CN114183884B - 双模块制冷系统、空调器及其控制方法 - Google Patents

双模块制冷系统、空调器及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种双模块制冷系统、空调器及其控制方法。所述的控制方法是当双模块中的两台压缩机均开启，只有一台载冷剂泵开启时，将载冷剂泵调节至最大流量；当双模块中的一台压缩机开启，两台载冷剂泵均开启时，将压缩机频率控制在最佳负荷状态点；当双模块中两台压缩机和/或两台载冷剂泵同时开启时，使负荷均匀分配。本发明很好地解决了双模块制冷系统由于负荷分配不均导致压缩机、载冷剂泵使用寿命短的问题，以及仅使用环境温度为切换信号造成的系统能效不够高的问题。

Description

双模块制冷系统、空调器及其控制方法
技术领域
本发明涉及空调技术领域，尤其涉及一种带自然冷却的双模块制冷系统、空调器及其控制方法。
背景技术
在环境温度跨度较大的一些地区，带自然冷却的单模块系统无法满足冷水需求，需要用到双模块系统。双模块系统控制策略比较复杂，比如，由于负荷分配不均导致压缩机、载冷剂泵等相同元器件使用时间不均，从而影响相同元器件的使用寿命问题；如果考虑负荷需求不同，就不能仅通过时间参数进行控制，而是需要根据不同运行模式选择使用的元器件；此外，由于系统涉及到两个模块，各个模式之间的切换方法也不能沿用单模式的控制方法，解决带自然冷却的双模块系统如果仅使用环境温度为切换信号会造成系统能效不高的问题。
发明内容
本发明提出一种带自然冷却的双模块制冷系统、空调器及其控制方法，以解决双模块系统中由于负荷分配不均导致压缩机、载冷剂泵等相同元器件的使用寿命问题并提高系统能效。
本发明提出一种双模块制冷系统的控制方法，包括以下步骤：当双模块中的两台压缩机均开启，只有一台载冷剂泵开启时，将载冷剂泵调节至最大流量；当双模块中的一台压缩机开启，两台载冷剂泵均开启时，将压缩机频率控制在最佳负荷状态点；当双模块中两台压缩机和/或两台载冷剂泵同时开启时，使负荷均匀分配。
所述的控制方法根据实际负荷所处的设定值区域，将所述双模块制冷系统分为以下八种运行模式：
模式一，开启第一载冷剂泵，关闭载冷剂泵二、第一压缩机和第二压缩机；
模式二，开启第一载冷剂泵和第二载冷剂泵，关闭第一压缩机和第二压缩机；
模式三，开启第一压缩机，关闭第二压缩机、第一载冷剂泵和第二载冷剂泵；
模式四，开启第一载冷剂泵、第一压缩机，关闭第二载冷剂泵、第二压缩机；
模式五，开启第一载冷剂泵、第二载冷剂泵和第二压缩机、关闭第一压缩机；
模式六，开启第二载冷剂泵、第一压缩机和第二压缩机，关闭第一载冷剂泵；
模式七，开启第一载冷剂泵、第二载冷剂泵、第一压缩机和第二压缩机；
模式八，开启第一压缩机和第二压缩机，关闭第一载冷剂泵和第二载冷剂泵。
各模式的判断条件如下：
当实际负荷Qs大于等于设定值Qa且小于设定值Qb时，运行模式一；
当实际负荷Qs大于等于设定值Qb且小于设定值Qc时，运行模式二；
当实际负荷Qs大于等于设定值Qc且小于设定值Qd时，运行模式三；
当实际负荷Qs大于等于设定值Qd且小于设定值Qe时，运行模式四；
当实际负荷Qs大于等于设定值Qe且小于设定值Qf时，运行模式五；
当实际负荷Qs大于等于设定值Qf且小于设定值Qg时，运行模式六；
当实际负荷Qs大于等于设定值Qg且小于设定值Qh时，运行模式七；
当实际负荷Qs大于等于设定值Qh且小于设定值Qi时，运行模式八。
在模式一中，由实际出水温度To和目标出水温度Tm的差值的绝对值调节第一模块的载冷剂流量，并当环境温度Ti大于第一温度设定值Ti1时由模式一切换为模式二。
在模式二中，由实际出水温度To和目标出水温度Tm的差值的绝对值调节所需载冷剂总流量qm，再均匀分配给第一载冷剂泵和第二载冷剂泵，然后确定第一载冷剂泵和第二载冷剂泵各自的运行频率，并当环境温度Ti大于第二温度设定值Ti2时，由模式二切换为模式三。
在模式三中，由实际负荷确定第一压缩机的初始运行频率，再由水温变化Δ精确调节压缩机频率，然后由压缩机频率计算能效比EER,并当EER小于第一设定值EERm1时，由模式三切换为模式四。
在模式四中，将第一载冷剂泵调节至最大流量Gmax，计算自然冷却负荷Qi，得到机械负荷Qj，确定第一载冷剂泵的初始运行频率，再由水温变化Δ精确调节第一压缩机的频率，由第一压缩机的频率计算能效比EER,并当EER小于第二设定值EERm2时，由模式四切换为模式五。
在模式五中，先将第二压缩机的频率调节至最佳负荷频率点fop，确定最佳机械负荷Qj1，由实际出水温度To和目标出水温度Tm的差值的绝对值调节所需载冷剂总流量，再均匀分配给第一载冷剂泵和第二载冷剂泵，当第二压缩机满负荷运行，载冷剂泵调节至最大流量时仍不能满足冷水需求，由模式五切换为模式六。
在模式六中，将第一载冷剂泵调节至最大流量Gmax，计算自然冷却负荷Qi，得到机械负荷Qj，确定压缩机的初始运行频率，再由水温变化Δ精确同步调节第一压缩机和第二压缩机的频率，由压缩机频率计算能效比EER,并当EER小于第三设定值EERm3时，由模式六切换为模式七。
在模式七中，将负荷平均分配给第一模块和第二模块，再按模式四的控制策略进行控制，当环境温度Ti大于第三温度设定值Ti3时，由模式七切换为模式八。
在模式八中，将实际负荷均匀分配给第一模块和第二模块，由实际负荷确定压缩机的初始运行频率，再由水温变换Δ精确调节压缩机的频率。
本发明还提出一种双模块制冷系统，所述双模块制冷系统采用上述控制方法。
本发明还提出一种空调器，所述空调器采用上述双模块制冷系统。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1.根据负荷大小将系统分为八种运行模式，在两台压缩机均开启，只有一台载冷剂泵开启时，将载冷剂泵调节至最大流量，充分利用环境冷量；当两台载冷剂泵均开启，只有一台压缩机开启时，将压缩机频率控制在最佳负荷状态点，使系统处于高能效状态运行；
2.同时开启第一模块与第二模块的压缩机时，将机械负荷均匀分配给第一模块和第二模块，可以延长压缩机使用寿命；同时开启第一模块和第二模块的载冷剂泵时，将自然冷却负荷均匀分配给第一模块和第二模块，可以延长载冷剂泵使用寿命；
3.在调节压缩机频率时，频率可以由负荷先快速调节，再根据水温变化精确调节，可以精准控制出水温度。
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是双模块自然冷却系统的原理图；
图2是双模块自然冷却系统的控制方法示意图。
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。
请参考图1，双模块空调系统包括两个由机械制冷循环和自然冷却循环组成的模块，第一模块中，机械制冷循环包括可变频的第一压缩机1、风冷式的第一冷凝器2、第一节流阀3和壳管式的第一蒸发器4。自然冷却循环包括第一载冷剂泵6、第一空冷器7，第一蒸发器4的冷冻水进水管侧通过第一换热器5与自然冷却循环中的载冷剂进行换热。第二模块中，机械制冷循环包括可变频的第二压缩机8，风冷式的第二冷凝器9、第二节流阀10和壳管式的第二蒸发器11。自然冷却循环包括第二载冷剂泵13、第二空冷器14，第二蒸发器11的冷冻水进水管侧通过第二换热器12与自然冷却循环中的载冷剂进行换热。第一蒸发器4和第二蒸发器11的冷冻水出水为用户端提供冷量。当环境温度足够低时，自然冷却循环中的载冷剂在第一空冷器7和第二空冷器14中与空气换热降低温度，然后通过第一换热器5和第二换热器12与冷冻水换热，冷却后的冷冻水为用户端提供冷量，此时机械制冷循环中的压缩机可不开，或只开一台。
上述实施例中，载冷剂是乙二醇溶液，自然冷却是利用外界环境温度的冷量（环境温度较低），自然冷却回路：乙二醇溶液在第一空冷器7和第二空冷器14从空气中吸热获得冷量，通过第一载冷剂泵和第二载冷剂泵13输送到第一换热器5和第二换热器12，为冷冻水提供冷量。进出水接用户侧，例如进水温度为12℃，出水温度为7℃，该系统一直为用户侧提供冷水，冷水被输送到用户侧需要冷量的地方，例如给数据中心，或需要被冷却的地方提供冷量。
本发明提出的双模块制冷系统的控制方法中，当第一模块和第二模块中的两台压缩机均开启，且只有一台载冷剂泵开启时，将载冷剂泵调节至最大流量，充分利用环境冷量；当第一模块和第二模块中的两台载冷剂泵均开启，且只有一台压缩机开启时，将压缩机频率控制在最佳负荷状态点，使系统处于高能效状态运行；当第一模块和第二模块中的两台压缩机和/或载冷剂泵同时开启时，使负荷均匀分配，延长载冷剂泵使用寿命；在调节压缩机频率时，频率可以由负荷先快速调节，再根据水温变化精确调节，达到精准控制出水温度的目的。
请参考图2，本发明提出的控制方法根据实际负荷所处的设定值区域，将所述双模块制冷系统分为以下八种运行模式：
模式一，开启第一载冷剂泵，关闭载冷剂泵二、第一压缩机和第二压缩机；
模式二，开启第一载冷剂泵和第二载冷剂泵，关闭第一压缩机和第二压缩机；
模式三，开启第一压缩机，关闭第二压缩机、第一载冷剂泵和第二载冷剂泵；
模式四，开启第一载冷剂泵、第一压缩机，关闭第二载冷剂泵、第二压缩机；
模式五，开启第一载冷剂泵、第二载冷剂泵和第二压缩机、关闭第一压缩机；
模式六，开启第二载冷剂泵、第一压缩机和第二压缩机，关闭第一载冷剂泵；
模式七，开启第一载冷剂泵、第二载冷剂泵、第一压缩机和第二压缩机；
模式八，开启第一压缩机和第二压缩机，关闭第一载冷剂泵和第二载冷剂泵。
从模式一至模式八，负荷逐渐增大。各模式的判断条件如下：
当实际负荷Qs大于等于设定值Qa且小于设定值Qb时，Qa
Figure DEST_PATH_IMAGE002
Qs＜Qb，运行模式一；
当实际负荷Qs大于等于设定值Qb且小于设定值Qc时，Qb
Figure 787579DEST_PATH_IMAGE002
Qs＜Qc，运行模式二；
当实际负荷Qs大于等于设定值Qc且小于设定值Qd时，Qc
Figure 360511DEST_PATH_IMAGE002
Qs＜Qd，运行模式三；
当实际负荷Qs大于等于设定值Qd且小于设定值Qe时，Qd
Figure 294576DEST_PATH_IMAGE002
Qs＜Qe，运行模式四；
当实际负荷Qs大于等于设定值Qe且小于设定值Qf时，Qe
Figure 893048DEST_PATH_IMAGE002
Qs＜Qf，运行模式五；
当实际负荷Qs大于等于设定值Qf且小于设定值Qg时，Qf
Figure 363212DEST_PATH_IMAGE002
Qs＜Qg，运行模式六；
当实际负荷Qs大于等于设定值Qg且小于设定值Qh时，Qg
Figure 874090DEST_PATH_IMAGE002
Qs＜Qh，运行模式七；
当实际负荷Qs大于等于设定值Qh且小于设定值Qi时，Qh
Figure 547648DEST_PATH_IMAGE002
Qs＜Qi，运行模式八。
当环境温度不同时，系统所需的实际负荷一直在变化，环境温度越高，系统所需实际负荷越大。Qa、Qb、Qc、Qd、Qe、Qf、Qg、Qh和Qi均为对应模式下的负荷临界值，根据系统所需负荷可对模式进行切换。
设定参数Qa、Qb、Qc、Qd、Qe、Qf、Qg、Qh、 Qi的设定原则为：
（1）自然冷却负荷＜机械负荷。
仅自然冷却系统运行时（压缩机关闭）系统所需负荷为自然冷却负荷（载冷剂泵开启个数不限制）；仅有制冷系统起作用时（载冷剂泵关闭）系统所需负荷为机械负荷（压缩机开启个数不限制）；
（2）压缩机，或载冷剂泵开启的数目越多负荷越大；
（3）当压缩机满负荷运行时，机械负荷大于两个自然冷却负荷；
（4）虽然开启一个载冷剂泵与一个压缩机的负荷大于仅开启一个压缩机的负荷，但当环境温度足够高，冷负荷需求特别大时，自然冷却负荷已不再适用，因此，模式八的负荷区间要高于模式七的负荷区间。
以上4个原则更偏重于比较八种模式下系统负荷的大小，具体地说，是Qa、Qb、Qc……Qi等几个数值的相对大小，确定系统到底按何种顺序进行切换，具体的数值在实际调节过程为根据实验得到的预设值。
请参考图2，本发明提出的双模块制冷系统的控制方法是根据实际负荷将运行模式分为八种运行模式，各模式之间可以根据实际运行情况进行切换，切换策略如下：
模式一，由实际出水温度To和目标出水温度Tm的差值的绝对值|To-Tm|调节第一模块的载冷剂流量，并判断环境温度Ti是否大于第一温度设定值Ti1， Ti＞Ti1，若否，继续以模式一运行，若是，则由模式一切换为模式二。
该实施例中Ti1设定为5℃，在环境温度低于5℃时，系统保持模式一运行，高于5℃切换为模式二。
模式二，由实际出水温度To和目标出水温度Tm的差值的绝对值|To-Tm|调节所需载冷剂总流量qm，再均匀分配给第一载冷剂泵和第二载冷剂泵，根据函数f=v（qm/2）确定第一载冷剂泵和第二载冷剂泵各自的运行频率，并通过判断环境温度Ti是否大于第二温度设定值Ti2，Ti＞Ti2，若否，继续以模式二运行，若是，则由模式二切换为模式三。
该实施例中Ti2为10℃。Ti1、Ti2对应不同的环境温度，而系统的实际负荷很大一部分由环境温度决定，因此Ti1、Ti2的设定值范围由对应模式下的负荷决定。
模式三，根据函数f=g（Qz），由实际负荷确定第一压缩机的初始运行频率，再由水温变化Δ精确调节压缩机频率，根据函数EER=h（f），由压缩机频率计算能效比EER,判断能效比EER是否小于第一设定值EERm1，EER＜EERm1，若否，继续以模式三运行，若是，则由模式三切换为模式四。
模式四，将第一载冷剂泵调节至最大流量Gmax，计算自然冷却负荷Qi，得到机械负荷Qj=Qz-Qi，根据函数f=g（Qj）确定初始运行频率，再由水温变化Δ精确调节压缩机频率，由压缩机频率计算能效比EER,判断能效比EER是否小于第二设定值EERm2，EER＜EERm2，若否，继续以模式四运行，若是，则由模式四切换为模式五。
模式五，先将压缩机频率调节至最佳负荷频率点fop，并确定最佳机械负荷Qj1，由|To-Tm|调节所需载冷剂总流量，再均匀分配给第一载冷剂泵和第二载冷剂泵，当第二压缩机满负荷运行，载冷剂泵调节至最大流量时，仍不能满足冷水需求，则切换为模式六。
模式六，将第一载冷剂泵调节至最大流量Gmax，计算自然冷却负荷Qi，得到机械负荷Qj=Qz-Qi，确定初始运行频率f=g（Qj/2），再由水温变化Δ精确同步调节第一压缩机和第二压缩机的频率，由压缩机频率计算能效比EER,判断能效比EER是否小于第三设定值EERm3，EER＜EERm3，若否，继续以模式六运行，若是，则由模式六切换为模式七。
模式七，将负荷平均分配给第一模块和第二模块，再按模式四的控制策略进行控制，判断Ti是否大于第三温度设定值Ti3，Ti＞Ti3，若否，继续以模式七运行，若是，则由模式七切换为模式八。
模式八，将实际负荷均匀分配给第一模块和第二模块，根据函数f=g（Qz/2），由实际负荷确定第一压缩机的初始运行频率，再由水温变换Δ精确调节压缩机频率。
上述各参数计算步骤说明如下：
步骤S1，根据压缩机实际运行情况，拟合出压缩机频率f与压缩机所能提供的机械负荷Qj的关联式f=g（Qj）；
步骤S2，根据压缩机实际运行情况，拟合出系统能效比EER与压缩机频率f，确定最佳负荷状态点fop，在此频率下，系统能效最高，对应的机械负荷为Qj1；
步骤S3，根据载冷剂泵运行情况，拟合出载冷剂泵频率f与载冷剂流量qm之间的关联式f=h（qm）；
步骤S4，设定目标出水温度Tm，测定实际出水温度To，计算|To-Tm|；
步骤S5，当自然冷却能力不足以满足目标出水需求时，确定环境温度设定值Ti1、Ti2、Ti3为模式一切换为模式二、模式二切换为模式三、模式七切换为模式八的切换信号；
步骤S6，设定能效参数EERm1、EERm2、EERm3，当这些能效设定值可以满足目标出水要求，而负荷过大已经远远超过了压缩机的最佳负荷状态点时，使压缩机长期低能效运行，此时可以结合运行时间参数来确定这三个能效参数来确定三个能效状态点;
步骤S7，水温变化Δ用于精确调节压缩机频率，根据函数Δ=α*k1+β+γ设定水温变化值,其中k1为比例修正系数，α为实际出水温差，β为出水温度随时间的变化率，γ为实际出水温度到达设定温度附近偏离值随时间的累加值（此参数的设置可以使出水温度尽量接近设定值）。
上述参数的拟合是通过足够多的实验数据，通过origin软件中的线性拟合、非线性拟合功能，例如f=g（Qj），f与Qj并不是简单的线性拟合关系，通过测试多组实验数据，假设f=A* Qj3+B* Qj2+C*Qj+D),将多组数据导入origin数据处理软件，可以求出A、B、C、D四个参数，在已知Qj时通过上述关联式求得f的值。
本发明很好地解决了带自然冷却的双模块制冷系统由于负荷分配不均导致压缩机、载冷剂泵使用寿命短的问题，以及双模块制冷系统仅使用环境温度为切换信号造成的系统能效不够高的问题。
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)

1.一种双模块制冷系统的控制方法，其特征在于，当双模块中的两台压缩机均开启，只有一台载冷剂泵开启时，将载冷剂泵调节至最大流量；当双模块中的一台压缩机开启，两台载冷剂泵均开启时，将压缩机频率控制在最佳负荷状态点；当双模块中两台压缩机和/或两台载冷剂泵同时开启时，使负荷均匀分配;
根据实际负荷所处的设定值区域，将所述双模块制冷系统分为以下八种运行模式：
模式一，开启第一载冷剂泵，关闭载冷剂泵二、第一压缩机和第二压缩机；
模式二，开启第一载冷剂泵和第二载冷剂泵，关闭第一压缩机和第二压缩机；
模式三，开启第一压缩机，关闭第二压缩机、第一载冷剂泵和第二载冷剂泵；
模式四，开启第一载冷剂泵、第一压缩机，关闭第二载冷剂泵、第二压缩机；
模式五，开启第一载冷剂泵、第二载冷剂泵和第二压缩机、关闭第一压缩机；
模式六，开启第二载冷剂泵、第一压缩机和第二压缩机，关闭第一载冷剂泵；
模式七，开启第一载冷剂泵、第二载冷剂泵、第一压缩机和第二压缩机；
模式八，开启第一压缩机和第二压缩机，关闭第一载冷剂泵和第二载冷剂泵;
在模式三中，由实际负荷确定第一压缩机的初始运行频率，再由水温变化Δ精确调节压缩机频率，然后由压缩机频率计算能效比EER,并当能效比EER小于第一设定值EERm1时，由模式三切换为模式四;
在模式四中，将第一载冷剂泵调节至最大流量Gmax，计算自然冷却负荷Qi，得到机械负荷Qj，确定第一载冷剂泵的初始运行频率，再由水温变化Δ精确调节第一压缩机的频率，然后由第一压缩机的频率计算能效比EER,并当能效比EER小于第二设定值EERm2时，由模式四切换为模式五。
2.如权利要求1所述的控制方法，其特征在于，各运行模式的判断条件如下：
当实际负荷Qs大于等于设定值Qa且小于设定值Qb时，运行模式一；
当实际负荷Qs大于等于设定值Qb且小于设定值Qc时，运行模式二；
当实际负荷Qs大于等于设定值Qc且小于设定值Qd时，运行模式三；
当实际负荷Qs大于等于设定值Qd且小于设定值Qe时，运行模式四；
当实际负荷Qs大于等于设定值Qe且小于设定值Qf时，运行模式五；
当实际负荷Qs大于等于设定值Qf且小于设定值Qg时，运行模式六；
当实际负荷Qs大于等于设定值Qg且小于设定值Qh时，运行模式七；
当实际负荷Qs大于等于设定值Qh且小于设定值Qi时，运行模式八。
3.如权利要求1所述的控制方法，其特征在于，在模式一中，由实际出水温度To和目标出水温度Tm的差值的绝对值调节第一模块的载冷剂流量，并当环境温度Ti大于第一温度设定值Ti1时由模式一切换为模式二。
4.如权利要求1所述的控制方法，其特征在于，在模式二中，由实际出水温度To和目标出水温度Tm的差值的绝对值调节所需载冷剂总流量qm，然后均匀分配给第一载冷剂泵和第二载冷剂泵，再确定第一载冷剂泵和第二载冷剂泵各自的运行频率，并当环境温度Ti大于第二温度设定值Ti2时，由模式二切换为模式三。
5.如权利要求1所述的控制方法，其特征在于，在模式五中，先将第二压缩机的频率调节至最佳负荷频率点fop，确定最佳机械负荷Qj1，由实际出水温度To和目标出水温度Tm的差值的绝对值调节所需载冷剂总流量，再均匀分配给第一载冷剂泵和第二载冷剂泵，当第二压缩机满负荷运行，载冷剂泵调节至最大流量时仍不能满足冷水需求，由模式五切换为模式六。
6.如权利要求1所述的控制方法，其特征在于，在模式六中，将第一载冷剂泵调节至最大流量Gmax，计算自然冷却负荷Qi，得到机械负荷Qj，确定压缩机的初始运行频率，再由水温变化Δ精确同步调节第一压缩机和第二压缩机的频率，由压缩机频率计算能效比EER,并当能效比EER小于第三设定值EERm3时，由模式六切换为模式七。
7.如权利要求1所述的控制方法，其特征在于，在模式七中，将负荷平均分配给第一模块和第二模块，再按模式四的控制策略进行控制，当环境温度Ti大于第三温度设定值Ti3时，由模式七切换为模式八。
8.如权利要求1所述的控制方法，其特征在于，在模式八中，将实际负荷均匀分配给第一模块和第二模块，由实际负荷确定压缩机的初始运行频率，再由水温变换Δ精确调节压缩机的频率。
9.一种双模块制冷系统，其特征在于，所述双模块制冷系统采用权利要求1-8任一项所述的控制方法。
10.一种空调器，其特征在于，所述空调器采用权利要求9所述的双模块制冷系统。
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