CN115986260A - 一种集成制冷、自然冷却和除湿的液冷系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及储能集装箱温控设备技术领域，具体涉及一种集成制冷、自然冷却和除湿的液冷系统及其控制方法。系统包括控制模块以及均与控制模块连接的压缩制冷单元、自然冷却单元、除湿单元和水力模块；所述水力模块与散热对象相连接，用于将散热对象的热量带出；所述压缩制冷单元与水力模块相连接，用于与水力模块进行热交换；所述除湿单元与压缩制冷单元相连接，用于对散热对象安装环境进行除湿；还包括三通阀，所述三通阀用于切换水力模块冷却液流向压缩制冷单元或自然冷却单元。本发明在满足散热对象温度控制的同时，还可按需智能启停除湿通风功能，确保散热对象工作环境湿度可靠性，高效节能，节省空间和成本，提高环境适用性。

Description

一种集成制冷、自然冷却和除湿的液冷系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及储能集装箱温控设备技术领域，更具体地，涉及一种集成制冷、自然冷却和除湿的液冷系统及其控制方法。

背景技术

“双碳”背景下全球能源结构转变为清洁能源发电，深化电力体制改革，构建以新能源为主体的新型电力系统，而储能将在构建稳定电网中发挥巨大作用，成为市场的理想选择。由于储能集装箱高散热量、全年运行、电化学电池负载充放电发热变化和环境高低温湿度变化等特点，要求空调系统需长期稳定运行、散热效率高、经济节能、可靠性高、环境适应性强、控制精准度强，因此对于如何做好储能集装箱的热管理也是一大挑战。

目前，液冷温控方式逐渐成为了目前主流的电化学电池冷却方式，相比于风冷方式，液冷方式换热密度大、散热效率高，均温性好、可提高电化学电池的寿命，更节能和节省空间。除此之外，温控系统环境适应力强、深挖节能潜力、系统安全可靠性也是电化学电池储能技术发展关键因素，因此要考虑压缩机制冷系统在低温环境下性能可靠性变差的劣势，合理利用自然冷源节能，并使温控系统在不同高低温、高低湿的自然环境下均能可靠运行；且由于电化学电池安装的集装箱内部环境对湿度有较严格要求(电化学电池的使用环境相对湿度不宜大于75％)，故温控系统还需具备除湿功能。

现有技术中的温控系统通常仅能实现电化学电池的降温，而无法同时解决储能集装箱环境高湿度给电化学电池带来安全隐患的问题；通常额外配置独立风冷空调或其他除湿装置进行集装箱内部环境湿度调节，这种方式占据储能集装箱内的空间较大，且项目投入成本和安装工程量较大，运维管理也很不方便。

发明内容

本发明旨在克服上述现有技术的至少一种缺陷(不足)，提供一种集成制冷、自然冷却和除湿的液冷系统及其控制方法，在确保制冷功能和加热功能的同时兼具除湿功能，可同时满足散热对象工作时的温湿度要求，节省空间和成本，提高系统安全可靠性，提高环境适应性，同时利用了自然冷却进行节能。

本发明采取的技术方案是：

第一方面，提供一种集成制冷、自然冷却和除湿的液冷系统，包括控制模块以及均与控制模块连接的压缩制冷单元、自然冷却单元、除湿单元和水力模块；所述水力模块与散热对象相连接，用于将散热对象的热量带出；所述压缩制冷单元与水力模块相连接，用于与水力模块进行热交换；所述除湿单元与压缩制冷单元相连接，用于对散热对象安装环境进行除湿；

还包括三通阀，所述水力模块、三通阀、自然冷却单元依次连接形成冷却液第一循环；水力模块、三通阀、压缩制冷单元依次连接形成冷却液第二循环；所述三通阀用于切换和调节水力模块冷却液流向压缩制冷单元或自然冷却单元两个分支的流量；

所述自然冷却单元包括自然冷却盘管，所述自然冷却盘管入口通过三通阀连接水力模块的出口，出口连接水力模块的入口。

更具体的，从水力模块流出的冷却液通过三通阀切换流向自然冷却单元或压缩制冷单元，可以依据环境温度和散热对象工作状态的变化，自动调节冷却液通过三通阀进入自然冷却单元和压缩制冷单元两个分支的流量，从而实现全部自然冷却、部分自然冷却、全部机械冷却等不同工作模式。自然冷却单元利用了自然冷源，可实现节能高效的技术特征，当外界环境温度较低或散热对象工作频率降低时，无需压缩机高强度制冷，则通过调节三通阀调节进入自然冷却单元的冷却液量，降低压缩制冷单元的工作功率，有效节约能源。

本发明将制冷、加热和除湿功能集成在同一系统上，温湿度控制一体化集成，在满足散热对象温度控制的同时，还可按需智能启停除湿通风功能，实现散热对象安装环境温湿度的调节，从而确保散热对象工作环境温湿度可靠性，并避免能源浪费。

进一步的，所述除湿单元包括至少一个除湿蒸发器和第二风机；所述至少一个除湿蒸发器入口通过第二膨胀阀连接压缩制冷单元的冷凝器出口，出口连接压缩制冷单元的压缩机入口，与所述压缩制冷单元连接形成除湿循环；所述第二风机用于对流使散热对象安装环境的高湿空气与所述至少一个除湿蒸发器进行热交换，通过调节第二风机的风量和除湿蒸发器的换热面积，实现送风温湿度调节；所述第二膨胀阀用于控制除湿蒸发器的蒸发压力，独立控制系统温湿度。

所述除湿单元为压缩制冷单元的支路，通过第二风机强制对流，使散热对象周围的高湿空气与至少一个除湿蒸发器换热，携带的水分在制冷剂吸热蒸发下凝结析出，换热后的低温低湿空气送入散热对象周围，进而实现除湿作用。本发明利用一体化系统实现制冷和除湿功能，可节省一定安装空间和成本。在除湿单元分支路的液管入口单独设第二膨胀阀，可独立控制至少一个除湿蒸发器的蒸发压力，精准控制温湿度，即实现散热对象温湿度的独立智能控制。

进一步的，所述压缩制冷单元包括蒸发器、压缩机、冷凝器和第一膨胀阀；所述蒸发器、压缩机、冷凝器和第一膨胀阀依次连接，形成制冷循环；

所述蒸发器冷却液测入口通过三通阀连接水力模块的出口，出口连接水力模块的入口；

还包括第一风机，所述第一风机用于对流使冷凝器和自然冷却盘管与外界进行热交换，将系统内的热量散发到室外环境；

所述自然冷却盘管与冷凝器采用层叠设计，共同使用第一风机进行散热。

更具体的，当外界环境温度较高时，加大三通阀内流向压缩制冷单元的冷却液流量，即水力模块中吸收了散热对象热量的冷却液通过三通阀进入蒸发器，将热量传递给蒸发器中的制冷剂，蒸发器中的制冷剂吸热蒸发后返回压缩机，压缩机将低温低压气体压缩成为高温高压气体，再进入冷凝器，通过第一风机强制对流将系统内的热量散发到室外环境，从而将高温高压气体冷凝为低温高压液体，再进入第一膨胀阀节流降压成低温低压气液混合，再进入蒸发器吸热蒸发成低温低压气体，从而形成制冷循环。水力模块中的冷却液在板式蒸发器中被压缩制冷单元中的制冷剂吸收热量后，再进入储能集装箱重新吸收散热对象的热量，形成水力模块中的冷却液循环。当外界环境温度较低时，加大三通阀内流向自然冷却单元的冷却液流量，水力模块中吸收了散热对象热量的冷却液通过三通阀进入自然冷却盘管，通过第一风机强制对流将系统内的热量散发到室外环境，从而将高温液体冷却为低温液体，再重新进入水力模块形成冷却液循环。

进一步的，所述水力模块包括通过管路顺次连接的储能集装箱、泵和PTC加热器；所述散热对象安装在所述储能集装箱内；所述水力模块的冷却液通过泵将储能集装箱内的散热对象的热量带出，经过PTC加热器后通过三通阀流向压缩制冷单元或自然冷却单元，压缩制冷单元和自然冷却单元通过管路连接至储能集装箱；

所述水力模块还包括与所述管路连接的膨胀罐，所述膨胀罐用于对水力模块进行稳压；

所述PTC加热器与泵联锁启动。

所述水力模块的冷却液依靠泵的驱动将散热对象的热量带出，冷却液在蒸发器与制冷剂循环隔离换热或者通过自然冷却盘管散热后，再进入储能集装箱完成冷却液循环。在系统内集成水力模块，使系统安装应用更加便捷，有效减少现场应用工程量。当冷却液温度过低，可能会对散热对象的正常工作及其性能产生影响，这时可以按需使用PTC加热器对系统冷却液进行升温，水力模块集成膨胀罐稳压、PTC液体加热等功能，可按需给带有散热对象热量的冷却液进行升温，因此本系统可以同时满足对散热对象的降温和升温功能。另外，PTC加热器与泵需联锁启动，不允许泵停止时开启PTC加热器。

进一步的，所述控制模块包括控制器、变频驱动器、温湿度传感器、电磁阀、第一压力传感器、第二压力传感器、第三压力传感器、第一温度传感器、第二温度传感器和相关电气连接；

所述压缩机、变频驱动器、第一风机、三通阀、泵、PTC加热器、第二风机、电磁阀、温湿度传感器、第一压力传感器、第二压力传感器、第三压力传感器、第一温度传感器、第二温度传感器均连接至所述控制器；

所述温湿度传感器设置于储能集装箱内部，用于检测储能集装箱内部的温湿度；

所述第一压力传感器设置于冷凝器入口或者冷凝器出口，用于检测压缩制冷单元内的冷凝压力值；

所述第二压力传感器设置于储能集装箱的出口，所述第三压力传感器设置于储能集装箱的入口，用于检测供回液压差；

所述第一温度传感器设置于第一风机外部，用于检测外界环境温度；

所述第二温度传感器设置于水力模块入口，用于检测水力模块内的冷却液供液温度。

控制模块用于对系统整体进行控制，变频驱动器用于驱动压缩机、泵和第一、第二风机，控制器用于接收温湿度传感器、第一压力传感器、第二压力传感器、第三压力传感器、第一温度传感器、第二温度传感器的检测结果，并根据传感器的检测结果控制压缩机、泵和PTC加热器的功率和第一风机、第二风机的转速和三通阀、电磁阀的启闭及开度。

本发明采用工业控制器、变频驱动器和多个合适的温度传感器、压力传感器，实现系统部件变频调速、变流量调节、智能通断以及不同运行模式的灵活切换，满足储能场景温湿度的可靠、节能、高精度控制需求。

进一步的，所述除湿单元还包括再热冷凝器，所述再热冷凝器的入口通过第二电磁阀与压缩机的出口相连接，所述再热冷凝器的出口与第一膨胀阀的入口相连接，所述再热冷凝器用于给除湿单元提供热补偿。

从压缩机出口引出一条支路，给至少一个除湿蒸发器叠加一个再热冷凝器进行热补偿，并采用第二电磁阀控制开关，可进一步控制送入散热对象周围的空气温湿度，通过回收冷凝换热的节能方式，避免送风温度太低产生凝露，提高散热对象的安全保障。

进一步的，还设有旁通阀、第一截止阀和第二截止阀，所述旁通阀的入口连接压缩制冷单元、自然冷却单元的出口和第一截止阀的入口，所述第一截止阀的出口连接储能集装箱的入口；所述旁通阀的出口连接第二截止阀的出口和泵的入口，所述第二截止阀的入口连接储能集装箱的出口。

当需要短暂关闭针对储能集装箱的温控功能或者本系统未连接储能集装箱进行独立调试时，可以直接调整旁通阀、第一截止阀和第二截止阀。开启旁通阀，关闭第一截止阀和第二截止阀时，冷却液直接通过旁通阀支路流通，不经过散热对象；恢复对储能集装箱正常温控功能时仅需关闭旁通阀，开启第一截止阀和第二截止阀，冷却液即可经过散热对象，继续对散热对象进行制冷。

第二方面，提供一种集成制冷、自然冷却和除湿的液冷系统控制方法，采用第一方面所述的液冷系统实现，所述控制方法包括完全制冷模式、自然冷却制冷模式和混合制冷模式和除湿运行模式；

预设第一切换温度和第二切换温度，所述第一切换温度高于所述第二切换温度；

控制模块判断外界环境温度是否高于或等于预设的第一切换温度，如果是则启动完全制冷模式，即启动压缩制冷单元，通过压缩制冷单元和水力模块对散热对象进行散热，关闭自然冷却单元；

控制模块判断外界环境温度是否低于或等于预设的第二切换温度，若是则启动自然冷却模式，即启动自然冷却单元，通过自然冷却单元和水力模块对散热对象进行自然冷却，关闭压缩制冷单元；

控制模块判断外界环境温度是否高于第二切换温度并且低于第一切换温度，若是则启动混合制冷模式，即同时启动压缩制冷单元和自然冷却单元，控制模块通过控制三通阀的开度比例控制调整进入压缩制冷单元和自然冷却单元的冷却液流量比例；

所述除湿运行模式为：

控制模块判断散热对象的内部湿度是否大于预设的湿度，若是则判断是否启动了完全制冷模式或混合制冷模式，如果否则切换液冷系统至完全制冷模式或混合制冷模式，并启动除湿运行模式，即启动除湿单元对散热对象安装环境进行除湿；如果是则启动除湿运行模式，即启动除湿单元对散热对象安装环境进行除湿。

完全制冷模式使用压缩机制冷，制冷的效率高但所需能耗较大，适用于迅速降温，因此当外界环境温度高于预设的第一切换温度时，表示当前外界环境温度下液冷系统需要进行高效降温，启动完全制冷模式进行降温；自然冷却模式使用自然冷却的方式，制冷效率较差但所需能耗较小，因此当外界环境温度低于预设的第二切换温度时，表示当前外界环境温度下水力模块供液测制冷需求较小，启动自然冷却模式节约能耗；而当外界环境温度介于第一切换温度和第二切换温度之间时，启动混合制冷模式，可以平衡降温和节能这两大技术效果。本发明根据外界环境温度与预设的切换温度比较自动切换三种供冷模式，根据压缩机制冷和自然冷却各自的优势进行合理分配，在保证制冷效果的前提下进行高效节能，环境适应性强、低温启动性好，节省空间和成本，高效精准控制冷却液供液温度，避免了压缩机低温启动困难以及性能变差的问题，可以有效延长压缩机和储能集装箱的使用寿命。

当储能集装箱内部湿度过高时，可能会对散热对象的正常工作及其性能产生影响，此时需要启动除湿运行模式对散热对象周围空气进行除湿。由于除湿单元为压缩制冷单元的支路，因此在启动除湿单元前需先启动压缩制冷单元，即需先切换至完全制冷模式或混合制冷模式。

进一步的，还包括加热运行模式；

控制模块判断水力模块内的冷却液供液温度低于预设的最低冷却液温度时，启动加热运行模式，关闭完全制冷模式或自然冷却模式或混合制冷模式；

控制模块判断水力模块内的冷却液供液温度高于设定的目标冷却液温度时，关闭加热运行模式，开启完全制冷模式或自然冷却模式或混合制冷模式。

当水力模块内的冷却液供液温度过低时，可能会对散热对象的正常工作及其性能产生影响，此时需要启动加热运行模式并停止制冷，对冷却液进行升温；当水力模块内的冷却液供液温度过高时，关闭加热运行模式，开启供冷模式。加热运行模式可以进一步控制水力模块内的供液温度。

进一步的，启动除湿运行模式后，控制模块还进行以下步骤：

计算冷却液供液侧制冷需求和除湿送风侧制冷需求，综合两个需求之和来计算压缩机运行频率；

当计算所得运行频率高于当前运行频率时，压缩机升频加载，反之压缩机降频减载。

启动除湿运行模式后，由于制冷与除湿的工作需要同时进行，因此所需的压缩机运行频率需要根据冷却液供液侧制冷需求和除湿送风侧制冷需求相结合来确定，压缩机的加载上限为压缩机最大允许转速，减载下限为压缩机最小允许转速。根据压缩制冷与除湿的需求来计算压缩机运行频率，合理利用压缩机能耗，避免能源浪费。

若系统当前运行在加热模式，则等待供液温度达到设定目标先退出加热模式，再如前述要求切换到除湿模式。

在第一方面所述系统基础上的延伸设计，控制模块还进行以下步骤：

除湿系统通过第一电磁阀开关部分换热面积(增加二级除湿蒸发器)来调节，当需要降低送风湿度时，通过关闭第一电磁阀关闭二级除湿蒸发器通道，反之开启第一电磁阀开启二级除湿蒸发器通道；除湿系统的送风温度可通过再热冷凝器进行热补偿，当需要提升送风温度时，开启第二电磁阀开启再热冷凝器通道，反之关闭第二电磁阀断开再热冷凝器通道。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

(1)本发明同时集成制冷、自然冷却和除湿的功能，有效节约安装空间及成本；

(2)本发明在液冷方式满足散热对象温度控制的同时，还可按需智能启停除湿通风功能，实现送风温湿度的调节，确保散热对象工作环境湿度可靠性，并避免能源浪费；

(3)本发明设有自然冷却单元，可有效利用自然冷源，且自然冷却盘管与冷凝器共用第一风机进行散热，节约安装空间的同时实现有效节能；根据外界环境温度智能切换完全制冷模式、自然冷却模式、混合制冷模式，调节三通阀以控制冷却液流量分配，合理利用压缩制冷和自然冷却的特性，在保证制冷效果的前提下进行高效节能，环境适应性强、低温启动性好，节省空间和成本，高效精准控制冷却液供液温度，可以有效延长压缩机和储能集装箱的使用寿命。

附图说明

图1为本发明实施例1的线路结构图。

图2为本发明实施例2的线路结构图。

图3为本发明实施例3的线路结构图。

标号说明：1-压缩机；2-冷凝器；3-第一风机；4-第一膨胀阀；5-蒸发器；6-自然冷却盘管；7-泵；8-PTC加热器；9-三通阀；10-第一截止阀；11-储能集装箱；12-第二截止阀；13-旁通阀；14-膨胀罐；15-第二膨胀阀；16-一级除湿蒸发器；17-第二风机；18-二级除湿蒸发器；19-第一电磁阀；20-再热冷凝器；21-第二电磁阀；22-第一压力传感器；23-第一温度传感器；24-第二压力传感器；25-第三压力传感器；26-第二温度传感器；27-控制器。

具体实施方式

本发明附图仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制。为了更好说明以下实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

实施例1

如图1所示，本实施例提供一种集成制冷、自然冷却和除湿的液冷系统，控制模块以及均与控制模块连接的压缩制冷单元、自然冷却单元、除湿单元和水力模块；所述水力模块与散热对象相连接，用于将散热对象的热量带出；所述压缩制冷单元与水力模块相连接，用于与水力模块进行热交换；所述除湿单元与压缩制冷单元相连接，用于对散热对象安装环境进行除湿；

还包括三通阀9，所述水力模块、三通阀9、自然冷却单元依次连接形成冷却液第一循环；水力模块、三通阀9、压缩制冷单元依次连接形成冷却液第二循环；所述三通阀9用于切换和调节水力模块冷却液流向压缩制冷单元或自然冷却单元两个分支的流量。

在具体实施过程中，水力模块所连接的散热对象可以为电化学电池，水力模块管道内的冷却液可以为乙二醇水溶液，乙二醇水溶液用于将电化学电池的热量带出。本实施例可同时满足电化学电池冷却液降温、加热以及电化学电池安装环境的湿度控制，将制冷、加热和除湿功能集成在同一系统上，温湿度控制一体化集成，可节省温湿度控制设备安装占用空间至少20％，节省初投资至少15％，节省工程安装工时30％以上。

本实施例所述压缩制冷单元包括压缩机1、冷凝器2、第一风机3、第一膨胀阀4和蒸发器5；所述蒸发器5、压缩机1、冷凝器2和第一膨胀阀4，形成制冷循环。本实施例所述自然冷却单元包括自然冷却盘管6；所述第一风机3用于对流使冷凝器2和自然冷却盘管6与外界进行热交换。所述水力模块包括通过管路顺次连接的储能集装箱11、泵7和PTC加热器8；作为散热对象的电化学电池安装在储能集装箱11内；水力模块还包括与所述管路连接的膨胀罐14，所述膨胀罐14用于对水力模块进行稳压。本实施例还包括三通阀9；所述蒸发器5入口通过三通阀9连接水力模块的出口，出口连接水力模块的入口；所述自然冷却盘管6入口通过三通阀9连接水力模块的出口，出口连接水力模块的入口。

在具体实施过程中，自然冷却盘管6与冷凝器2以相同的迎风面积层叠设计，共用第一风机3进行散热，节约安装空间的同时实现有效节能；根据第一温度传感器23所感知环境温度T₀调节三通阀9以控制冷却液流量分配，合理利用压缩制冷和自然冷却的特性，高效节能的同时延长压缩机4及储能集装箱11使用寿命。

水力模块中的冷却液通过泵7的驱动将储能集装箱11内电化学电池的热量带出，经过PTC加热器8后通过三通阀9流向压缩制冷单元或自然冷却单元散热，再进入储能集装箱11完成冷却液循环；其中，压缩制冷单元和自然冷却单元通过管路连接至储能集装箱11。

在具体实施过程中，当外界环境温度T₀较高时，需要加大三通阀9内流向压缩制冷单元的冷却液流量以达到快速制冷的效果。水力模块中吸收了电化学电池热量的大部分或全部冷却液通过三通阀9进入蒸发器5，将热量传递给蒸发器5中的制冷剂，蒸发器5中的制冷剂吸热蒸发后返回压缩机1，压缩机1将低温低压气体压缩成为高温高压气体，再进入冷凝器2，通过第一风机3强制对流将系统内的热量散发到室外环境，从而将高温高压气体冷凝为低温高压液体，再进入第一膨胀阀4节流降压成低温低压气液混合，再进入蒸发器5吸热蒸发成低温低压气体，从而形成制冷循环。水力模块中的冷却液在蒸发器5中被压缩制冷单元中的制冷剂吸收热量后，再进入储能集装箱11重新吸收电化学电池的热量，形成水力模块中的冷却液循环。

在具体实施过程中，当外界环境温度T₀较低时，需要加大三通阀9内流向自然冷却单元的冷却液流量以达到节约能耗的效果。水力模块中吸收了电化学电池热量的大部分或全部冷却液通过三通阀9进入自然冷却盘管6，通过第一风机3强制对流将系统内的热量散发到室外环境，从而将高温液体冷却为低温液体，再重新进入水力模块形成冷却液循环。

在具体实施过程中，当第一风机3对冷凝器2和自然冷却盘管6与室外环境进行换热时，室外气流先经过自然冷却盘管6再经过冷凝器2，可以有效避免冷凝器2的热量被自然冷却盘管6的内部介质吸收，自然冷却盘管6的引入可以实现依据环境温度T₀和电化学电池负载的变化，自动调节三通阀9进入蒸发器5和自然冷却盘管6两个分支的流量从而实现全部自然冷却、混合冷却、全部机械冷却等不同工作模式，进而实现节能高效。本实施例所使用的风机可以为不同类型，比如轴流风机/离心风机、定速/变速风机。

所述水力模块依靠泵7的驱动使乙二醇在液冷系统及电化学电池之间循环，根据外界环境温度T₀调节乙二醇流向压缩制冷单元或自然冷却单元两个分支的流量，即，进入蒸发器5与制冷剂进行循环隔离换热，或者进入自然冷却盘管6进行散热。当冷却液温度过低，可能会对电化学电池的正常工作及其性能产生影响，这时可以按需使用PTC加热器8对带有电化学电池热量的冷却液进行升温，使本系统可以同时满足对电化学电池的降温和升温功能。本实施例所述的PTC加热器采用PTC陶瓷发热元件与铝管组成，有热阻小、换热效率高的优点，是一种自动恒温、省电的电加热器。

本实施例所述除湿单元包括一级除湿蒸发器16和第二风机17；所述除湿蒸发器16与所述压缩制冷单元连接形成除湿循环；所述第二风机17用于对流使电化学电池安装环境的高湿空气与所述一级除湿蒸发器16进行热交换。

在具体实施过程中，除湿单元为压缩制冷单元的支路，一级除湿蒸发器16与冷凝器2出口以及压缩机1的入口连接，除湿分支单独设第二膨胀阀15，可独立控制除湿单元的蒸发压力，除湿单元通过第二风机17强制对流，使电化学电池周围的高湿空气与一级除湿蒸发器16换热，携带的水分在制冷剂吸热蒸发下凝结析出，换热后的低温低湿空气送入电化学电池所在的储能集装箱11内，进而实现除湿作用。

本实施例利用一体化系统实现制冷、自然冷却和除湿功能，节省安装空间和成本的同时实现高效节能。所述除湿单元可为电化学电池安装环境提供低湿度低露点冷风，其中第二风机17的风量和一级除湿蒸发器16的换热面积可按需调节，从而实现送风温湿度调节，以满足电化学电池工作湿度要求。

本实施例还设有旁通阀13、第一截止阀10和第二截止阀12，所述旁通阀13的入口连接压缩制冷单元、自然冷却单元的出口和第一截止阀10的入口，所述第一截止阀10的出口连接储能集装箱11的入口；所述旁通阀13的出口连接第二截止阀12的出口和泵7的入口，所述第二截止阀12的入口连接储能集装箱11的出口。

在具体实施过程中，当需要短暂关闭针对储能集装箱11的温控功能或者本系统未连接储能集装箱11进行独立调试时，可以开启旁通阀13，关闭第一截止阀10和第二截止阀12，冷却液直接通过旁通阀13支路流通，不经过电化学电池所在的储能集装箱11；恢复针对储能集装箱11的温控功能时仅需关闭旁通阀13，开启第一截止阀10和第二截止阀12，冷却液即可重新经过电化学电池所在的储能集装箱11，继续对电化学电池进行制冷。

所述控制模块包括控制器27、变频驱动器、温湿度传感器、第一压力传感器22、第二压力传感器24、第三压力传感器25、第一温度传感器23、第二温度传感器26和相关电气连接等，实现该产品的状态监控、参数调节与告警保护等功能；

所述压缩机1、变频驱动器(图上未画出)、第一风机3、三通阀9、泵7、PTC加热器8、第二风机17、温湿度传感器、第一压力传感器22、第二压力传感器24、第三压力传感器25、第一温度传感器23、第二温度传感器26均连接至所述控制器27；

所述温湿度传感器设置于储能集装箱内部，用于检测储能集装箱内部的温湿度；

所述第一压力传感器22设置于冷凝器入口或冷凝器出口，用于检测压缩制冷单元内的冷凝压力值；

所述第二压力传感器24设置于储能集装箱的出口，所述第三压力传感器25设置于储能集装箱的入口，用于检测供回液压差；

所述第一温度传感器23设置于第一风机外部，用于检测外界环境温度；

所述第二温度传感器26设置于水力模块入口，用于检测水力模块内的冷却液供液温度。

其中，第一压力传感器22用于检测压缩制冷单元内的冷凝压力P从而控制第一风机3的转速，第一温度传感器23用于检测外界环境温度T₀，第二压力传感器24、第三压力传感器25用于检测供回液压差(P_g-P_h)，第二温度传感器26用于检测冷却液供液温度T_g，变频驱动器用于驱动压缩机1、泵7和第一风机3、第二风机17，控制器27用于接收温湿度传感器、第一压力传感器22、第二压力传感器24、第三压力传感器25、第一温度传感器23、第二温度传感器26的检测结果，并根据传感器的检测结果控制压缩机1、泵7和PTC加热器8的功率和第一风机3、第二风机17的转速和三通阀9的启闭及开度。

实施例2

如图2所示，本实施例提供一种集成制冷、自然冷却和除湿的液冷系统，与实施例1的不同之处在于：本实施例压缩制冷单元的冷凝器2出口引出的支路采用并联方式设置两级除湿蒸发器，可进一步控制送入储能集装箱11内的空气温湿度，一级除湿蒸发器16保持常开，二级除湿蒸发器18入口需另外设置第一电磁阀19控制开关。当需要降低送风湿度时，通过关闭第一电磁阀19关闭二级除湿蒸发器18通道，反之开启第一电磁阀19开启二级除湿蒸发器18通道。

根据储能集装箱11内空气温湿度来控制是否需要开启二级除湿蒸发器18，两级除湿蒸发器共用第二风机17进行热交换，具备集成度高、节省安装空间、降低成本等优势。同时，使用多级除湿蒸发器可以进一步提高系统除湿的能效。

实施例3

如图3所示，本实施例提供一种集成制冷、自然冷却和除湿的液冷系统，与实施例1的不同之处在于：本实施例从压缩机1出口引出一个分支，通过第二电磁阀21将再热冷凝器20连接至第一膨胀阀4的入口，用于给一级除湿蒸发器16进行热补偿。当除湿蒸发器16换热后的低温低湿空气温度过低时，可能会影响电化学电池的正常工作及其性能，这时可以开启第二电磁阀21，通过再热冷凝器20对一级除湿蒸发器16换热后的低温低湿空气进行热补偿，可以进一步控制送入储能集装箱11内的空气温湿度。再热冷凝器20通过回收废弃冷凝热的方式进行节能，可以进一步节省成本，避免送风温度太低以及采用电加热对送风热补偿的能源浪费，提高电化学电池的性能保障。

实施例4

本实施例提供一种集成制冷、自然冷却和除湿的液冷系统控制方法，采用实施例2和实施例3所述的液冷系统实现时，控制模块还进行以下步骤：

除湿系统通过第一电磁阀19开关部分换热面积(增加二级除湿蒸发器18)来调节，当需要降低送风湿度时，通过关闭第一电磁阀19关闭二级除湿蒸发器18通道，反之开启第一电磁阀19开启二级除湿蒸发器18通道；除湿系统的送风温度可通过再热冷凝器20进行热补偿，当需要提升送风温度时，开启第二电磁阀21开启再热冷凝器20通道，反之关闭第二电磁阀21断开再热冷凝器20通道。

实施例5

本实施例提供一种集成制冷、自然冷却和除湿的液冷系统控制方法，采用实施例1所述的液冷系统实现。

本实施例所述控制方法包括完全制冷模式、自然冷却制冷模式和混合制冷模式和除湿运行模式；

预设第一切换温度和第二切换温度，所述第一切换温度高于所述第二切换温度；

控制模块判断第一温度传感器23所感知外界环境温度T₀是否高于或等于预设的第一切换温度，如果是则启动完全制冷模式，即启动压缩制冷单元，通过压缩制冷单元和水力模块对散热对象进行散热，关闭自然冷却单元；

控制模块判断第一温度传感器23所感知外界环境温度T₀是否低于或等于预设的第二切换温度，若是则启动自然冷却模式，即启动自然冷却单元，通过自然冷却单元和水力模块对散热对象进行自然冷却，关闭压缩制冷单元；

控制模块判断第一温度传感器23所感知外界环境温度T₀是否高于第二切换温度并且低于第一切换温度，若是则启动混合制冷模式，即同时启动压缩制冷单元和自然冷却单元，控制模块通过控制三通阀的开度比例控制调整进入压缩制冷单元和自然冷却单元的冷却液流量比例；

所述除湿运行模式为：

控制模块判断散热对象的内部湿度是否大于预设的湿度，若是则判断是否启动了完全制冷模式或混合制冷模式，如果否则切换液冷系统至完全制冷模式或混合制冷模式，并启动除湿运行模式，即启动除湿单元对散热对象安装环境进行除湿；如果是则保持当前运行状态，启动除湿运行模式，即启动除湿单元对散热对象安装环境进行除湿。

示例性的，本实施例第一切换温度、第二切换温度可以根据实际运行需要设置，如预设第一切换温度为25℃，第二切换温度为5℃。

外界环境温度T₀≥25℃时，启动完全制冷模式，自然冷却模式停止运行，冷却液不流经自然冷却单元，所有冷量均由压缩制冷单元提供。在实际使用过程中，先启动泵7运行水力模块，再启动第一风机3，再运行压缩制冷单元，三通阀9的旁通开度为0％，关闭自然冷却单元。退出完全制冷运行模式时，先关闭压缩机1再关闭第一风机3，再关闭泵7。

其中，压缩制冷单元的压缩机1、第一风机3、泵7为变频控制。

第一风机3转速通过压力值控制，当控制模块的第一压力传感器22检测到的压缩制冷单元内的冷凝压力值P高于预设的压力值时，提升第一风机3转速，升高到最高转速后则维持当前转速；反之降低第一风机3转速，当降低到最低风速以后，第一压力传感器22感应到冷凝压力值P还低于预设的压力值时，则停止第一风机3。

泵7的变频调节以控制模块的第二压力传感器24和第三压力传感器25检测到的供回液压差与预设目标压差的偏差值作为控制依据，通过供回液压差确保末端冷却液供液温度需求，供回液压差偏高时，降低泵7的频率，供回液压差偏低时，提高泵7的频率。

压缩机1的变频调节以第二温度传感器26检测的冷却液供液温度T_g为控制目标，预设目标温度，当系统冷却液供液温度T_g为目标温度±0.5℃(可设定)时，系统判定处于热平衡状态，此时无需调节压缩机1的频率；当系统冷却液供液温度T_g为目标温度+0.5℃以上时，应按照压缩机频率变化要求对压缩机1进行升频，直至水温重新恢复至目标水温±0.5℃范围内；当系统冷却液供液温度T_g为目标温度-0.5℃以下时，应按照压缩机频率变化要求进行压缩机1降频，此时制冷量降低，直至水温重新恢复至目标水温±0.5℃范围内。

当外界环境温度T₀为≤5℃时，压缩制冷模式停止运行，启动自然冷却模式，三通阀9的旁通开度先保持100％，所有的冷却液流经自然冷却单元，并可以通过调节第一风机3的转速来调节自然冷却产生的冷量。在实际使用过程中，先启动泵7运行水力模块，再启动第一风机3，再将三通阀9旁通开至100％。

自然冷却模式工作时，第二温度传感器26感知的冷却液供液温度T_g高于目标温度时，提高第一风机3转速，反之降低第一风机3转速。在实际使用过程中，当第一风机3转速降至最低转速，冷却液供液温度T_g仍然过低时，则将三通阀9自然冷却单元侧的开度关小，部分冷却液直接从板换侧旁通，这时压缩机1保持停机；当第一风机3转速升至最高转速，冷却液供液温度T_g仍然过高时，三通阀9自然冷却侧流量关小，让部分液体流经蒸发器5，并开启压缩机1变频调节，此时返回混合制冷模式。

当外界环境温度T₀为5～25℃之间时，压缩制冷单元和自然冷却单元均启动，通过三通阀9的开度比例控制调整进入压缩制冷单元和自然冷却单元两个分支的流量，所有调节目标均需保证混合后的冷却液供液温度T_g满足要求。在实际使用过程中，先启动泵7运行水力模块，启动第一风机3，再启动压缩制冷单元，三通阀9自然冷却分支侧开至75％(可设)左右，压缩机1维持当前频率。

预设冷却液需求的目标温度，第二温度传感器26感知的冷却液供液温度T_g高于目标温度，加大三通阀9板换侧的开度，检测冷却液供液温度T_g是否满足要求，否则继续加大三通阀9板换侧开度，当三通阀9自然冷却开度全关时返回完全制冷模式，若冷却液供液温度T_g仍然偏高，可通过压缩机1、第一风机3升频来满足冷却液供液温度T_g要求；若冷却液供液温度T_g低于目标温度，则优先降低压缩机1的频率，检测冷却液供液温度T_g是否满足，若降至压缩机1的最小运行频率(可设)，冷却液供液温度T_g仍然偏低，则停掉压缩机1，三通阀9自然冷却单元侧开至100％，进入自然冷却模式，同时检测冷却液供液温度T_g是否满足要求，如果冷却液供液温度T_g仍然偏低，则将第一风机3降速，若第一风机3降至最低速，冷却液供液温度T_g仍然偏低，则将三通阀9板换侧逐渐开大，此时压缩机1保持停机，旁通部分冷却液经过蒸发器5，直至满足冷却液供液温度T_g的需求。

当储能集装箱11内的温湿度传感器检测到储能集装箱11内环境湿度高于预设的湿度值时，先判断压缩机1当前是否在运行，若系统当前在自然冷却模式则先退出，并准备切换到压缩机1启动的两种模式之一，至于具体切换到完全制冷模式还是混合制冷模式仍然按外界环境温度T₀来判断；若系统当前运行在完全制冷模式或者混合制冷模式，则保持压缩机1当前运行状态，然后正式进入除湿运行模式。

在实际使用过程中，除湿单元的送风湿度可通过第二风机17转速来调节，当送风湿度比预设的目标值高时，降低第二风机17转速减小风量，反之升高第二风机17转速增加风量。

本实施例根据外界环境温度T₀与预设的切换温度比较自动切换三种供冷模式，根据压缩机制冷和自然冷却各自的优势进行合理分配，在保证制冷效果的前提下进行高效节能，环境适应性强、低温启动性好，节省空间和成本，高效精准控制冷却液供液温度Tg，可以有效延长压缩机和储能集装箱的使用寿命。

本实施例还包括加热运行模式；

控制模块判断水力模块内的冷却液供液温度Tg低于预设的最低冷却液温度时，启动加热运行模式，关闭完全制冷模式或自然冷却模式或混合制冷模式。

当检测到冷却液供液温度T_g比预设的目标供液温度低于设定偏差时，关闭供冷模式，开启加热运行模式，PTC加热器8投入运行和调节，冷却液在水力模块内自循环加热；当冷却液供液温度Tg比预设的目标供液温度高时，关闭加热运行模式，开启供冷模式(具体供冷模式依据环境温度T₀判断)。另外，PTC加热器8与泵7需联锁启动，不允许泵7停止时开启PTC加热器8。

当水力模块内的冷却液温度过低时，可能会对电化学电池的正常工作及其性能产生影响，通过设置加热运行模式可以进一步控制水力模块的供液温度。

本实施例启动除湿运行模式后，控制模块还进行以下步骤：

计算冷却液供液侧制冷需求和除湿送风侧制冷需求，综合两个需求之和来计算压缩机1运行频率；

当计算所得运行频率高于当前运行频率时，压缩机1升频加载，反之压缩机1降频减载。

启动除湿运行模式后，由于制冷与除湿的工作需要同时进行，因此所需的压缩机1运行频率需要根据冷却液供液侧制冷需求和除湿送风侧制冷需求相结合来确定，压缩机1的加载上限为压缩机1最大允许转速，减载下限为压缩机1最小允许转速。根据压缩制冷与除湿的需求来计算压缩机1运行频率，合理利用压缩机1能耗，避免能源浪费。

若系统当前运行在加热模式，则等待供液温度Tg达到设定目标先退出加热模式，再如前述要求切换到除湿模式。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明技术方案所作的举例，而并非是对本发明的具体实施方式的限定。凡在本发明权利要求书的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种集成制冷、自然冷却和除湿的液冷系统，其特征在于，包括控制模块以及均与控制模块连接的压缩制冷单元、自然冷却单元、除湿单元和水力模块；所述水力模块与散热对象相连接，用于将散热对象的热量带出；所述压缩制冷单元与水力模块相连接，用于与水力模块进行热交换；所述除湿单元与压缩制冷单元相连接，用于对散热对象安装环境进行除湿；

还包括三通阀，所述水力模块、三通阀、自然冷却单元依次连接形成冷却液第一循环；水力模块、三通阀、压缩制冷单元依次连接形成冷却液第二循环；所述三通阀用于切换和调节水力模块冷却液流向压缩制冷单元或自然冷却单元两个分支的流量；

所述自然冷却单元包括自然冷却盘管，所述自然冷却盘管入口通过三通阀连接水力模块的出口，出口连接水力模块的入口。

2.根据权利要求1所述的一种集成制冷、自然冷却和除湿的液冷系统，其特征在于，所述除湿单元包括至少一个除湿蒸发器和第二风机；所述至少一个除湿蒸发器入口通过第二膨胀阀连接压缩制冷单元的冷凝器出口，出口连接压缩制冷单元的压缩机入口，与所述压缩制冷单元连接形成除湿循环；所述第二风机用于对流使散热对象安装环境的高湿空气与所述至少一个除湿蒸发器进行热交换，通过调节第二风机的风量和除湿蒸发器的换热面积，实现送风温湿度调节；所述第二膨胀阀用于控制除湿蒸发器的蒸发压力，独立控制系统温湿度。

3.根据权利要求1所述的一种集成制冷、自然冷却和除湿的液冷系统，其特征在于，所述压缩制冷单元包括蒸发器、压缩机、冷凝器和第一膨胀阀；所述蒸发器、压缩机、冷凝器和第一膨胀阀依次连接，形成制冷循环；

所述蒸发器冷却液测入口通过三通阀连接水力模块的出口，出口连接水力模块的入口；

还包括第一风机，所述第一风机用于对流使冷凝器和自然冷却盘管与外界进行热交换，将系统内的热量散发到室外环境；

所述自然冷却盘管与冷凝器采用层叠设计，共同使用第一风机进行散热。

4.根据权利要求1所述的一种集成制冷、自然冷却和除湿的液冷系统，其特征在于，所述水力模块包括通过管路顺次连接的储能集装箱、泵和PTC加热器；所述散热对象安装在所述储能集装箱内；所述水力模块的冷却液通过泵将储能集装箱内的散热对象的热量带出，经过PTC加热器后通过三通阀流向压缩制冷单元或自然冷却单元，压缩制冷单元和自然冷却单元通过管路连接至储能集装箱；

所述水力模块还包括与所述管路连接的膨胀罐，所述膨胀罐用于对水力模块进行稳压；

所述PTC加热器与泵联锁启动。

5.根据权利要求1所述的一种集成制冷、自然冷却和除湿的液冷系统，其特征在于，所述控制模块包括控制器、变频驱动器、温湿度传感器、电磁阀、第一压力传感器、第二压力传感器、第三压力传感器、第一温度传感器、第二温度传感器和相关电气连接；

所述压缩机、变频驱动器、第一风机、三通阀、泵、PTC加热器、第二风机、电磁阀、温湿度传感器、第一压力传感器、第二压力传感器、第三压力传感器、第一温度传感器、第二温度传感器均连接至所述控制器；

所述温湿度传感器设置于储能集装箱内部，用于检测储能集装箱内部的温湿度；

所述第一压力传感器设置于冷凝器入口或者冷凝器出口，用于检测压缩制冷单元内的冷凝压力值；

所述第二压力传感器设置于储能集装箱的出口，所述第三压力传感器设置于储能集装箱的入口，用于检测供回液压差；

所述第一温度传感器设置于第一风机外部，用于检测外界环境温度；

所述第二温度传感器设置于水力模块入口，用于检测水力模块内的冷却液供液温度。

6.根据权利要求2所述的一种集成制冷、自然冷却和除湿的液冷系统，其特征在于，所述除湿单元还包括再热冷凝器，所述再热冷凝器的入口通过第二电磁阀与压缩机的出口相连接，所述再热冷凝器的出口与第一膨胀阀的入口相连接，所述再热冷凝器用于给除湿单元提供热补偿。

7.根据权利要求1-6任一项所述的一种集成制冷、自然冷却和除湿的液冷系统，其特征在于，还设有旁通阀、第一截止阀和第二截止阀，所述旁通阀的入口连接压缩制冷单元、自然冷却单元的出口和第一截止阀的入口，所述第一截止阀的出口连接储能集装箱的入口；所述旁通阀的出口连接第二截止阀的出口和泵的入口，所述第二截止阀的入口连接储能集装箱的出口。

8.一种集成制冷、自然冷却和除湿的液冷系统控制方法，其特征在于，采用权利要求1至7任一项所述的液冷系统实现，所述控制方法包括完全制冷模式、自然冷却制冷模式和混合制冷模式和除湿运行模式；

预设第一切换温度和第二切换温度，所述第一切换温度高于所述第二切换温度；

控制模块判断外界环境温度是否高于或等于预设的第一切换温度，如果是则启动完全制冷模式，即启动压缩制冷单元，通过压缩制冷单元和水力模块对散热对象进行散热，关闭自然冷却单元；

控制模块判断外界环境温度是否低于或等于预设的第二切换温度，若是则启动自然冷却模式，即启动自然冷却单元，通过自然冷却单元和水力模块对散热对象进行自然冷却，关闭压缩制冷单元；

控制模块判断外界环境温度是否高于第二切换温度并且低于第一切换温度，若是则启动混合制冷模式，即同时启动压缩制冷单元和自然冷却单元，控制模块通过控制三通阀的开度比例控制调整进入压缩制冷单元和自然冷却单元的冷却液流量比例；

所述除湿运行模式为：

控制模块判断散热对象的内部湿度是否大于预设的湿度，若是则判断是否启动了完全制冷模式或混合制冷模式，如果否则切换液冷系统至完全制冷模式或混合制冷模式，并启动除湿运行模式，即启动除湿单元对散热对象安装环境进行除湿；如果是则启动除湿运行模式，即启动除湿单元对散热对象安装环境进行除湿。

9.根据权利要求8所述的一种集成制冷、自然冷却和除湿的液冷系统控制方法，其特征在于，还包括加热运行模式；

控制模块判断水力模块内的冷却液供液温度低于预设的最低冷却液温度时，启动加热运行模式，关闭完全制冷模式或自然冷却模式或混合制冷模式；

控制模块判断水力模块内的冷却液供液温度高于设定的目标冷却液温度时，关闭加热运行模式，开启完全制冷模式或自然冷却模式或混合制冷模式。

10.根据权利要求8所述的一种集成制冷、自然冷却和除湿的液冷系统控制方法，其特征在于，启动除湿运行模式后，控制模块还进行以下步骤：

计算冷却液供液侧制冷需求和除湿送风侧制冷需求，综合两个需求之和来计算压缩机运行频率；

当计算所得运行频率高于当前运行频率时，压缩机升频加载，反之压缩机降频减载。

Images