CN208901545U - 机房用复合型空调系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种机房用复合型空调系统，包括压缩机、油分离器、制冷冷凝器、节流装置、低压储液器、制冷剂泵、蒸发器、热管冷凝器及集油器；通过控制三通阀执行循环回路的切换分别运行制冷模式、复合模式及热管模式，并进行冷量调节与周期性回油控制，本实用新型适用于机房、基站等全天候空调的制冷需求，最大化利用昼夜、过渡季节和冬季的自然冷源，热管运行温区宽、结构紧凑、可靠性高、节能环保。

Description

机房用复合型空调系统

技术领域

本实用新型涉及空调技术领域，具体涉及一种能够最大化利用自然冷源的复合型机房空调系统。

背景技术

信息产业和数字化建设的快速发展，推动了机房、基站的数量，建设规模快速增长，据统计机房、基站空调的能耗占其总能耗的40％～50％。机房、基站的显热负荷比大，一年四季需连续运行，在室内侧设定温度低于室外侧温度的季节，常规的空调系统仍需继续运行压缩式制冷系统，制冷系统工作效率低而且易发生故障，若能利用室内外温差低成本输送热量或为室内侧提供冷量，将大大减小空调系统的能耗和运行成本。在夏季等高温季节通过利用地冷可实现制冷系统高效运行。大幅度提升系统能效。利用室外低温空气为室内侧提供冷量的方法已得到业内学者和工程技术人员的关注，并以不同的形式展开工程技术研究，如目前采用的新风系统，此外还有不同形式的气-气、气-水热交换系统，以及应用热管技术的复合型空调。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种能够有效利用室外冷源，高效节能的，可靠性高的复合型精密空调系统。

实现上述目的的技术方案是：

一种机房用复合型空调系统，包括压缩机、油分离器、制冷冷凝器、节流装置、低压储液器、制冷剂泵、蒸发器、热管冷凝器及集油器，其中，

所述油分离器的入口与压缩机的排气口相连通，油分离器的回油口通过毛细管连接至压缩机的回气口；

所述制冷冷凝器的入口与油分离器的出口相连通；

所述集油器设有进油口、集油回气口、回油口、回热进口、回热出口及回热盘管；回热进口和回热出口通过回热盘管连通；

所述低压储液器设有进气口、储液回气口、进液口及供液口，所述储液器的中部设有液位线以及出油口；

所述进油口与所述出油口连通；所述集油回气口与压缩机的回气口连通；所述回油口与压缩机的回气口连通；所述回热进口与制冷冷凝器的出口连通；所述回热出口通过节流装置连通所述进液口；

所述储液回气口与压缩机的回气口相连通，所述供液口与制冷剂泵的入口相连通，制冷剂泵的出口与蒸发器的入口相连通；

所述蒸发器的出口连通三通阀的第一端，三通阀的第二端连通所述进气口；三通阀的第三端通过热管冷凝器连通所述进气口；

所述热管冷凝器和制冷冷凝器包含风机。

优选的，所述制冷剂泵为变频泵。

优选的，所述制冷剂泵的两端并联有旁通阀。

优选的，所述制冷冷凝器和热管冷凝器均采用平行流换热器或翅片式换热器，并迎着风向平行并列，热管冷凝器位于入风侧、制冷冷凝器位于出风侧。

本实用新型的有益效果是：本实用新型根据室外的环境温度通过控制所述三通阀和所述压缩机以及风机的运行状态，改变换热介质在空调系统中的流通路径，进而控制空调系统的工作模式，使得产品可根据室外的环境温度通过调节空调系统在不同工作模式下工作以充分利用室外环境中的冷源，从而在满足复合型空调系统的冷量输出与热负荷相适应的前提下，降低了复合型空调系统因产生冷量所消耗的功率，最大化利用昼夜、过渡季节和冬季的自然冷源，大幅度节能减排。

附图说明

图1是本实用新型的机房用复合型空调系统的结构图；

图2是本实用新型中集油器的结构图；

图3是本实用新型中低压储液器的结构图；

图4是本实用新型的多联复合型空调系统的结构图；

图5是本实用新型中制冷模式的压焓图；

图6是本实用新型中制冷模式的结构图；

图7是本实用新型中复合模式的压焓图；

图8是本实用新型中复合模式的结构图；

图9是本实用新型中热管模式的压焓图；

图10是本实用新型中热管模式的结构图；

图11是本实用新型中系统能耗分析图。

具体实施方式

下面将结合附图对本实用新型作进一步说明。

关于利用动力型分离式热管与蒸汽压缩式制冷系统耦合的机房空调系统目前还未曾有人提出，也未曾有人提出在春、秋过渡季节拓宽热管工作温区，根据热管冷凝不足之处按需制冷，同时各种模式切换在室外侧，而末端冷量输出维持平稳。

请参阅图1-图3，本实用新型的机房用复合型空调系统，包括压缩机1、油分离器2、制冷冷凝器3、节流装置4、低压储液器5、制冷剂泵6、蒸发器7、热管冷凝器9及集油器10。

油分离器2的入口与压缩机1的排气口相连通，油分离器2的回油口通过毛细管连接至压缩机1的回气口；制冷冷凝器3的入口与油分离器2的出口相连通。

所述集油器10设有进油口103、集油回气口104、回油口105、回热进口101、回热出口102及回热盘管106；回热进口101和回热出口102通过回热盘管106连通；低压储液器5设有进气口53、储液回气口54、进液口51及供液口52，所述储液器的中部设有液位线56以及出油口55。

进油口103与所述出油口55连通；所述集油回气口104与压缩机1的回气口连通；所述回油口105与压缩机1的回气口连通；所述回热进口101与制冷冷凝器3的出口连通；所述回热出口102通过节流装置4连通所述进液口51；储液回气口54与压缩机1的回气口相连通，所述供液口52与制冷剂泵6的入口相连通，制冷剂泵6的出口与蒸发器7的入口相连通；所述蒸发器7的出口连通三通阀8的第一端，三通阀8的第二端连通所述进气口53；三通阀8的第三端通过热管冷凝器9连通所述进气口53。

节流装置4具体可以是电子膨胀阀或者毛细管等。制冷剂泵6两端并联有旁通阀，以调节送入室内模块中的制冷剂流量；若所述制冷剂泵6为变频泵，则所述旁通阀可以取消。

制冷冷凝器3和热管冷凝器9均采用平行流换热器或翅片式换热器，并迎着风向平行并列，热管冷凝器9位于入风侧、制冷冷凝器3位于出风侧。

当室内模块较多、室外机组空间不足或初期投资成本限制等条件时，可采用多联式复合精密空调系统，通过制冷剂泵6、供液总管和回气总管在室外模块与室内模块之间构成闭式循环系统，多联式复合空调系统由一个或多个复合空调室外模块与一个或多个室内模块构成多联模式。

请参阅图4，多联复合型空调系统，包括至少两个并联的压缩机1、油分离器2、制冷冷凝器3、节流装置4、低压储液器5、制冷剂泵6、至少两个并联的蒸发器7、热管冷凝器9及集油器10。去掉三通阀8，制冷剂泵6的出口与蒸发器7的入口相连通；各蒸发器7的入口设置流量阀，其中流量控制阀为比例调节阀，通过调节流量阀的开度，从而控制蒸发器7的供液量及其出口的过热度，实现各末端精确调节流量。各蒸发器7的总出口设置并联的制冷阀12和热管阀11；热管阀11通过热管冷凝器9连通所述进气口53；制冷阀12连通所述进气口53。其他结构与图1所示复合型空调系统一致。多联复合空调系统方法：对于系统中所有复合空调室外模块，采用先开则先停的轮值运行方式进行工作；对于系统中所有压缩机，同样采用先开则先停的轮值运行方式进行工作。

机房用复合型空调系统的控制方法，将宽环温带分解为制冷区、复合区和热管区三个功能区，空调机组中冷源系统的控制方式是针对不同的功能区，相应切换冷源系统运行制冷循环、复合循环和热管循环工作模式，其中：

当室外的环境温度T＞设定温度Tb时(如夏天)，对应于制冷区的制冷模式是：三通阀8切换至制冷回路，换热介质走向为：压缩机1-油分离器2-制冷冷凝器3-集油器10-节流装置4-低压储液器5-压缩机1，以及制冷剂泵6-蒸发器7-三通阀8-低压储液器5-制冷剂泵6，通过制冷循环为末端提供冷量。其中节流后的液态制冷剂储存在低压储液器5底部，经过制冷剂泵6的动力作用输送至末端蒸发器7，而在末端蒸发吸热之后的气态或气液混合状态制冷剂通过三通阀8的通道进入低压储液器5，与节流后的气态制冷剂一起被压缩机1吸入进行压缩，在制冷冷凝器3冷凝放热，再进入节流装置4节流进入低压储液器5中，如此完成制冷循环模式。由于室外环境温度高，使得空调系统的热负荷量较大，故本方案中温控装置控制复合型精密空调系统进行前述中常规的压缩机回路制冷过程以产生足够的冷量来满足复合型精密空调系统的热负荷，同时通过制冷剂泵运输动力作用，使得系统回油等安全可靠。其压焓图以及循环回路图如图5、图6所示。图5中，(4b、1)-2表示压缩机压缩过程，2-3表示冷凝器冷凝过程，3-4表示节流过程，4a-4-4b表示低压储液器内部气液分离过程，4a-5表示经过制冷剂泵动力输送过程，5-1表示末端蒸发吸热过程。

当室外的环境温度满足Ta≤T≤Tb时(如秋天、春天)，对应于复合区的复合模式是：三通阀8切换至热管回路，换热介质的走向为：压缩机1-油分离器2-制冷冷凝器3-集油器10-节流装置4-低压储液器5-压缩机1，以及制冷剂泵6-蒸发器7-三通阀8-热管冷凝器9-低压储液器5-制冷剂泵6。其中热管系统满负荷工作，制冷系统适量工作。该模式下，由蒸发器7、三通阀8、热管冷凝器9、低压储液器5以及制冷剂泵6构成热管系统满负荷工作，而压缩机1、油分离器2、制冷冷凝器3、节流装置4、低压储液器5构成的制冷系统根据具体环温以及末端负荷大小适当运行。自末端蒸发器7出来的气态或气液混合态制冷剂经过三通阀8进入热管冷凝器9进行部分冷凝，之后进入低压储液器5，其中气态制冷剂与节流后的气态制冷剂一起被压缩机1吸入，经过制冷冷凝器3冷凝放热，再进入节流装置4节流进入低压储液器5中，低压储液器5中液态制冷剂通过制冷剂泵6作用再次输送至末端蒸发器7进行蒸发吸热，如此完成复合循环。其压焓图以及循环回路图如图7、图8所示。图7中，(4b、6b、1)-2表示压缩机压缩过程，2-3表示冷凝器冷凝过程，3-4表示节流过程，4a-4-4b表示低压储液器内部气液分离过程，4a-5表示经过制冷剂泵动力输送过程，5-1表示末端蒸发吸热过程，1-6表示热管冷凝器冷凝过程，其中6a-6-6b表示进入低压储液器气液分离过程。由于室外环境温度较低，故本方案中温控装置控制复合型精密空调系统优先使用热管系统散热，不足部分由压缩制冷系统补偿，根据能量守恒定律，本方案中从室内蒸发器流出的气态或气液混合态的制冷剂先经过热管冷凝器进行降温，未被冷凝的气态制冷剂再被压缩机吸入进行压缩制冷循环实现冷凝，从而在满足复合型精密空调系统的冷量输出与热负荷相适应的前提下，降低了复合型精密空调系统因产生冷量所消耗的功率，进而实现了复合型精密空调系统的节能减排。同时通过制冷剂泵运输动力作用，使得系统回油等安全可靠。

当室外的环境温度T＜预设温度Ta时(如冬天)，对应于热管区的热管模式是：制冷系统停止工作，三通阀8切换至热管回路，换热介质走向为：制冷剂泵6-蒸发器7-三通阀8-热管冷凝器9-低压储液器5-制冷剂泵6。控制热管换热器的换热能力和风机转速使热管系统的产冷量与末端热负荷相匹配。Tb＞Ta。自末端蒸发器7出来的气态或气液混合态制冷剂经过三通阀8通过进入热管冷凝器9进行冷凝，之后进入低压储液器5，低压储液器5中液态制冷剂通过制冷剂泵6作用再次输送至末端蒸发器7进行蒸发吸热，如此完成热管循环。其压焓图以及循环回路图如下图9和图10。图9中，1-2表示制冷剂泵动力输送过程，2-3表示蒸发过程，3-1表示制冷剂在热管冷凝器中冷凝过程。

由于室外环境温度远低于机房温度，且能够向机房提供充足的冷量以使机房内维持适宜的温度，故本方案中使从室内蒸发器流出的气态或气液混合态的制冷剂在热管冷凝器与室外环境中的冷源进行热交换，以降低换热介质的温度，并使降温后的换热介质再次进入室内蒸发器中对机房进行降温，从而在满足机房内制冷需求的前提下，大幅度地降低了复合型精密空调系统的能耗。

空调系统通过采集室外环境温度T作为系统模式切换控制参数，系统模式切换时采用温度差值法以及延时控制方法进行切换，具体流程如下：

当室外温度满足Tb+ΔT1≥T≥Tb-ΔT1时，维持现有运行模式不变；

当室外温度满足T≥Tb+ΔT1，并且维持Δt时间时，则切换为制冷模式运行；

当室外温度满足T≤Tb-ΔT1，并且维持Δt时间时，则切换到复合模式运行；

当室外温度满足Ta+ΔT1≥T≥Ta-ΔT1时，维持现有运行模式不变；

当室外温度满足T≥Ta+ΔT1，并且维持Δt时间时，则切换为复合模式运行；

当室外温度满足T≤Ta-ΔT1，并且维持Δt时间时，则切换到热管模式运行。

空调系统通过控制低压储液器5内部工质温度T0作为系统冷量输出精确调控参数，设定控制低压储液器5内部工质温度T1；

在制冷模式下，当低压储液器5内部工质温度满足T1-ΔT2≤T0≤T1+ΔT2，维持压缩机1运行数量及节流装置4的开度不变；当低压储液器5内部工质温度若满足T0＜T1-ΔT2，降低压缩机(1)转速或减少压缩机1运行数量，调大节流装置4开度；若满足T0＞T1+ΔT2，提升压缩机1转速或增加压缩机1运行数量，减小节流装置4开度；

在复合模式下，优先利用热管提供冷量，不足冷量通过控制制冷压缩机的运行台数或压缩机转速进行补充；若室外侧有制冷压缩机运行，则空调系统中所有室外复合式制冷系统的风机高速运行，首先在热管冷凝器9中放热，未冷凝的气态制冷剂进入低压储液器5后被压缩机1吸入，通过压缩-冷凝-节流再流入低压储液器5；其调节方式为：当低压储液器5内部工质温度满足T1-ΔT2≤T0≤T1+ΔT2，维持压缩机1运行数量及节流装置4的开度不变；当低压储液器5内部工质温度若满足T0＜T1-ΔT2，降低压缩机1转速或减少压缩机1运行数量，调大节流装置4开度；若满足T0＞T1+ΔT2，提升压缩机1转速或增加压缩机1运行数量，减小节流装置4开度；

在热管模式下，可通过调整风机转速或者系统供液流量实现系统冷量输出调节，当低压储液器5内部工质温度若满足T1-ΔT2≤T0≤T1+ΔT2，维持风机转速及制冷剂泵6流量不变；当低压储液器5内部工质温度若满足T0＜T1-ΔT2，优先通过降低风机转速减小冷量输出或者调节流装置4开度降低制冷剂泵6流量输出，若继续降低，则停掉其中一个风机；若满足T0＞T1+ΔT2，先通过提升风机转速增加冷量输出或者调节流量阀开度提高制冷剂泵6流量输出；其中采用先开则先停的轮值运行方式进行工作。

如图11所示，横坐标表示室外环境温度，即室外机组所处的环境温度，纵坐标表示机房负荷和能耗，其中随着室外环境温度升高，机房负荷处于一定增长状态。当环境温度低于Ta时，系统处于热管模式，环温介于Ta与Tb之间是，系统运行复合模式，当环温高于Tb时，系统运行制冷模式，其能耗如图中实线部分复合空调能耗所示，而常规空调系统能耗如图中虚线所示。

以下描述系统回油方式：

在制冷模式以及复合模式下时，设定压缩机运行周期T2或压缩机油位传感器，当累计运行时间达到T2或油位偏低时，控制节流装置4开度调大，使低压储液器5内部制冷剂液位漫过液位线56，上层的富油制冷剂通过低压储液器5的出油口55进入集油器10，与自制冷冷凝器3出来的高温盘管换热，其中液态制冷剂蒸发成气态制冷剂被压缩机1吸入，润滑油则流入集油器10底部，并通过重力或压差作用流回压缩机1。

压差回油方式：空调系统运行在制冷模式以及复合模式下时，设定压缩机运行周期T2或压缩机油位传感器，当累计运行时间达到T2或油位偏低时，控制节流装置4开度调大，使低压储液器5内部制冷剂液位漫过液位线56，此时打开第一回油阀，上层的富油制冷剂通过低压储液器5的出油口进入集油器10，待液位降低至液位线后关闭第一回油阀，再打开第二回油阀，完成回油。

对于恒温24℃机房进行运行分析说明，可以预测：当室外空气温度＞20℃时，空调系统运行在蒸气压缩制冷区；10℃≤室外空气温度≤20℃时，空调系统可以运行在复合制冷工作区；由于计算机系统通常工作负荷在40～60％范围，复合制冷工作区的运行规则是：满负荷运行风冷以实现最大化利用自然冷源室；当热管冷凝器所产生的制冷量大于或等于热负荷时，或室外空气温度≤10℃时，压缩机停止工作，空调系统完全利用自然冷源，实现空调系统低能耗运行。控制低压储液器4内制冷剂温度传感器T1＝16℃，ΔT1＝2℃，ΔT2＝2℃。

以上实施例仅供说明本实用新型之用，而非对本实用新型的限制，有关技术领域的技术人员，在不脱离本实用新型的精神和范围的情况下，还可以作出各种变换或变型，因此所有等同的技术方案也应该属于本实用新型的范畴，应由各权利要求所限定。

Claims (4)

1.一种机房用复合型空调系统，其特征在于，包括压缩机(1)、油分离器(2)、制冷冷凝器(3)、节流装置(4)、低压储液器(5)、制冷剂泵(6)、蒸发器(7)、热管冷凝器(9)及集油器(10)，其中，

所述油分离器(2)的入口与压缩机(1)的排气口相连通，油分离器(2)的回油口通过毛细管连接至压缩机(1)的回气口；

所述制冷冷凝器(3)的入口与油分离器(2)的出口相连通；

所述集油器(10)设有进油口(103)、集油回气口(104)、回油口(105)、回热进口(101)、回热出口(102)及回热盘管(106)；回热进口(101)和回热出口(102)通过回热盘管(106)连通；

所述低压储液器(5)设有进气口(53)、储液回气口(54)、进液口(51)及供液口(52)，所述储液器的中部设有液位线(56)以及出油口(55)；

所述进油口(103)与所述出油口(55)连通；所述集油回气口(104)与压缩机(1)的回气口连通；所述回油口(105)与压缩机(1)的回气口连通；所述回热进口(101)与制冷冷凝器(3)的出口连通；所述回热出口(102)通过节流装置(4)连通所述进液口(51)；

所述储液回气口(54)与压缩机(1)的回气口相连通，所述供液口(52)与制冷剂泵(6)的入口相连通，制冷剂泵(6)的出口与蒸发器(7)的入口相连通；

所述蒸发器(7)的出口连通三通阀(8)的第一端，三通阀(8)的第二端连通所述进气口(53)；三通阀(8)的第三端通过热管冷凝器(9)连通所述进气口(53)；

所述热管冷凝器(9)和制冷冷凝器(3)包含风机。

2.根据权利要求1所述的机房用复合型空调系统，其特征在于，所述制冷剂泵(6)为变频泵。

3.根据权利要求1所述的机房用复合型空调系统，其特征在于，所述制冷剂泵(6)的两端并联有旁通阀。

4.根据权利要求1所述的机房用复合型空调系统，其特征在于，所述制冷冷凝器(3)和热管冷凝器(9)均采用平行流换热器或翅片式换热器，并迎着风向平行并列，热管冷凝器(9)位于入风侧、制冷冷凝器(3)位于出风侧。