CN112556237A - 一种复合制冷系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种复合制冷系统，包括太阳能集热模块、直膨主机模块和多联末端模块，该系统将太阳能喷射制冷技术与动力热管技术有效融合，实现在过渡季及冬季充分利用自然冷源；在夏季太阳能充足时，利用太阳能为驱动实现制冷；本发明还公开了一种复合制冷系统的控制方法，可依据环境条件及使用工况进行不同工作模式的切换，并在极端工况下为了保证数据中心的冷量启动压缩机进行辅助制冷的混合模式运行。通过多种工作模式的选择切换，最大限度地实现对自然资源的利用，从而降低了压缩机的开启时间，提升了系统全年运行能效，具有较大节能效益及广泛适用性。

Description

一种复合制冷系统及其控制方法

技术领域

本发明公开了一种复合制冷系统及其控制方法，属于制冷系统领域。

背景技术

随着大数据、云计算、5G及人工智能等IT技术的飞速发展，数据中心需求及建设热度一再飙升。据统计，2010～2019年，中国数据中心市场增长了19倍，年增长率平均在35％以上。随之而来的数据中心节能成为热门话题，从数据中心的结构来看，节能潜力较大的方向为数据中心制冷空调系统节能。在各地对PUE值的严格要求政策推动下，充分利用自然冷技术成为数据中心制冷的主导趋势。目前市场上主要有以下几种利用自然冷的技术方向：蒸发冷技术(间接/直接)、新风自然冷、液冷以及动力热管技术等。各项技术均能实现对自然冷技术的利用，能够有效降低PUE值。而随着政策的进一步收紧，比如广东于2020年10月12日发布的《广东省推进新型基础设施建设三年实施方案(2020-2022年)》要求到2022年全省数据中心平均上架率达65％，设计PUE值平均低于1.3。而深圳实施节能补助办法推进数据中心绿色建设，其中对PUE小于1.25的数据中心补助力度高达40％。由此可见，为满足政策收紧的要求，特别在广东这种常年高湿的地区满足政策要求，急需对现有技术进行升级优化，或者探寻更为高效的新技术形式。

发明内容

本发明提供了一种复合制冷系统及其控制方法，该系统将太阳能喷射制冷技术与动力热管技术有效融合，实现在过渡季及冬季充分利用自然冷源；在夏季太阳能充足时，利用太阳能为驱动实现制冷；通过多种工作模式的选择切换，最大限度地实现对自然资源的利用，从而降低了压缩机的开启时间，提升了系统全年运行能效，具有较大节能效益及广泛适用性。

本发明的一方面涉及一种复合制冷系统，包括太阳能集热模块、直膨主机模块和多联末端模块，

所述直膨主机模块包括喷射器、冷凝器、储液罐和压缩机，所述喷射器的出口连接所述冷凝器的进口的管路上设有第一阀门，所述冷凝器的出口与所述储液罐的进液口连接，所述储液罐设有第一出液口和第二出液口，所述喷射器的引射口连接一第一管路，所述第一管路上设有第二阀门，所述冷凝器的进口连接一第二管路，所述第二管路上设有第三阀门，还包括第三管路，所述第三管路的两端分别连接第三阀门两侧的第二管路上，所述压缩机连接于所述第三管路上，且位于压缩机的排气口一侧的第三管路上设有第一单向阀，

所述太阳能集热模块的进口通过管路与所述第一出液口连接，所述第一出液口至所述太阳能集热模块的进口之间的管路上依次设有第一制冷剂泵和第二单向阀；所述太阳能集热模块的出口通过管路与所述喷射器的流体入口连接，

所述多联末端模块包括多个末端终端，各末端终端的进口均通过对应的分进液管与主进液管连接，所述主进液管与所述第二出液口连接，所述主进液管上设有第二制冷剂泵，各分进液管上均设有电子膨胀阀；各末端终端的出口均通过对应的分出液管与主出液管连接，所述主出液管与第一管路的进口及第二管路的进口连接。

进一步地，所述太阳能集热模块包括太阳能集热器、发生器和水泵，所述发生器的出水口与所述水泵的进口连接，所述水泵的出口与所述太阳能集热器的进水口连接，所述太阳能集热器的出水口与所述发生器的进水口连接，所述发生器的制冷剂出口与所述喷射器的流体入口连接，所述发生器的制冷剂进口与所述第二单向阀的出口连接。

进一步地，所述太阳能集热模块包括太阳能集热器，所述太阳能集热器的进液口与所述第二单向阀的出口连接，所述太阳能集热器的出液口与所述喷射器的流体入口连接。

进一步地，所述末端终端包括换热器，所述换热器设为管翅式换热器或微通道换热器。

进一步地，所述第一制冷剂泵设为离心式变频泵或齿轮式变频泵，所述第二制冷剂泵设为离心式变频泵或齿轮式变频泵。

进一步地，所述压缩机设为磁悬浮式压缩机或气悬浮式压缩机。

进一步地，所述冷凝器设为蒸发式冷凝器或风冷冷凝器。

本发明的另一方面涉及一种如上任一所述的复合制冷系统的控制方法，所述方法包括：控制检测室外环境温度和室内温度，

当室外环境温度低于室内温度设定值时，控制关闭喷射器、关闭第一阀门、关闭第二阀门、关闭压缩机、关闭第一制冷剂泵、打开第三阀门、打开第二制冷剂泵，给电子膨胀阀通电，第二制冷剂泵将储液罐内的制冷剂输送给多联末端模块，多联末端模块开启工作将热交换后的制冷剂供给冷凝器，制冷剂在冷凝器内冷却后供回储液罐，形成持续循环的第一制冷回路；

当室外环境温度高于室内温度设定值时，控制检测太阳光强度，若太阳光强度≥设定值时，控制关闭压缩机、关闭第三阀门、打开第一阀门、打开第二阀门，打开第一制冷剂泵，太阳能集热模块开启工作，使储液罐内部分制冷剂被太阳能集热模块加热后输入喷射器；打开第二制冷剂泵，给电子膨胀阀通电，第二制冷剂泵将储液罐内的制冷剂输送给多联末端模块，多联末端模块开启工作将热交换后的制冷剂输入喷射器，喷射器将接收的制冷剂喷入冷凝器，制冷剂在冷凝器内冷却后供回储液罐，形成持续循环的第二制冷回路；

当室外环境温度高于室内温度设定值时，控制检测太阳光强度，若太阳光强度＜设定值时，控制启动压缩机，第二制冷剂泵将储液罐内的制冷剂输送给多联末端模块，多联末端模块开启工作将热交换后的制冷剂途经压缩机后供给冷凝器，制冷剂在冷凝器内冷却后供回储液罐，形成持续循环的第三制冷回路。

本发明的有益效果如下：

本发明的复合制冷系统，将太阳能喷射制冷技术与动力热管技术有效融合，实现在过渡季及冬季充分利用自然冷源；在夏季太阳能充足时，利用太阳能为驱动实现制冷；本发明的复合制冷系统的控制方法，可依据环境条件及使用工况进行不同工作模式的切换，并在极端工况下为了保证数据中心的冷量启动压缩机进行辅助制冷的混合模式运行。本发明通过多种工作模式的选择切换，最大限度地实现对自然资源的利用，从而降低了压缩机的开启时间，提升了系统全年运行能效，具有较大节能效益及广泛适用性。

附图说明

图1为本发明所述的一种复合制冷系统采用其中一种结构的太阳能集热模块的结构图；

图2为本发明所述的一种复合制冷系统采用其中另一种结构的太阳能集热模块的结构图；

图3为本发明所述的一种复合制冷系统的第一制冷回路的结构图；

图4为本发明所述的一种复合制冷系统的第二制冷回路的结构图；

图5为本发明所述的一种复合制冷系统的第三制冷回路的结构图。

各部件名称及其标号

101、太阳能集热器；

102、水泵；

103、发生器；

201、喷射器；

202、冷凝器；

203、储液罐；

204、第一制冷剂泵；

205、第二制冷剂泵；

206、压缩机；

207、第二单向阀；

208、第一阀门；

209、第一单向阀；

210、第三阀门；

211、第二阀门；

301、末端1；

302、末端n；

303、电子膨胀阀1；

304、电子膨胀阀n。

具体实施方式

为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案做详细的说明。

实施例

请参照附图1-5所示，本发明的实施例公开一种复合制冷系统，复合制冷系统，包括太阳能集热模块、直膨主机模块和多联末端模块，该系统将太阳能喷射制冷技术与动力热管技术有效融合，实现在过渡季及冬季充分利用自然冷源；在夏季太阳能充足时，利用太阳能为驱动实现制冷。

具体的，所述直膨主机模块包括喷射器201、冷凝器202、储液罐203和压缩机206，所述喷射器201的出口连接所述冷凝器202的进口的管路上设有第一阀门208，所述冷凝器202的出口与所述储液罐203的进液口连接，所述储液罐203设有第一出液口和第二出液口，所述喷射器201的引射口连接一第一管路，所述第一管路上设有第二阀门211，所述冷凝器202的进口连接一第二管路，所述第二管路上设有第三阀门210，还包括第三管路，所述第三管路的两端分别连接第三阀门210两侧的第二管路上，所述压缩机206连接于所述第三管路上，且位于压缩机206的排气口一侧的第三管路上设有第一单向阀209。

所述太阳能集热模块的进口通过管路与所述第一出液口连接，所述第一出液口至所述太阳能集热模块的进口之间的管路上依次设有第一制冷剂泵204和第二单向阀207；所述太阳能集热模块的出口通过管路与所述喷射器201的流体入口连接。

所述多联末端模块包括多个末端终端(301…302)，多个末端终端分别设为：末端1(301)……末端n(302)。各末端终端的进口均通过对应的分进液管与主进液管连接，所述主进液管与所述第二出液口连接，所述主进液管上设有第二制冷剂泵205，各分进液管上均设有电子膨胀阀(303…304)，如末端1(301)对应的电子膨胀阀设为电子膨胀阀1(304)，末端n(302)对应的电子膨胀阀设为电子膨胀阀n(304)；各末端终端的出口均通过对应的分出液管与主出液管连接，所述主出液管与第一管路的进口及第二管路的进口连接。

工作时，系统通过对上述阀门及管路的通断进行控制，从而使系统内形成不同的制冷回路，即对应为不同的工作模式。通过多种工作模式的选择切换，最大限度地实现对自然资源的利用，从而降低了压缩机206的开启时间，提升了系统全年运行能效，具有较大节能效益及广泛适用性。

需要说明的是，本发明的太阳能集热模块不限于某一种具体的实施方式，在不脱离本发明主体思想的情况下，对太阳能集热模块所做的任何形式更改均属于本发明范畴，如采用PV/T技术设计太阳能集热模块等。

请参照附图1所示，比如，在其中一种实施方式中，所述太阳能集热模块包括太阳能集热器101、发生器103和水泵102，所述发生器103的出水口与所述水泵102的进口连接，所述水泵102的出口与所述太阳能集热器101的进水口连接，所述太阳能集热器101的出水口与所述发生器103的进水口连接，所述发生器103的制冷剂出口与所述喷射器201的流体入口连接，所述发生器103的制冷剂进口与所述第二单向阀207的出口连接。本实施方式下太阳能集热模块系统介质为水，利用水的热传递效应实现对第一制冷剂泵204供给的制冷剂加热，然后在喷射器201中喷出，从而形成驱动制冷系统循环运转的动力源。

请参照附图2所示，而在另一种实施方式中，所述太阳能集热模块包括太阳能集热器101，所述太阳能集热器101的进液口与所述第二单向阀207的出口连接，所述太阳能集热器101的出液口与所述喷射器201的流体入口连接。本实施方式下太阳能集热模块相比于本实施例中上一种太阳能集热模块的实施方式取消了发生器103和水泵102，该模块直接利用太阳能集热器101加热第一制冷剂泵204供给的制冷剂，因此结构更加简单。本实施方式下的太阳能集热模块的制动原理与上一种太阳能集热模块的原理相同，此处不再赘述。

在一种具体的实施方式中，所述末端终端至少包括换热器，所述换热器设为管翅式换热器或微通道换热器。需要说明的是，多联末端模块即指由多个末端终端组成，而每个末端终端又主要由与之对应的电子膨胀阀、换热器、风机及控制模块等组成，比如多联末端可为房间级和行级精密空调、风墙、背板等多种常见型式。因此，在不脱离本发明主体思想的情况下，任何仅对末端终端型式所做的更改均属于本发明范畴。另外，本发明只对支撑本发明内容的必要器件及原理进行表述，而对于末端终端的具体工作过程及原理这种公知性技术未作说明。

在一种具体的实施方式中，所述第一制冷剂泵204设为离心式变频泵或齿轮式变频泵，所述第二制冷剂泵205设为离心式变频泵或齿轮式变频泵。其中，离心式变频泵和齿轮式变频泵均为目前市场上常见产品，其功能及工作原理此处不再详述，在本发明中，只需根据本发明具体设计要求选择相应的规定即可。

在一种具体的实施方式中，所述压缩机206设为磁悬浮式压缩机或气悬浮式压缩机。同理，磁悬浮式压缩机和气悬浮式压缩机均为目前市场上常见产品，其功能及工作原理此处不再详述，在本发明中，只需根据本发明具体设计要求选择相应的规定即可。

在一种具体的实施方式中，所述冷凝器202设为蒸发式冷凝器或风冷冷凝器。蒸发式冷凝器和风冷冷凝器的结构和原理均为公知性技术，不再详述。

本实施例还公开一种上述复合制冷系统的控制方法，所述方法包括：控制检测室外环境温度和室内温度，

当室外环境温度低于室内温度设定值时，控制关闭喷射器201、关闭第一阀门208、关闭第二阀门211、关闭压缩机206、关闭第一制冷剂泵204、打开第三阀门210、打开第二制冷剂泵205，给电子膨胀阀通电，第二制冷剂泵205将储液罐203内的制冷剂输送给多联末端模块，多联末端模块开启工作将热交换后的制冷剂供给冷凝器202，制冷剂在冷凝器202内冷却后供回储液罐203，形成持续循环的第一制冷回路。此为系统的动力热管模式，采用了动力热管技术，其原理是利用了制冷剂在制冷回路中持续循环进行热传导效应。当系统采用本制冷回路时，此时系统仅以第二制冷剂泵205作为系统动力源，实现将室外自然冷量输运至室内。由于制冷剂泵的运行功率远小于压缩机206运行功率，因而该模式下具有较高的系统能效。

当室外环境温度高于室内温度设定值时，控制检测太阳光强度，若太阳光强度≥设定值时，控制关闭压缩机206、关闭第三阀门210、打开第一阀门208、打开第二阀门211，打开第一制冷剂泵204，太阳能集热模块开启工作，使储液罐203内部分制冷剂被太阳能集热模块加热后输入喷射器201；打开第二制冷剂泵205，给电子膨胀阀通电，第二制冷剂泵205将储液罐203内的制冷剂输送给多联末端模块，多联末端模块开启工作将热交换后的制冷剂输入喷射器201，喷射器201将接收的制冷剂喷入冷凝器202，制冷剂在冷凝器202内冷却后供回储液罐203，形成持续循环的第二制冷回路。此为系统的太阳能制冷模式，此时由于室外环境温度高于室内温度，无法采用动力热管模式；但此时太阳能充足，系统利用太阳能作为驱动能源实现制冷满足数据机房冷量需求。该模式下采用的是太阳能，同时减少了压缩机206开启时间，系统消耗电能减小，系统能效较高，进一步提升了全年运行能效。

当室外环境温度高于室内温度设定值时，控制检测太阳光强度，若太阳光强度＜设定值时，此时，单靠太阳能制冷模式不足够满足制冷需求，因此在太阳能制冷模式的基础上同时开启压缩机206制冷模式，形成太阳能制冷模式+压缩机206制冷模式的混合制冷模式。具体的，控制开启喷射器201，打开第一阀门208、打开第二阀门211，打开第一制冷剂泵204，运行上述第二制冷回路，同时，控制关闭第三阀门210、启动压缩机206、打开第二制冷剂泵205，给电子膨胀阀通电，第二制冷剂泵205将储液罐203内的制冷剂输送给多联末端模块，多联末端模块开启工作将热交换后的制冷剂途经压缩机206后供给冷凝器202，制冷剂在冷凝器202内冷却后供回储液罐203，形成持续循环的第三制冷回路。此为系统的混合制冷模式，该模式下系统启动压缩机206，系统以压缩机206制冷模式运行。该模式适用于无充足太阳能的情况，主要用于极端工况下保证数据中心的冷量需求。

综上所述，本发明的复合制冷系统，将太阳能喷射制冷技术与动力热管技术有效融合，实现在过渡季及冬季充分利用自然冷源；在夏季太阳能充足时，利用太阳能为驱动实现制冷；本发明的复合制冷系统的控制方法，可依据环境条件及使用工况进行不同工作模式的切换，并在极端工况下为了保证数据中心的冷量启动压缩机206进行辅助制冷的混合模式运行。本发明通过多种工作模式的选择切换，最大限度地实现对自然资源的利用，从而降低了压缩机206的开启时间，提升了系统全年运行能效，具有较大节能效益及广泛适用性。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (8)

1.一种复合制冷系统，其特征在于，包括太阳能集热模块、直膨主机模块和多联末端模块，

所述直膨主机模块包括喷射器(201)、冷凝器(202)、储液罐(203)和压缩机(206)，所述喷射器(201)的出口连接所述冷凝器(202)的进口的管路上设有第一阀门(208)，所述冷凝器(202)的出口与所述储液罐(203)的进液口连接，所述储液罐(203)设有第一出液口和第二出液口，所述喷射器(201)的引射口连接一第一管路，所述第一管路上设有第二阀门(211)，所述冷凝器(202)的进口连接一第二管路，所述第二管路上设有第三阀门(210)，还包括第三管路，所述第三管路的两端分别连接第三阀门(210)两侧的第二管路上，所述压缩机(206)连接于所述第三管路上，且位于压缩机(206)的排气口一侧的第三管路上设有第一单向阀(209)，

所述太阳能集热模块的进口通过管路与所述第一出液口连接，所述第一出液口至所述太阳能集热模块的进口之间的管路上依次设有第一制冷剂泵(204)和第二单向阀(207)；所述太阳能集热模块的出口通过管路与所述喷射器(201)的流体入口连接，

所述多联末端模块包括多个末端终端(301…302)，各末端终端(301…302)的进口均通过对应的分进液管与主进液管连接，所述主进液管与所述第二出液口连接，所述主进液管上设有第二制冷剂泵(205)，各分进液管上均设有电子膨胀阀(303…304)；各末端终端(301…302)的出口均通过对应的分出液管与主出液管连接，所述主出液管与第一管路的进口及第二管路的进口连接。

2.如权利要求1所述的一种复合制冷系统，其特征在于，所述太阳能集热模块包括太阳能集热器(101)、发生器(103)和水泵(102)，所述发生器(103)的出水口与所述水泵(102)的进口连接，所述水泵(102)的出口与所述太阳能集热器(101)的进水口连接，所述太阳能集热器(101)的出水口与所述发生器(103)的进水口连接，所述发生器(103)的制冷剂出口与所述喷射器(201)的流体入口连接，所述发生器(103)的制冷剂进口与所述第二单向阀(207)的出口连接。

3.如权利要求1所述的一种复合制冷系统，其特征在于，所述太阳能集热模块包括太阳能集热器(101)，所述太阳能集热器(101)的进液口与所述第二单向阀(207)的出口连接，所述太阳能集热器(101)的出液口与所述喷射器(201)的流体入口连接。

4.如权利要求1所述的一种复合制冷系统，其特征在于，所述末端终端(301…302)包括换热器，所述换热器设为管翅式换热器或微通道换热器。

5.如权利要求1所述的一种复合制冷系统，其特征在于，所述第一制冷剂泵(204)设为离心式变频泵或齿轮式变频泵，所述第二制冷剂泵(205)设为离心式变频泵或齿轮式变频泵。

6.如权利要求1所述的一种复合制冷系统，其特征在于，所述压缩机(206)设为磁悬浮式压缩机或气悬浮式压缩机。

7.如权利要求1所述的一种复合制冷系统，其特征在于，所述冷凝器(202)设为蒸发式冷凝器或风冷冷凝器。

8.一种如权利要求1-7任一项所述的复合制冷系统的控制方法，其特征在于，所述方法包括：控制检测室外环境温度和室内温度，

当室外环境温度低于室内温度设定值时，控制关闭喷射器(201)、关闭第一阀门(208)、关闭第二阀门(211)、关闭压缩机(206)、关闭第一制冷剂泵(204)、打开第三阀门(210)、打开第二制冷剂泵(205)，给电子膨胀阀(303…304)通电，第二制冷剂泵(205)将储液罐(203)内的制冷剂输送给多联末端模块，多联末端模块开启工作将热交换后的制冷剂供给冷凝器(202)，制冷剂在冷凝器(202)内冷却后供回储液罐(203)，形成持续循环的第一制冷回路；

当室外环境温度高于室内温度设定值时，控制检测太阳光强度，若太阳光强度≥设定值时，控制关闭压缩机(206)、关闭第三阀门(210)、打开第一阀门(208)、打开第二阀门(211)，打开第一制冷剂泵(204)，太阳能集热模块开启工作，使储液罐(203)内部分制冷剂被太阳能集热模块加热后输入喷射器(201)；打开第二制冷剂泵(205)，给电子膨胀阀(303…304)通电，第二制冷剂泵(205)将储液罐(203)内的制冷剂输送给多联末端模块，多联末端模块开启工作将热交换后的制冷剂输入喷射器(201)，喷射器(201)将接收的制冷剂喷入冷凝器(202)，制冷剂在冷凝器(202)内冷却后供回储液罐(203)，形成持续循环的第二制冷回路；

当室外环境温度高于室内温度设定值时，控制检测太阳光强度，若太阳光强度＜设定值时，控制启动压缩机(206)，第二制冷剂泵(205)将储液罐(203)内的制冷剂输送给多联末端模块，多联末端模块开启工作将热交换后的制冷剂途经压缩机(206)后供给冷凝器(202)，制冷剂在冷凝器(202)内冷却后供回储液罐(203)，形成持续循环的第三制冷回路。

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