空调冷媒流量控制系统，其特征在于：所述储液器上安装有安全阀，储液器的进口的管路上安装有温度传感器Ⅲ，温度传感器Ⅲ用于检测冷凝器冷凝后的冷媒的冷凝温度。
4.根据权利要求1所述的一种空调冷媒流量控制系统，其特征在于：所述流量调节装置的进口的管路上安装有电磁阀和干燥过滤器。
5.一种空调冷媒流量控制方法，其特征在于：所述方法包括压缩模式控制方法和自然冷却模式控制方法，
所述压缩模式控制方法为：
将流量调节装置调节至初始开度；
通过温度传感器Ⅱ检测冷媒的回气温度t，通过压力传感器检测冷媒的回气压力P；
计算回气压力对应的饱和气态温度t1 ，
回气过热度为t-t1，合理过热度区间为[5,8] ，当t-t1＜5，流量调节装置开度按照1%的开度增加；当t-t1＞8，流量调节装置开度按照1%的开度减小；重复上述调节，直至t-t1在合理过热度区间[5，8]范围内，t-t1在[5，8]范围，流量调节装置维持在当前开度；
所述自然冷却模式控制方法为：
流量调节装置调节至初始开度；
通过温度传感器Ⅱ检测冷媒的回气温度tf，通过温度传感器Ⅰ检测目标送风温度tf0，送风过热度区间为[-1，1]；
计算送风过热度tf -tf0，当tf -tf0＜-1，流量调节装置开度按照1%的开度减小；当tf-tf0＞1，流量调节装置开度按照1%的开度增加，重复上述调节，直至tf -tf0在合理过热度区间[-1，1]范围内，tf -tf0 在 [-1，1]范围，流量调节装置维持在当前开度。
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