一種新型自然冷源製冷系統及其控制方法與流程

2023-05-20 17:25:32

本發明涉及一種製冷系統及其控制方法，特別是涉及一種應用於數據中心的節能型的製冷系統及其控制方法。

背景技術：

數據中心能耗一般是數據中心中伺服器、交換機、存儲等IT設備、製冷空調設備、配電電池等輔助設備總體的能耗。IT設備和空調系統能耗佔據數據中心總體能耗的90％左右，作為數據中心輔助設備的空調系統能耗佔據40％左右，僅次於IT設備耗能。製冷主機在其中佔據核心位置，因此提高製冷主機能效可以有效降低數據中心能耗。

目前常用的免費冷源主要是冬季或春秋季的室外空氣。因此，如果可能的話，數據中心的選址應該在天氣比較寒冷或低溫時間比較長的地區。在中國，北方地區都是非常適合採用免費製冷技術。

針對數據中心全年製冷應用特點，在北方寒冷地區將風冷冷水機組與自然冷源進行結合，可以在冬季、秋季使用免費的自然冷源(環境溫度)進行製冷，從而在高效電製冷基礎上實現全年能效比的綜合提高。

綜合目前自然冷源利用情況，目前最為成熟可靠的自然冷源利用方案有如下兩種方式：

1、乙二醇方案

針對全年製冷運行需求自然冷源與機械製冷進行結合，形成3種模式(自然冷源模式、混合製冷模式、壓縮製冷模式)。其中通過電動三通閥進行切換模式切換，在夏季電動三通閥將自然冷源盤管封閉，依靠壓縮機製冷提供冷源；過渡季節電動三通閥在0％到100％進行控制，將自然冷源盤管激活，但此時環境溫度不足夠低，無法實現完全提供冷量，壓縮機必須輔助運行；冬季時環境溫度足夠低，則電動三通閥全部打開，壓縮機關閉，則自然冷源盤管提供全部冷量。

為了確保在冬季系統可以可靠運行，則循環系統需要加注防凍液，一般按照當地氣象條件下最低溫度再降低5度進行濃度配比；防凍液對於管路系統具有一定的腐蝕性，並且粘度高於純水增加水泵功耗，換熱特性比純水差，需要配置更多的末端換熱設備；整個系統需要加注大量的防凍液，維護量巨大，且安全存在隱患。

2、純水方案

純水方案與乙二醇方案最根本的區別是解決了整個管路系統充注防凍液進行防凍的弊端，將自然冷源系統與管路系統進行分離，採用中間換熱器進行換熱，自然冷源循環系統充注防凍液，由循環泵提供動力循環；純水方案有效的減少防凍液充注數量和維護難度，但管路系統使用純水循環，暴露在室外部分和備份機組都存在冬季防凍問題，需要在機組增加伴熱方案進行解決；此外使用中間換熱器進行二次換熱，存在傳熱溫差，自然冷源利用效率下降，且中間換熱器成本高，對清潔度要求高，從而增大了維護工作量。

技術實現要素：

發明目的：針對現有技術中存在的問題，本發明提供一種新型自然冷源製冷系統及其控制方法，該製冷系統不需要進行專門的防凍處理，能夠降低成本，提高換熱效率和維護的便捷性。

技術方案：為實現上述發明目的，本發明採用如下技術方案：

一種新型自然冷源製冷系統，包括冷凝器、儲液器、製冷劑循環泵、電子膨脹閥、蒸發器和製冷壓縮機；蒸發器、壓縮機、冷凝器、儲液器、製冷劑循環泵和電子膨脹閥通過管路依次相連構成循環迴路，蒸發器與冷凝器之間通過第一旁通管路相連，儲液器與電子膨脹閥之間通過第二旁通管路相連；所述製冷壓縮機、冷凝器、儲液器、電子膨脹閥和蒸發器組成風冷冷水機組製冷循環系統，所述冷凝器、儲液器、製冷劑循環泵和蒸發器組成自然冷源製冷循環系統。

在具體實施方案中，所述儲液器與電子膨脹閥之間的管路上設有用於切換製冷劑循環泵所在管路及第二旁通管路的閥件；所述製冷壓縮機與冷凝器之間的管路，以及蒸發器與冷凝器之間的管路上分別設有控制管路導通或關斷的閥件。

在具體實施方案中，所述製冷劑循環泵通過第三旁通管路與蒸發器相連，該管路上設有控制管路導通或關斷的閥件。

優選地，所述製冷壓縮機採用單臺或多臺定頻或變頻壓縮機。

優選地，所述製冷劑循環泵使用定頻或變頻驅動，採用單泵或雙泵備份方式。

優選地，所述冷凝器的風機採用變速或變頻調節風機。

所述新型自然冷源製冷系統的控制方法，該方法通過環境溫度和蒸發器冷凍出水溫度與環境溫度差值判斷實現自然冷源模式和電製冷模式的啟用和關閉，並引入回水溫度與環境溫度差值進行輔助判斷，實現混合製冷模式的啟用和關閉。

優選地，所述控制方法根據如下規則實現模式切換：

電製冷模式：製冷系統無故障，未有隻運行在自然冷源模式的手動強制指令和自動請求指令；則電製冷模式啟用；

混合製冷模式：當(蒸發器冷凍回水溫度-環境溫度)≥混合製冷啟動溫差，維持設定時間，則混合製冷模式啟用；當(蒸發器冷凍回水溫度-環境溫度)＜混合製冷關閉溫差，維持設定時間，則混合製冷模式關閉；

自然冷源模式：當環境溫度≤(蒸發器冷凍出水溫度-自然冷源啟動偏差)，維持設定時間；則強制自然冷源模式啟用，同時強制電製冷模式關閉；

當實際蒸發器冷凍出水溫度≥蒸發器冷凍出水溫度設定值+1℃，維持設定時間；或環境溫度≥蒸發器冷凍出水溫度設定值，維持設定時間；則強制自然冷源模式關閉，同時電製冷模式啟用。

有益效果：本發明提供的新型自然冷源製冷系統通過控制切換可以實現3種運行模式：電製冷模式、自然冷源模式和混合模式(電製冷與自然冷源結合)。電製冷模式與傳統自然冷源風冷冷水機組製冷循環相同，但對比傳統自然冷源利用方法，冷凝器不包含自然冷源盤管，從而降低冷凝器風側阻力損失，在同樣製冷和能效效果下可以選擇更小功率風機，從而降低運行功率，提高效率，因為換熱器減少一半，從而降低材料成本。自然冷源模式下，製冷劑循環泵代替壓縮機提供製冷系統循環動力，與傳統純水方案相比，省去中間換熱器的換熱損失，省去自然冷源系統管路和防凍液。混合模式下，在環境溫度20度即可以進入混合模式，與傳統方案需要對比冷凍回水溫度高於環境溫度才能進入混合模式，按照目前數據中心常用的回水16度進行考慮，其進入混合模式至少也是15度，從而可以實現自然冷源的充分利用。

與現有技術相比，本發明的新型自然冷源製冷系統採用製冷劑作為循環介質，具有乙二醇方案和純水方案的優勢，系統不需要進行專門的防凍處理，自然冷源直接換熱，效率高，整個管路循環系統採用純水，保證末端系統換熱效率和維護便捷性；還省略了自然冷源盤管，由冷凝器提供自然冷源；省去中間換熱器，從而降低成本和維護複雜性。

附圖說明

圖1為本發明實施例1的系統原理圖。

圖2為本發明實施例2的系統原理圖。

圖3為本發明實施例3的系統原理圖。

圖4為本發明實施例4的系統原理圖。

圖中，1-冷凝器，2-儲液器，3-製冷劑循環泵，4a、4b-第四閥件，4b-單向閥，5-電子膨脹閥，6-蒸發器，7-製冷壓縮機，8-第一閥件，8a-第三閥件，9-第二閥件。

具體實施方式

下面結合具體實施例，進一步闡明本發明，應理解這些實施例僅用於說明本發明而不用於限制本發明的範圍，在閱讀了本發明之後，本領域技術人員對本發明的各種等價形式的修改均落於本申請所附權利要求所限定的範圍。

實施例1

如圖1所示，本發明實施例公開的一種新型自然冷源製冷系統，包括冷凝器1、儲液器2、製冷劑循環泵3、電子膨脹閥5、蒸發器6和製冷壓縮機7；蒸發器6、壓縮機7、冷凝器1、儲液器2、製冷劑循環泵3和電子膨脹閥5通過管路依次相連構成循環迴路，蒸發器6與冷凝器1之間通過第一旁通管路相連；儲液器2與電子膨脹閥5之間通過第二旁通管路相連。製冷壓縮機7、冷凝器1、儲液器2、電子膨脹閥5和蒸發器6組成風冷冷水機組製冷循環系統，冷凝器1、儲液器2、製冷劑循環泵3和蒸發器6組成自然冷源製冷循環系統。第一旁通管路上設有第一閥件8(可以是電動二通閥或電磁閥)，製冷壓縮機7與冷凝器1之間的管路上設有第二閥件9(可以是單向閥或電動關斷閥)。儲液器2通過電動三通閥4(通過驅動電機旋轉，可以實現A-AB和A-B流嚮導通)分別與製冷劑循環泵3所在管路及第二旁通管路相連。

壓縮機可以使用不同的類型，其中包括渦旋壓縮機、螺杆壓縮機、離心式壓縮機等，其中使用帶有潤滑油循環壓縮機時，需要在製冷系統配置油分離器，並設置可靠的回油系統；在使用無油潤滑壓縮機時(磁懸浮離心壓縮機)不需要配置油分離器。為了提高機組在部分負荷效率，可以對壓縮機使用變頻，從而獲得更好的效率；壓縮機可以為單臺也可以為多臺組合。

製冷劑循環泵3是自然冷源系統驅動動力，為提高自然冷源效率和工況調節能力，可對製冷劑循環泵3使用變頻驅動，為提高系統可靠性，可以採用雙泵備份方式，從而實現1用1備。

冷凝器1可以使用不同形式，做為自然冷源和冷凝換熱的核心部件，冷凝器1可以使用銅管鋁翅片、微通道等不同結構形式，為了適應負荷調節，風機可以使用變速和變頻調節。

蒸發器6可以使用不同形式，包括滿液式、降膜式、乾式、套管式等，其中在使用滿液式和降膜式蒸發器6時，可以設置液位檢測信號，從而控制製冷劑循環泵3的運行頻率或者電子膨脹閥5的開度，從而達到製冷負荷變化的控制。

本實施例的製冷系統通過切換控制實現電製冷模式、自然冷源模式和混合模式3中運行模式的具體工作流程如下：

1、自然冷源模式：電動三通閥4A-AB流嚮導通，製冷壓縮機7不工作，第二閥件9關斷，第一閥件8打開。製冷劑循環流向為：製冷劑循環泵3-電子膨脹閥5-蒸發器6-第一閥件8-冷凝器1-儲液器2-電動三通閥4(A-AB流向)-製冷劑循環泵3。

2、混合製冷模式：電動三通閥4A-AB流嚮導通，製冷壓縮機7工作，第一閥件8關斷，第二閥件9打開。製冷劑循環流向為：製冷壓縮機7-第二閥件9-冷凝器1-儲液器2-電動三通閥4(A-AB流向)-製冷劑循環泵3-電子膨脹閥5-蒸發器6-製冷壓縮機7。

3、電製冷模式：電動三通閥4A-B流嚮導通，製冷劑循環泵3不工作，製冷壓縮機7工作，第一閥件8關斷，第二閥件9打開。製冷劑循環流向為：製冷壓縮機7-第二閥件9-冷凝器1-儲液器2-電動三通閥4(A-B流向)-電子膨脹閥5-蒸發器6-製冷壓縮機7。

實施例2

如圖2所示，本發明實施例公開的一種新型自然冷源製冷系統，與實施例1中的區別是，製冷劑循環泵3通過第三旁通管路與蒸發器6相連，該管路上設有第三閥件8a，製冷系統工作在自然冷源模式時，通過控制製冷劑循環泵3的運行頻率實現製冷劑液體的節流。與本實施例對應的3種運行模式的工作流程如下：

1、自然冷源模式：電動三通閥4A-AB流嚮導通，製冷壓縮機7不工作，第二閥件9關斷，第一閥件8打開，電子節流閥關斷，第三閥件8a打開。製冷劑循環流向為：製冷劑循環泵3-第三閥件8a-蒸發器6-第一閥件8-冷凝器1-儲液器2-電動三通閥4(A-AB流向)-製冷劑循環泵3。

2、混合製冷模式：電動三通閥4A-AB流嚮導通，製冷壓縮機7工作，第一閥件8關斷，第二閥件9打開，第三閥件8a關斷。製冷劑循環流向為：製冷壓縮機7-第二閥件9-冷凝器1-儲液器2-電動三通閥4(A-AB流向)-製冷劑循環泵3-電子膨脹閥5-蒸發器6-製冷壓縮機7。

3、電製冷模式：電動三通閥4A-B流嚮導通，製冷劑循環泵3不工作，製冷壓縮機7工作，第一閥件8關斷，第二閥件9打開，第三閥件8a關斷。製冷劑循環流向為：製冷壓縮機7-第二閥件9-冷凝器1-儲液器2-電動三通閥4(A-B流向)-電子膨脹閥5-蒸發器6-製冷壓縮機7。

實施例3

如圖3所示，本發明實施例公開的一種新型自然冷源製冷系統，與實施例1中的區別是，儲液器2與電子膨脹閥5之間的製冷劑泵所在管路和第二旁通管路上分別設第四閥件4a、4b(可以是單向閥或電動關斷閥)，通過控制這兩個閥件切換控制實現兩個管路的導通與關斷。與本實施例對應的3種運行模式的工作流程如下：

1、自然冷源模式：製冷壓縮機7不工作，第二閥件9關斷，第一閥件8打開，閥件4a關斷，閥件4b打開。製冷劑循環流向為：製冷劑循環泵3-閥件4b-電子膨脹閥5-蒸發器6-第一閥件8-冷凝器1-儲液器2-製冷劑循環泵3。

2、混合製冷模式：製冷壓縮機7工作，第一閥件8關斷，第二閥件9打開，閥件4a關斷，閥件4b打開。製冷劑循環流向為：製冷壓縮機7-第二閥件9-冷凝器1-儲液器2-製冷劑循環泵3-閥件4b-電子膨脹閥5-蒸發器6-製冷壓縮機7。

3、電製冷模式：電動三通閥4A-B流嚮導通，製冷劑循環泵3不工作，製冷壓縮機7工作，第一閥件8關斷，第二閥件9打開，閥件4a打開，閥件4b關閉。製冷劑循環流向為：製冷壓縮機7-第二閥件9-冷凝器1-儲液器2-閥件4a-電子膨脹閥5-蒸發器6-製冷壓縮機7。

實施例4

如圖4所示，本發明實施例公開的一種新型自然冷源製冷系統，與實施例3中的區別是，製冷劑循環泵3通過第三旁通管路與蒸發器6相連，該管路上設有第三閥件8a，製冷系統工作在自然冷源模式時，通過控制製冷劑循環泵3的運行頻率實現製冷劑液體的節流。與本實施例對應的3種運行模式的工作流程如下：

1、自然冷源模式：製冷壓縮機7不工作，第二閥件9關斷，第一閥件8打開，電子節流閥關斷，第三閥件8a打開，閥件4a關斷，閥件4b打開。製冷劑循環流向為：製冷劑循環泵3-閥件4b-第三閥件8a-蒸發器6-第一閥件8-冷凝器1-儲液器2-製冷劑循環泵3。

2、混合製冷模式：製冷壓縮機7工作，第一閥件8關斷，第二閥件9打開，第三閥件8a關斷，閥件4a關斷，閥件4b打開。製冷劑循環流向為：製冷壓縮機7-第二閥件9-冷凝器1-儲液器2-製冷劑循環泵3-閥件4b-電子膨脹閥5-蒸發器6-製冷壓縮機7。

3、電製冷模式：製冷劑循環泵3不工作，製冷壓縮機7工作，第一閥件8關斷，第二閥件9打開，第三閥件8a關斷，閥件4a打開，閥件4b關閉。製冷劑循環流向為：製冷壓縮機7-第二閥件9-冷凝器1-儲液器2-閥件4a-電子膨脹閥5-蒸發器6-製冷壓縮機7。

實施例5

模式判斷對於自然冷源利用和節能最為關鍵，延長自然冷源利用時間可以有效降低機組功耗，從而降低運行費用；目前傳統自然冷源利用常採用環境溫度作為切換標準，考慮到用戶使用過程中蒸發器冷凍水溫設定可能存在的不同，往往需要設置較低的溫度作為模式切換點。針對以上問題本發明實施例公開的新型自然冷源製冷系統的控制方法通過引入蒸發器冷凍回水溫度與環境溫度差值進行輔助，結合環境溫度和蒸發器冷凍出水溫度與環境溫度差值從而實現模式的準確切換。3種模式的具體切換判斷規則如下：

電製冷模式：

①製冷系統無故障

②未有隻運行在自然冷源模式的手動強制指令

③未有隻運行在自然冷源模式的自動請求指令

則判定電製冷模式生效。

混合製冷模式：

①(蒸發器冷凍回水溫度-環境溫度)≥混合製冷啟動溫差(默認0℃，可設)

②(蒸發器冷凍回水溫度-環境溫度)＜混合製冷關閉溫差(默認-3℃，可設)

③溫差判穩時間(默認10分鐘，可設)

滿足條件①③時，則混合製冷模式啟用；滿足條件②③時，則混合製冷模式關閉，按照上述各實施例具體各閥門狀態切換閥門。

當電製冷模式故障，混合製冷模式運行，自然冷源無法持續提供足夠冷源時，提示自然冷源不足。

自然冷源模式：

當環境溫度≤(蒸發器冷凍出水溫度-自然冷源啟動偏差)(偏差默認3℃，可設)，維持5分鐘；則強制自然冷源模式啟用，同時強制電製冷模式關閉。

當實際蒸發器冷凍出水溫度≥蒸發器冷凍出水溫度設定值+1℃，維持5分鐘；或環境溫度≥蒸發器冷凍出水溫度設定值，維持5分鐘；則強制自然冷源模式關閉，同時電製冷模式啟用。