CN110542162A - 复合蒸发制冷和机械制冷的冷水机组一体机及切换方法 - Google Patents

复合蒸发制冷和机械制冷的冷水机组一体机及切换方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种复合蒸发制冷和机械制冷的冷水机组一体机，包括箱体及以及设置在箱体内的机械制冷组件和蒸发制冷组件；将机械制冷组件的蒸发式换热器与蒸发制冷组件的蒸发式换热器整合到箱体的蒸发冷却腔，共用进风口、风机、水泵、集水器及布水器等设备组件，极大提高了机组集成度、节省了机组空间。压缩机、蒸发器及控制箱置于箱体底部，不额外增加占地面积。控制箱基于温度、时间两个维度自动控制相应电动阀门从而切换机组工作模式。机组具有结构紧凑、体积小巧、易于布置、操作简单、节能高效、避免频繁切换等优势。

Description

复合蒸发制冷和机械制冷的冷水机组一体机及切换方法
技术领域
本发明涉及数据中心制冷领域，特别是一种复合蒸发制冷和机械制冷的冷水机组一体机及切换方法。
背景技术
作为信息化产业的关键基础设施，我国数据中心规模和数量增长迅速，然其高能耗问题日趋成为行业焦点。目前，国内大型数据中心一般采用机械制冷式冷水机组制取冷冻水进行冷却，而尽可能采用自然冷却(免费制冷)方式、减少机械冷却时间成为节能新方向。蒸发制冷技术是一种自然冷却方法，指水与未饱和空气接触时蒸发汽化，吸收本身以及空气中的热量从而使得水和空气的温度降低、产生制冷效果。本发明提供了一种复合蒸发制冷和机械制冷的冷水机组一体机，机组节能高效、切换简单且一体化程度高。
现有的技术中，已有利用蒸发制冷技术的冷水机组。授权公告号为CN106123172B、CN207350632U的专利文献，利用蒸发制冷技术直接制取冷水，通过采用多级蒸发制冷方式来降低出水温度，取消了机械制冷部件，获得较高的机组能效比；申请公布号为CN107477748A的专利文献，公开了一种蒸发制冷与机械制冷联合运行的新风冷水一体机，通过蒸发段同时得到冷水和冷风，在室外空气露点温度较高时，运行机械制冷部件冷却经过蒸发段预冷的空气，而此时冷水出水温度较高。上述技术在室外温度较高时，都不能满足冷冻水的需求。申请号为201920749177.X的专利文献，将蒸发制冷与机械制冷耦合，能够实现全年制冷，但由于蒸发段本身体积较大，而系统使用两个蒸发段使得机组占地面积过大，不利于实际使用；且其系统仅仅依靠温度进行切换，存在局部气温波动时系统频繁切换的隐患。
数据中心需要全年制冷。常规的机械制冷式冷水机组并未充分利用自然冷源，能耗较高。现有蒸发冷却冷水设备在炎热天气并不能满足连续提供冷水，而与机械制冷设备耦合使用时，占地面积较大，在寸土寸金的数据中心场地内难以布置。
发明内容
发明目的：本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种复合蒸发制冷和机械制冷的冷水机组一体机及切换方法。
为了解决上述技术问题，本发明公开了一种复合蒸发制冷和机械制冷的冷水机组一体机，包括箱体以及设置在箱体内的机械制冷组件和蒸发制冷组件；箱体分为蒸发冷却腔和设备腔；
机械制冷组件包括压缩机、第一蒸发式换热器、节流元件和蒸发器；
蒸发制冷组件包括集水器、水泵、布水器、风机和第二蒸发式换热器；
其中第一蒸发式换热器和第二蒸发式换热器设置于蒸发冷却腔内；
布水器设置在第一蒸发式换热器和第二蒸发式换热器的顶部；
集水器设置在第一蒸发式换热器和第二蒸发式换热器的底部；
水泵设置在布水器和集水器之间的水管；
风机设置在箱体的顶部。
本发明中，箱体两侧分别设有第一进风百叶和第二进风百叶，风从第一进风百叶和第二进风百叶进入箱体，从箱体顶部的风机出。
本发明中，包括冷冻水回水管，冷冻水回水管通过电动三通阀分别连通蒸发器和第二蒸发式换热器顶部。
本发明中，包括冷冻水供水管，冷冻水供水管通过第一电动阀连通到蒸发器；冷冻水供水管通过第二电动阀连通到第二蒸发式换热器底部。
本发明中，设备腔位于蒸发冷却腔下方，压缩机和蒸发器均设置在设备腔内，集成度高，节约空间。
本发明中，布水器上分别设有控制对第一蒸发式换热器洒水的第三电动阀以及控制对第二蒸发式换热器洒水的第四电动阀。
本发明中，设备腔内设有控制箱，控制箱内设有控制电动三通阀、第一电动阀和第二电动阀、第三电动阀和第四电动阀的控制器，控制器采用DDC/PLC控制器，自动根据温度和温度保持的时长控制电动三通阀、第一电动阀、第二电动阀、第三电动阀和第四电动阀的开闭。
本发明还提供了一种复合蒸发制冷和机械制冷的冷水机组一体机的切换方法，其特征在于，控制箱集成温湿度传感器接口，测量箱体外空气湿球温度和空气干球温度，并且设定第一设定温度T1、第二设定温度T2及时长t，T1＜T2，通过控制器实现电动阀门控制功能。
当空气湿球温度高于T2且保持时间达到t时，冷冻水回水管上电动三通阀连通蒸发器，第一电动阀、第三电动阀开启，第二电动阀、第四电动阀关闭，此时压缩机工作，机组进入机械制冷模式；
当空气湿球温度低于T2而空气干球温度高于T1且保持时间达到t时，冷冻水回水管上电动三通阀连通第二蒸发式换热器，第一电动阀、第三电动阀关闭，第二电动阀、第四电动阀开启，此时压缩机关闭、水泵工作，机组进入蒸发冷却模式；
当空气干球温度低于T1且保持时间达到t时，冷冻水回水管上电动三通阀连通第二蒸发式换热器，第一电动阀关闭，第二电动阀开启，此时压缩机和水泵都不工作，机组进入风冷自然冷却模式。
有益效果：本发明将第一蒸发式换热器和第二蒸发式换热器统一整合到蒸发冷却箱体内，两者共用第一进风百叶、第二进风百叶、集水器、水泵、布水器以及风机，从而极大提升机组集成度、节省空间；机组工作模式切换逻辑依靠温度、时间两个维度，解决了现有系统仅仅依靠温度进行切换时局部气温波动造成系统频繁切换的问题。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明做更进一步的具体说明，本发明的上述和/或其他方面的优点将会变得更加清楚。
图1是工作流程示意图；
图2是主视图；
图3是右视图；
图4是左视图。
1、压缩机，2、蒸发冷却腔，3、节流元件，4、蒸发器，5、电动三通阀，6、第一电动阀，7、第二电动阀，8、风机，9、第三电动阀，10、第四电动阀，11、布水器，12、第一蒸发式换热器，13、第二蒸发式换热器，14水泵，15、集水器，16、控制箱，17、第一进风百叶，18、第二进风百叶，19、箱体，20设备腔。
具体实施方式
如图1，一种复合蒸发制冷和机械制冷的冷水机组一体机主要包括蒸发制冷和机械制冷两部分。机械制冷部分包括压缩机1、第一蒸发式换热器12、节流元件3和蒸发器4。制冷剂经压缩机1压缩、第一蒸发式换热器12冷凝、节流元件3节流膨胀后在蒸发器4中蒸发吸热，从而将高温冷冻水回水降温。蒸发制冷部分包括集水器15、水泵14、布水器11、风机8和第二蒸发式换热器13，第二蒸发式换热器13顶部连通外部的冷冻水回水管，底部连通外部的冷冻水供水管。在风机8的作用下，空气由第一进风百叶17和第二进风百叶18处进入箱体2并由上部排出，在水泵14作用下，集水器15中的水经布水器11均匀洒向第二蒸发式换热器13，经与逆流空气接触后蒸发吸热，直接冷却第二蒸发式换热器13中的高温冷冻水回水，无需机械压缩循环制冷。
将第一蒸发式换热器12和第二蒸发式换热器13统一整合到蒸发冷却腔2内，两者共用第一进风百叶17、第二进风百叶18、集水器15、水泵14、布水器11以及风机8，从而极大提升机组集成度、节省机组空间。
冷冻水回水管通过电动三通阀5分别连通蒸发器4和第二蒸发式换热器13顶部。
冷冻水供水管分别连通蒸发器4和第二蒸发式换热器13底部，冷冻水供水管与蒸发器4之间的管道上设有第一电动阀6，冷冻水供水管与第二蒸发式换热器13底部之间的管道上设有第二电动阀7。布水器11上分别设有控制对第一蒸发式换热器12洒水的第三电动阀9以及控制对第二蒸发式换热器13洒水的第四电动阀10。
箱体19分为蒸发冷却腔2和设备腔20，设备腔20位于蒸发冷却腔2下方，压缩机1、蒸发器4和控制箱16均设置在设备腔20内，控制箱16集成了温湿度传感器接口并设有控制电动三通阀5、第一电动阀6、第二电动阀7、第三电动阀9和第四电动阀10的控制器。
一体机具有三种工作模式：机械制冷模式、蒸发冷却模式和风冷自然冷却模式。根据温湿度传感器测得室外空气温度，通过与系统的第一设定温度T1、第二设定温度T2比较，并保持一定时间t后，动作电动三通阀5、第一电动阀6、第二电动阀7、第三电动阀9及第四电动阀10等相应阀门自动切换工作模式。其中T1<T2，T1、T2、t可调整设置值，本实施例中T1取5℃，T2取12℃，t取15min。
工况一：当空气湿球温度高于12℃并持续15min时，冷冻水回水管上电动三通阀5连通蒸发器4，第一电动阀6、第三电动阀9开启，第二电动阀7、第四电动阀10关闭，压缩机1工作，机组进入机械制冷模式。此时，制冷剂经压缩机1压缩、第一蒸发式换热器12冷凝、节流元件3节流膨胀后在蒸发器4中蒸发吸热，从而将高温冷冻水回水降温。空气在风机8的作用下，由第一进风百叶17和第二进风百叶18处进入蒸发冷却腔2并由上部排出。在水泵14作用下，集水器15中的水经布水器11均匀洒向第一蒸发式换热器12，水与逆流空气蒸发吸热冷却第一蒸发式换热器中的制冷剂。
工况二：当空气湿球温度低于12℃而干球温度高于5℃并持续15min时，冷冻水回水管上电动三通阀5连通第二蒸发式换热器13，第一电动阀6、第三电动阀9关闭，第二电动阀7、第四电动阀10开启，压缩机1关闭、水泵14工作，机组进入蒸发冷却模式。此时，在风机8的作用下，空气由第一进风百叶17和第二进风百叶18处进入蒸发冷却腔2并由上部排出，在水泵14作用下，集水器15中的水经布水器11均匀洒向第二蒸发式换热器13，经与逆流空气接触后蒸发吸热，直接冷却第二蒸发式换热器13中的高温冷冻水回水。
工况三：当空气干球温度低于5℃并持续15min时，冷冻水回水管上电动三通阀5连通第二蒸发式换热器13，第一电动阀6关闭，第二电动阀7开启，压缩机1和水泵14都不工作，机组进入风冷自然冷却模式。此时，蒸发冷却腔2中只需风机8工作，低温空气由第一进风百叶17和第二进风百叶18处进入直接冷却第二蒸发式换热器13中的高温冷冻水回水。
由于气温变化是连续的，故系统切换只有工况一到工况二、工况二到工况三、工况三到工况二和工况二到工况一四种情况，现对切换逻辑列表1如下：
表1
当室外空气温度较低时，可采用蒸发冷却模式或风冷自然冷却模式无压缩部件免费制冷，大大增加了自然冷源的利用时间，进而提升机组能效。机械制冷系统的冷凝器采用蒸发式换热器，相比风冷冷凝器，由于降低了冷凝温度，故提高了机械制冷系统能效；相比水冷式冷凝器，减少了冷却塔、冷却水泵等复杂设备。创造性地将系统核心部件——机械制冷系统的蒸发式换热器与蒸发制冷系统的蒸发式换热器——整合到一个箱体内，共用进风口、风机、水泵、集水器及布水器等设备组件，极大提高了机组集成度、节省了机组空间。冷冻水侧只需连接机组进出口水管即可，机械制冷系统与蒸发制冷系统在机组内通过电动阀门便可自动切换，切换逻辑依靠温度、时间两个维度，解决了现有系统仅仅依靠温度进行切换时局部气温波动造成系统频繁切换的问题。机组在实现高效节能、全年制冷的同时，具有结构紧凑、体积小巧、易于布置、操作简单等优势。
本发明提供了一种复合蒸发制冷和机械制冷的冷水机组一体机及切换方法的思路及方法，具体实现该技术方案的方法和途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。

Claims (8)

1.一种复合蒸发制冷和机械制冷的冷水机组一体机，其特征在于，包括箱体(19)以及设置在箱体(19)内的机械制冷组件和蒸发制冷组件；箱体(19)分为蒸发冷却腔(2)和设备腔(20)；
机械制冷组件包括压缩机(1)、第一蒸发式换热器(12)、节流元件(3)和蒸发器(4)，蒸发制冷组件包括集水器(15)、水泵(14)、布水器(11)、风机(8)和第二蒸发式换热器(13)；
其中，第一蒸发式换热器(12)和第二蒸发式换热器(13)设置于蒸发冷却腔(2)内部；布水器(11)设置在第一蒸发式换热器(12)和第二蒸发式换热器(13)的顶部；集水器(15)设置在第一蒸发式换热器(12)和第二蒸发式换热器(13)的底部；水泵(14)设置在布水器(11)和集水器(15)之间的水管上；风机(8)设置在箱体(2)的顶部；压缩机(1)、蒸发器(4)及控制箱(16)设置于箱体(19)底部。
2.根据权利要求1所述的一种复合蒸发制冷和机械制冷的冷水机组一体机，其特征在于，箱体两侧分别设有第一进风百叶(17)和第二进风百叶(18)，风从第一进风百叶和第二进风百叶进入箱体，从箱体(2)顶部的风机(8)出。
3.根据权利要求1所述的一种复合蒸发制冷和机械制冷的冷水机组一体机，其特征在于，包括冷冻水回水管，冷冻水回水管通过电动三通阀(5)分别连通蒸发器(4)和第二蒸发式换热器(13)顶部。
4.根据权利要求3所述的一种复合蒸发制冷和机械制冷的冷水机组一体机，其特征在于，包括冷冻水供水管，冷冻水供水管通过第一电动阀(6)连通到蒸发器(4)；冷冻水供水管通过第二电动阀(7)连通到第二蒸发式换热器(14)底部。
5.根据权利要求4所述的一种复合蒸发制冷和机械制冷的冷水机组一体机，其特征在于，设备腔(20)位于蒸发冷却腔(2)下方，压缩机(1)和蒸发器(4)均设置在设备腔内。
6.根据权利要求4所述的一种复合蒸发制冷和机械制冷的冷水机组一体机，其特征在于，布水器(11)上分别设有控制对第一蒸发式换热器(12)洒水的第三电动阀(9)以及控制对第二蒸发式换热器(13)洒水的第四电动阀(10)。
7.根据权利要求6所述的一种复合蒸发制冷和机械制冷的冷水机组一体机，其特征在于，设备腔(20)内设有控制箱(16)，控制箱(16)内设有控制电动三通阀(5)、第一电动阀(6)、第二电动阀(7)、第三电动阀(9)和第四电动阀(10)的控制器。
8.一种复合蒸发制冷和机械制冷的冷水机组一体机的切换方法，其特征在于，控制箱集成温湿度传感器接口，测量箱体外空气湿球温度和空气干球温度，并且设定第一设定温度T1、第二设定温度T2及时长t，T1＜T2；
当空气湿球温度高于T2且保持时间达到t时，冷冻水回水管上电动三通阀(5)连通蒸发器(4)，第一电动阀(6)、第三电动阀(9)开启，第二电动阀(7)、第四电动阀(10)关闭，机组进入机械制冷模式；
当空气湿球温度低于T2而空气干球温度高于T1且保持时间达到t时，冷冻水回水管上电动三通阀(5)连通第二蒸发式换热器(13)，第一电动阀(6)关闭，第二电动阀(7)开启，机组进入蒸发冷却模式；
当空气干球温度低于T1且保持时间达到t时，冷冻水回水管上电动三通阀(5)连通第二蒸发式换热器(13)，第一电动阀(6)关闭，第二电动阀(7)开启，机组进入风冷自然冷却模式。
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