CN113883626B - 空调系统及其蓄冷罐充放冷控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种空调系统及其蓄冷罐充放冷控制方法。所述空调系统包括机组、蓄冷罐、末端水系统以及控制模块，所述机组通过第一管路和第二管路分别与末端水系统的进出水管连通，所述第一管路和第二管路之间设有第三管路，所述第一管路上与所述第三管路连通的节点两侧分别设有第一阀门和第二阀门，所述蓄冷罐的一个接口通过第一支路与所述第三管路连通，另一个接口通过第二支路与所述第二阀门出口的管路连通，所述第三管路在所述第一支路连通的连接点两侧分别设有第三阀门和第四阀门；控制模块控制蓄冷罐充放冷模式的切换。本发明很好地解决了现有技术中存在的机组长时间故障复位后，蓄冷罐工作状态不能进行切换的问题。

Description

空调系统及其蓄冷罐充放冷控制方法

技术领域

本发明涉及制冷技术领域，尤其涉及一种空调系统及其蓄冷罐充放冷控制方法。

背景技术

在制冷系统中经常会使用蓄冷罐，目前市面上大部分蓄冷罐仅仅充当后备冷源作用。常用的系统有以下两种：（1）单独配置一套充冷冷水机组，该机组的冷量存储在蓄冷罐中并通过一套独立的供回水管道和水泵给末端装置供冷，例如，中国专利申请CN111263562A公开的数据中心多元化综合冷却系统。该系统设备比较复杂，灵活性差，成本高。（2）使用一套冷水机组，末端装置不需要供冷，或负荷小时，给蓄冷罐充冷。末端装置需要供冷时优先使用蓄冷罐中的冷量，待蓄冷罐中的冷量不够时开启冷水机组供冷。现有这种系统中，当机组长时间故障复位后，蓄冷罐工作状态不会进行任何切换，冷水机组输出的冰水仍然先经过蓄冷罐再提供给末端，导致需要较长时间让水温达到目标值，末端的负荷冷量得不到及时保证。

发明内容

本发明提出一种空调系统及其蓄冷罐充放冷控制方法，以解决现有技术中存在的机组长时间故障复位后，蓄冷罐工作状态不能进行切换的问题。

本发明提出的空调系统包括机组、蓄冷罐、末端水系统以及控制模块，所述机组通过第一管路和第二管路分别与末端水系统的进出水管连通，其中，所述第一管路和第二管路之间设有第三管路，所述第一管路上与所述第三管路连通的节点两侧分别设有第一阀门和第二阀门，所述蓄冷罐的一个接口通过第一支路与所述第三管路连通，另一个接口通过第二支路与所述第二阀门出口的管路连通，所述第三管路在所述第一支路连通的节点两侧分别设有第三阀门和第四阀门。控制模块根据机组状态、末端负荷和蓄冷罐内温度的变化控制所述蓄冷罐充放冷模式的切换。

优选地，所述第四阀门采用压差控制比例阀或温差控制比例阀。

优选地，所述第四阀门的开度采用反馈控制调节。

所述第二管路在靠近机组一侧设有水泵。

优选地，所述空调系统还包括一换热器，所述第一管路和所述第二管路与该换热器的一侧连通，所述末端装置的供回水管与该换热器的另一侧连通。

所述蓄冷罐充放冷模式包括在线充冷模式、在线放冷模式、快速供冷模式和反向充冷模式。

本发明还提出一种上述空调系统的蓄冷罐充放冷控制方法，该方法根据机组状态、末端负荷和蓄冷罐内温度的变化控制蓄冷罐充放冷模式的切换。

所述蓄冷罐充放冷模式的切换条件如下：

在线充冷模式：机组运行且蓄冷罐温度小于等于设定值T1+i时，末端供水切换为通过蓄冷罐输送至末端；

在线放冷模式：机组不运行时，蓄冷罐内的低温水直接供给末端供冷；

快速供冷模式；机组运行且蓄冷罐温度大于设定值T1+i时，屏蔽蓄冷罐，机组出水直接给末端供冷；

反向充冷模式：机组运行，末端供水温度小于等于冷冻系统出水温度设定值T1+j，且蓄冷罐温度大于冷冻系统出水温度设定值T1+k时，机组出水优先给末端供冷，多余的冷量分流给蓄冷罐充冷。

在反向充冷模式中，第四阀门V4的开度大于2%。

所述蓄冷罐充放冷模式切换中，各阀门按以下方式控制：

（1）在线充冷模式中，第一阀门V1和第三阀门V3打开，第二阀门V2关闭，第四阀门V4开度控制为0。

（2）快速供冷模式中，第一阀门V1和第二阀门V2打开，第三阀门V3关闭，第四阀门V4开度为0。

（3）在线放冷模式中，第一阀门V1和第三V3打开，第二阀门V2关闭，第四阀门V4开度控制为0。

（4）反向充冷模式中，第一阀门V1和第二V2开启，第三阀门V3关闭，第四阀门V4开启。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

（1）本发明很好地解决了现有技术中存在的机组长时间故障复位后，蓄冷罐工作状态不能进行切换的问题，而且蓄冷罐模式切换中考虑了末端供水温度和蓄冷罐的温度，更有利于稳定末端负荷。

（2）阀门V4采用比例阀，其调节采用PID动态实时调节，可以根据实际工况做数据修正，大大增加了控制精度。

（3）蓄冷罐的充放冷与系统冷冻水泵公用同一套动力系统，经济投入较少，系统较为灵活。

（4）当机组故障恢复时，旁路蓄冷罐，优先将冷机冷量全部提供给末端，保证末端负荷的稳定性。

附图说明

以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明，其中：

图1为本发明在线充冷模式的示意图；

图2为本发明在线放冷模式的示意图；

图3为本发明快速供冷模式的示意图；

图4为本发明反向充冷模式的示意图；

图5为本发明各模式下阀门的动作流程图；

图6为本发明蓄冷罐充放冷模式切换的流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚，以下结合附图和实施例对本发明进行详细的说明。应当理解，以下具体实施例仅用以解释本发明，并不对本发明构成限制。

如图1所示，本发明提出的空调系统包括机组1、末端供水系统2以及控制模块。机组1通过第一管路4和第二管路5与末端供水系统2的进回水管路连通。第二管路5靠近机组一侧的管路上设有水泵3。第一管路4和第二管路5之间设有第三管路6。第一管路在第三管路连通的节点A两侧分别设有第一阀门V1和第二阀门V2。空调系统还包括一蓄冷罐7，其一个接口通过第一支路8与第三管路6连通，另一个接口通过第二支路9与第一管路4上第二阀门V2的出水管连通。第三管路上在第一支路连通的节点B两侧分别设有第三阀门V3和第四阀门V4。优选地，第四阀门采用压差控制或温差控制的比例阀。

为保证蓄冷罐切换过程中减小末端水系统的稳定性，在空调系统和末端水系统之间还设有一换热器10，第一管路4和第二管路5与该换热器的一侧连通，末端水系统的供回水管与换热器10的另一侧连通。该实施例中，换热器10采用板式换热器。末端供水系统2包括水泵和多个风机盘管11。

针对上述空调系统，本发明提出一种蓄冷罐充放冷控制方法，控制模块执行该蓄冷罐充放冷控制方法，充放冷控制方法根据末端负荷和蓄冷罐内温度的变化这两个判断条件相结合控制蓄冷罐的充放冷在多个模式之间切换，实现在任何情况下，空调系统优先保证末端负荷在稳定范围内，然后再考虑将蓄冷罐切换回主循环系统。

本发明提出的蓄冷罐充放冷模式包括以下四种模式：在线充冷模式、在线放冷模式、快速供冷模式和反向充冷模式。

蓄冷罐的充放冷模式控制主要体现在以下三部分：

1、蓄冷罐的多种控制模式。

在线充冷模式：当机组在运行且蓄冷罐温度过低时，机组出水切换为通过蓄冷罐输送到末端供冷，使蓄冷罐的温度回升到正常范围，冷冻水的流路如图1所示；

在线放冷模式：当机组不运行时，蓄冷罐内的低温水直接供给末端装置，在一定时间内稳定末端负荷，冷冻水的流路如图2所示；

快速供冷模式：当机组在运行且蓄冷罐温度过高时，切断机组出水流经蓄冷罐的回路，直接供冷到末端供水系统，避免蓄冷罐的高温影响末端负荷的稳定，冷冻水的流路如图3所示；

反向充冷模式：当机组运行，冷冻供水温度过低且蓄冷罐温度过高时，机组出水优先给末端供冷，多余的冷量分流给蓄冷罐充冷，冷冻水的流路如图4所示。

2、设计各模式下系统阀门的动作控制，以完成蓄冷罐在各个模式的切换。

各模式下阀门的动作控制如图5所示：

（1）在线放冷模式

当机组异常停机时（含掉电、故障等），或者所有机组均待机时，蓄冷罐进入放冷模式，此时，第一阀门V1和第三阀门V3打开，第二阀门V2关闭，第四阀门V4开度控制为0。在阀门的切换过程，为确保水流畅通，必须在第三V3阀门完全开到位之后，再关闭第二阀门V2。在线放冷模式中，末端负荷完全由蓄冷罐供冷。

需要说明的是，在在线放冷模式后，或长时间未给蓄冷罐充冷，由于蓄冷罐中的冷量已经完全释放，蓄冷罐中水温偏高，此时如果机组开机需要先进入快速供冷模式，优先满足末端负荷的冷量需求，保持系统在快速供冷模式运行，旁路蓄冷罐，保证末端负荷稳定。

（2）在线充冷模式

当检测到至少一台机组正常运行，且蓄冷罐平均温度≤冷冻系统出水温度设定值T+i时，温度i可调，该实施例i为3℃，蓄冷罐进入在线充冷模式运行，此时，第一阀门V1、第三阀门V3打开，第二阀门V2关闭，第四阀门V4开度控制为0（即完全关闭状态）。

（3）快速供冷模式

当有任一机组在开启状态下，蓄冷罐平均温度＞冷冻系统出水温度设定值T+ i时，温度i可调，该实施例i为3℃，蓄冷罐进入快速供冷模式运行。此模式中，第一阀门V1、第二阀门V2打开，第三阀门V3关闭，第四阀门V4开度为0。

进入快速供冷模式后，实时检测蓄冷罐平均温度和末端供水温度，当末端供水温度＞冷冻系统出水温度设定值T+j时,温度j可调,该实施例中j为0.5℃，继续保持快速供冷模式。

（4）反向充冷模式

在快速充冷模式下，当末端供水温度≤冷冻系统出水温度设定值T+j(j可调，该实施例j为0.5℃温度）,且蓄冷罐平均温度＞冷冻系统出水温度设定值T+k时，温度k可调，该实施例k为1℃，进入反向充冷模式，进入反向充冷模式的阀门动作如下：第一阀门V1和第二V2开启，第三阀门V3关闭，第四阀门V4开启。

第四阀门V4为比例调节阀，在该模式中要保证其开度大于2%，原因是比例调节阀的开度反馈会存在一定误差，设置大于2%，目的是确定蓄冷罐已进入反向充放冷模式，所以第四阀门V4的开度大于2%作为进入反向充放冷模式的标志条件。比例阀门的调节优选采用反馈控制调节，即PID动态实时调节，控制模式有两种：

a压差控制模式

由末端水系统的压差控制比例调节阀的开度。在反向充冷模式下，由第四阀门V4充当第一管路4的压差旁通比例调节阀。当系统末端负荷压差达到设计要求（即认为此时末端已达到设计负荷，末端冷量需求已达到要求）时，开启第四阀门V4，其开度根据第一管路压差做PID动态控制。也就是说，当末端冷量达到负荷时，才打开第四阀门V4，机组多余的冷量通过蓄冷罐和第四阀门V4分流回去，避免末端冷量超过负荷，此时第四阀门V4起到旁通阀的作用。

b温度控制模式

当末端供水温度≤冷冻系统出水温度设定值T+0.5℃（即末端温度已得到保障，此时说明冷量有多余，可以给蓄冷罐充冷，且蓄冷罐平均温度＞冷冻供水温度设定值T+1℃（即放冷造成蓄冷罐内的冰水温度过高，不能直接供给末端装置，需要先降温再给末端供冷）时，开启第四风门V4，其开度根据蓄冷罐温度做PID动态控制。

3、设计好模式切换的判断逻辑，以及模式切换触发的具体判断条件。

判断条件包括：机组的状态、蓄冷罐平均温度与冷冻系统出水温度设定值的温差对比，以及末端供水温度与冷冻系统出水温度设定值的温差对比。

如图6所示，本发明提出的模式切换控制流程包括以下步骤：

判断机组是否断电或未运行，如是，则蓄冷罐进入在线放冷模式运行；如否,则进入下一步骤；

判断蓄冷罐平均温度是否大于冷冻系统出水温度设定值T+i，该实施例中i为3℃，如否，则蓄冷罐进入在线充冷模式运行；如是，则蓄冷罐进入快速供冷模式运行；

进入快速供冷模式后，判断末端供水温度是否小于等于冷冻系统出水温度设定值T+j℃，该实施例中，j为0.5℃，如否，则维持蓄冷罐在快速供冷模式运行；如是，则进入下一步骤；

判断蓄冷罐平均温度是否小于等于冷冻系统出水温度设定值T+k℃，该实施例中，k为1℃，如是，则进入在线充冷模式运行；如否，则进入反向充冷模式运行。

本发明提出的切换控制方法不仅可以快速响应末端负荷变化，还可以避免切换过程中末端负荷波动的问题。

需要强调的是，在反向充冷模式中，是将蓄冷罐也作为负荷的一种控制方式，其开启的前提是系统冷量已经满足末端需求，多余的冷量用于给蓄冷罐充冷。因为其水流方向与在线充冷的水流方向相反，故称之为反向充冷。

需要加入反向充冷的原因是，当蓄冷罐因机组停机长时间放冷时，蓄冷罐内的冰水温度持续上升。当有机组运行时，系统进入快速制冷，末端温度迅速下降，但快速制冷模式是将蓄冷罐旁路的一种模式，机组的冰水不会进入蓄冷罐，造成在此模式下，蓄冷罐的冰水仍然保持在高温状态。若末端负荷降下来之后，直接进入在线充冷模式，冷冻水会先经过蓄冷罐再到末端，导致末端总管的温度瞬间升高，末端负荷得不到保证，且之前的快速供冷模式也成了没有意义的流程。为了在模式切换过程中保证末端负荷的平稳过度，系统在切换为在线充冷模式前，必须先保证蓄冷罐的冰水温度不能过高，因此在快速制冷之后增加了一个反向充冷模式，即先将蓄冷罐的冰水温度降低到目标值，再切换到在线充冷模式。

本发明提出的制冷系统及其蓄冷罐模式切换控制方法提高了系统运行稳定性，提高了系统运行的安全系数（特别运用在数据中心对负荷要求比较高的场合），提高了系统控制精度，减小了切换时末端的负荷波动。

以上所述仅为本发明的具体实施方式。应当指出的是，凡在本发明构思的精神和框架内所做出的任何修改、等同替换和变化，都应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种空调系统的蓄冷罐充放冷控制方法，所述空调系统包括机组、蓄冷罐、末端水系统以及控制模块，所述机组通过第一管路和第二管路分别与末端水系统的进出水管连通，其特征在于，所述第一管路和第二管路之间设有第三管路，所述第一管路上与所述第三管路连通的节点两侧分别设有第一阀门和第二阀门，所述蓄冷罐的一个接口通过第一支路与所述第三管路连通，另一个接口通过第二支路与所述第二阀门的出口管路连通，所述第三管路在与所述第一支路连通的节点两侧分别设有第三阀门和第四阀门；所述控制模块根据机组状态、末端负荷和蓄冷罐内温度的变化控制蓄冷罐充放冷模式的切换,所述切换的条件如下：

当机组运行且蓄冷罐温度小于等于设定值T+i时，切换为在线充冷模式，机组出水通过蓄冷罐输送至末端供水；

当机组不运行时，切换为在线放冷模式，蓄冷罐内的低温水直接供给末端供冷；

当机组运行且蓄冷罐温度大于设定值T+i时，切换为快速供冷模式，屏蔽蓄冷罐，机组出水直接给末端供冷；

当机组运行，末端供水温度小于等于冷冻系统出水温度设定值T+j，且蓄冷罐温度大于冷冻系统出水温度设定值T+k时，切换为反向充冷模式，机组出水优先给末端供冷，多余的冷量分流给蓄冷罐充冷。

2.如权利要求1所述的蓄冷罐充放冷控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

判断机组是否断电或未运行，如是，则蓄冷罐进入在线放冷模式运行；如否,则判断蓄冷罐平均温度是否大于冷冻系统出水温度设定值T+i，如否，则蓄冷罐进入在线充冷模式运行；如是，则蓄冷罐进入快速供冷模式运行；

进入快速供冷模式后，判断末端供水温度是否小于等于冷冻系统出水温度设定值T+j，如否，则维持蓄冷罐在快速供冷模式运行；如是，则判断蓄冷罐平均温度是否小于等于冷冻系统出水温度设定值T+k，如是，则进入在线充冷模式运行；如否，则进入反向充冷模式运行。

3.如权利要求1或2所述的蓄冷罐充放冷控制方法，其特征在于，所述蓄冷罐充放冷模式切换中，各阀门按以下方式控制：

（1）在线充冷模式中，第一阀门V1和第三阀门V3打开，第二阀门V2关闭，第四阀门V4开度控制为0；

（2）快速供冷模式中，第一阀门V1和第二阀门V2打开，第三阀门V3关闭，第四阀门V4开度为0；

（3）在线放冷模式中，第一阀门V1和第三V3打开，第二阀门V2关闭，第四阀门V4开度控制为0；

（4）反向充冷模式中，第一阀门V1和第二V2开启，第三阀门V3关闭，第四阀门V4开启。

4.如权利要求3所述的充放冷控制方法，其特征在于，在反向充冷模式中，第四阀门V4的开度大于2%。

5.一种使用权利要求1-4任一项所述蓄冷罐充放冷控制方法的空调系统，包括机组、蓄冷罐、末端水系统以及控制模块，所述机组通过第一管路和第二管路分别与末端水系统的进出水管连通，其特征在于，所述第一管路和第二管路之间设有第三管路，所述第一管路上与所述第三管路连通的节点两侧分别设有第一阀门和第二阀门，所述蓄冷罐的一个接口通过第一支路与所述第三管路连通，另一个接口通过第二支路与所述第二阀门的出口管路连通，所述第三管路在与所述第一支路连通的节点两侧分别设有第三阀门和第四阀门；所述控制模块根据机组状态、末端负荷和蓄冷罐内温度的变化控制所述蓄冷罐充放冷模式的切换。

6.如权利要求5所述的空调系统，其特征在于，所述第四阀门采用压差控制比例阀或温差控制比例阀。

7.如权利要求5所述的空调系统，其特征在于，所述第四阀门的开度采用反馈控制调节。

8.如权利要求5所述的空调系统，其特征在于，所述第二管路在靠近机组一侧设有水泵。

9.如权利要求5所述的空调系统，其特征在于，还包括一换热器，所述第一管路和所述第二管路与该换热器的一侧连通，所述末端水系统的供回水管与该换热器的另一侧连通。

10.如权利要求5所述的空调系统，其特征在于，所述蓄冷罐的充放冷模式包括在线充冷模式、在线放冷模式、快速供冷模式和反向充冷模式。

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