机房空调系统及其控制方法与流程

本发明涉及制冷技术领域，尤其是涉及一种机房空调系统和机房空调系统的控制方法。

背景技术：

伴随信息产业数字化建设以及家电智能化的快速发展，机房、基站的数量迅速增加，据统计机房、基站空调的能耗占其总能耗的40％以上。数据中心显热负荷大、围护结构封闭，一年四季全天候运行，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还存在低温启动、润滑、能量调节等可靠性问题。

利用室内外温差低成本输送热量或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，但这种装置由于不能确保室内空气品质，无法杜绝室外的灰尘、水分等进入室内，易对服务器等电子设备造成损害。普通的气-气热交换系统虽然能够保证室内空气的品质，但对于热负荷大和温度均匀度要求高的机房而言，需要庞大的换热面积以克服气-气热交换器传热效率低的弊端。

技术实现要素：

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明提出一种机房空调系统，该机房空调系统节能且运行成本低。

本发明还提出一种机房空调系统的控制方法。

根据本发明实施例的机房空调系统包括：首尾依次相连的压缩机、制冷冷凝器、第一节流装置、蒸发器、第一通断阀，所述第一通断阀可选择的导通和截断其所在的管路；冷凝蒸发器，所述冷凝蒸发器内限定出彼此间隔开的冷凝侧通道和蒸发侧通道，所述蒸发侧通道的进口通过第二节流装置连接在所述制冷冷凝器和所述第一节流装置之间，所述蒸发侧通道的出口连接在所述压缩机和所述第一通断阀之间；热管冷凝器，所述热管冷凝器的进口通过第二通断阀连接在所述蒸发器和所述第一通断阀之间，所述热管冷凝器的出口与所述冷凝侧通道的进口相连，所述第二通断阀可选择的导通和截断其所在的管路；储液装置，所述储液装置的进口与所述冷凝侧通道的出口相连；氟泵，所述氟泵的进口与所述储液装置的出口相连，所述氟泵的出口连接在所述第一节流装置和所述蒸发器之间；其中，所述制冷冷凝器可选择的与所述第一节流装置和所述第二节流装置中的一个导通且与另一个截断。

根据本发明实施例的机房空调系统在环境温度达到一定温度范围后，可以利用运行热管单元对制冷循环进行补偿，可以避免压缩机始终开启而造成能源浪费。因此根据本发明实施例的机房空调系统节能且运行成本低。

在一些优选实施例中，所述机房空调系统还包括三通阀，所述三通阀具有第一阀口、第二阀口和第三阀口，所述第一阀口与所述制冷冷凝器相连，所述第二阀口与所述第一节流装置相连，所述第三阀口与所述第二节流装置相连，其中所述第一阀口可选择的与第二阀口和所述第三阀口中的一个导通且与另一个截断。

在一些优选实施例中，所述机房空调系统还包括：第三通断阀，所述第三通断阀串联在所述制冷冷凝器和所述第一节流装置之间，所述第三通断阀可选择的导通和截断其所在的管路；第四通断阀，所述第四通断阀串联在所述制冷冷凝器和所述第二节流装置之间，所述第四通断阀可选择的导通和截断其所在的管路。

在一些优选实施例中，所述机房空调系统还包括单向阀，所述单向阀的进口与所述氟泵的出口相连，所述单向阀的出口连接在所述第一节流装置和所述蒸发器之间。

根据本发明第二方面实施例的机房空调系统的控制方法，包括如下步骤：

当室外环境温度T与第一温度Tb满足T＞Tb时，控制所述压缩机启动且所述氟泵停机，控制所述制冷冷凝器与所述第一节流装置导通且与第二节流装置截断，控制所述第一通断阀导通且第二通断阀截断；

当室外环境温度T与第二温度Ta满足T＜Ta时，控制所述压缩机停机且所述氟泵启动，控制所述第二通断阀导通；

当室外环境温度T与所述第一温度Tb和所述第二温度Ta满足Ta≤T≤Tb时，控制所述氟泵运行预设时间S后，根据所述蒸发器的出口温度Tz与室内设定温度Ts之间的比较关系确定是否启动所述压缩机，其中Tb＞Ta。

根据本发明实施例的机房空调系统的控制方法简单，可以大大地节约能源。

在一些优选实施例中，当所述蒸发器的出口温度Tz与所述室内设定温度Ts满足Tz＞Ts，控制所述压缩机启动且控制所述制冷冷凝器与所述第二节流装置导通且与所述第一节流装置截断；当所述蒸发器的出口温度Tz与所述室内设定温度Ts满足Tz≤Ts，控制所述压缩机保持停机。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是根据本发明实施例的机房空调系统的原理图；

图2是图1所示的机房空调系统在运行制冷模式时的运行原理图；

图3是图1所示的机房空调系统在运行制冷补偿模式时的运行原理图；

图4是图1所示的机房空调系统在运行热管制冷模式时的运行原理图。

附图标记说明：

机房空调系统100；

压缩机1；排气口11；回气口12；

制冷冷凝器2；制冷冷凝器2的进口21；制冷冷凝器2的出口22；

第一节流装置31；第一节流装置31的进口311；第一节流装置31的出口312；第二节流装置32；第二节流装置32的进口321；第二节流装置32的出口322；

蒸发器4；蒸发器4的进口41；蒸发器4的出口42；

第一通断阀51；第二通断阀52；

冷凝蒸发器6；冷凝侧通道61；冷凝侧通道61的进口611；冷凝侧通道61的出口612；蒸发侧通道62；蒸发侧通道62的进口621；蒸发侧通道62的出口622；

热管冷凝器7；热管冷凝器7的进口71；热管冷凝器7的出口72；

储液装置8；储液装置8的进口81；储液装置8的出口82；

氟泵9；氟泵9的进口91；氟泵9的出口92；

三通阀10；第一阀口101；第二阀口102；第三阀口103；

单向阀20；单向阀20的进口201；单向阀20的出口202。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

机房空调系统具有一年四季全天候运行的特点，因此机房空调系统的节能是技术人员不断探索的研究方向。为此，申请人经过对机房空调系统的研究，得出根据本发明实施例的机房空调系统。

首先需要说明的是，根据本发明实施例的机房空调系统100具有三种工作模式：制冷模式、制冷补偿模式和热管制冷模式。三种工作模式的运行条件与室外环境温度和机房内的温度关系有关。下面首先参考图1-图4描述根据本发明实施例的机房空调系统100。

如图1所示，根据本发明实施例的机房空调系统100包括：压缩机1、制冷冷凝器2、第一节流装置31、蒸发器4、第一通断阀51、冷凝蒸发器6、热管冷凝器7、储液装置8和氟泵9。

其中，压缩机1、制冷冷凝器2、第一节流装置31、蒸发器4和第一通断阀51首尾依次相连以构成制冷模式时所进行的循环路径，其中，第一通断阀51可选择的导通和截断其所在的管路。

具体地，如图1和图2所示，压缩机1具有排气口11和回气口12，排气口11与制冷冷凝器2的进口21相连，制冷冷凝器2的出口22与第一节流装置31的进口311相连，第一节流装置31的出口312与蒸发器4的进口41相连，蒸发器4的出口42和压缩机1的回气口12之间串联第一通断阀51，第一通断阀51可以选择性导通蒸发器4和压缩机1，即当第一通断阀51导通时，冷媒可以从蒸发器4流向压缩机1，第一通断阀51还可以截断蒸发器4和压缩机1，即当第一通断阀51关闭时，冷媒无法从蒸发器4流向压缩机1。

当室外环境温度较高时，无法利用室外的环境温度对机房进行降温时，本发明实施例的机房空调系统100进行制冷循环，冷媒循环的方式如下：冷媒从压缩机1排气口11排出口流向制冷冷凝器2内进行冷凝，冷凝后的冷媒经第一节流装置31降压节流后进入到蒸发器4内进行蒸发，从而对机房内的空气进行降温，从蒸发器4排出后的冷媒在第一通断阀51导通时流回压缩机1的回气口12，如此构成制冷循环。

进一步地，冷凝蒸发器6内限定出彼此间隔开的冷凝侧通道61和蒸发侧通道62，蒸发侧通道62的进口621通过第二节流装置连接在制冷冷凝器2和第一节流装置31之间，蒸发侧通道62的出口622连接在压缩机1和第一通断阀51之间。储液装置8的进口81与冷凝侧通道61的出口612相连，氟泵9的进口91与储液装置8的出口82相连，氟泵9的出口92连接在第一节流装置31和蒸发器4之间，热管冷凝器7的进口71通过第二通断阀52连接在蒸发器4和第一通断阀51之间，热管冷凝器7的出口72与冷凝侧通道61的进口611相连，其中，第二通断阀52可选择的导通和截断其所在的管路。制冷冷凝器2可选择的与第一节流装置31和第二节流装置中的一个导通且与另一个截断。

具体而言，冷凝蒸发器6内的冷凝侧通道61和蒸发侧通道62均可供冷媒流动，并且在冷凝侧通道61内流动的冷媒与在蒸发侧通道62内流动的冷媒可彼此进行换热。

当室外环境温度低于一定程度时，可以利用室外的较低温的环境对机房的制冷起到补偿制冷的效果，此时本发明的机房空调系统100进行制冷补偿模式或热管制冷模式。

当机房空调系统100进行制冷补偿模式和热管制冷模式时，需要启动氟泵9，在氟泵9的驱动下，储液装置8内的冷媒流出并经氟泵9后进入到蒸发器4内，从而可以对机房的室内环境进行降温，而后冷媒经第二通断阀52进入到热管冷凝器7中，热管冷凝器7设置在室外环境中，流入到热管冷凝器7中的冷媒向室外的较低温的环境中释放热量，从而进行冷凝，而后冷媒继续流向冷凝蒸发器6的冷凝侧通道61内，从冷凝侧通道61排出后流回储液装置8，如此循环。

若此时室外环境温度足够低，热管冷凝器7从室外环境中获得了足够的冷量时，蒸发器4的出口42温度即可达到机房室内的设定温度，此时单纯运行热管单元已满足了机房的制冷需求，无需使制冷单元参与运行，此运行模式称为热管制冷模式。

若此时室外环境温度没有达到满足机房空调系统100单纯运行热管单元的时候，即此时蒸发器4出口的温度未达到机房室内的设定温度，说明此时的单纯的运行热管单元无法满足机房的制冷需求，需要启动压缩机1，由压缩机1的排气口11排出的冷媒进入到第二节流装置进行降压节流，而后进入到冷凝蒸发器6的蒸发侧通道62，与冷凝侧通道61内的冷媒进行换热，冷凝侧通道61内的冷媒进行冷凝，蒸发侧通道62内的冷媒进行蒸发。由此在室外环境温度处于高温和低温的中间态时，机房空调系统100即需要压缩机1的制冷循环，同时可以开启氟泵9对压缩机1的制冷循环进行补偿，此时压缩机1可以不需要全负荷运行。

由此根据本发明实施例的机房空调系统100在环境温度达到一定温度范围后，可以利用运行热管单元对制冷循环进行补偿，可以避免压缩机1始终开启而造成能源浪费。因此根据本发明实施例的机房空调系统100节能且运行成本低。

在本发明的一些实施例中，如图1所示，机房空调系统100还包括三通阀10，三通阀10具有第一阀口101、第二阀口102和第三阀口103，第一阀口101与制冷冷凝器2相连，具体地，第一阀口101与制冷冷凝器2的出口22相连，第二阀口102与第一节流装置31相连，具体地，第二阀口102与第一节流装置31的进口311相连，第三阀口103与第二节流装置相连，具体地，第三阀口103与第二节流装置的进口相连，其中第一阀口101可选择的与第二阀口102和第三阀口103中的一个导通且与另一个截断。通过设置三通阀10，从而可以实现制冷冷凝器2与第一节流装置31之间的导通和截断，并且实现制冷冷凝器2与第二节流装置之间的导通和截断，系统结构简单，控制方法简便。

当然本发明并不限于此，可选地，本发明实施例的机房空调系统100中，可以利用第三通断阀(图未示出)和第四通断阀(图未示出)替换上述三通阀10。具体地，第三通断阀串联在制冷冷凝器2和第一节流装置31之间，第三通断阀可选择的导通和截断其所在的管路，第四通断阀串联在制冷冷凝器2和第二节流装置之间，第四通断阀可选择的导通和截断其所在的管路。当需要使制冷凝器与第一节流装置31导通时，控制第三通断阀导通其所在的管路，当需要使制冷冷凝器2与第二节流装置导通时，控制第四通断阀导通其所在的管路。

优选地，机房空调系统100还包括单向阀20，如图1所示，单向阀20的进口201与氟泵9的出口92相连，单向阀20的出口202连接在第一节流装置31和蒸发器4之间。也就是说，单向阀20仅允许冷媒在由单向阀20的进口201向单向阀20的出口202的方向上单向导通，而从单向阀20的出口202向单向阀20的进口201方向上截断。通过设置单向阀20从而可以保证机房空调系统100的运行安全。

下面参考图1-图4描述根据本发明实施例的机房空调系统的控制方法。首先需要说明的是，根据本发明实施例的机房空调系统具有制冷模式、制冷补偿模式和热管制冷模式。三种工作模式的运行条件与室外环境温度和机房内的温度关系有关。在切换运行模式前需要判断室外环境温度T的温度范围，具体地：

当室外环境温度T较高时，此时需要运行制冷模式，即当室外环境温度T与第一温度Tb满足T＞Tb时，控制压缩机启动且氟泵停机(若在启动制冷模式前，氟泵已经是停机状态时，此时只需保持氟泵的停机状态)，控制制冷冷凝器与第一节流装置导通且与第二节流装置截断，控制第一通断阀导通且第二通断阀截断。如图2所示，冷媒的运行循环路径为：冷媒从压缩机排气口排出口流向制冷冷凝器内进行冷凝，冷凝后的冷媒经第一节流装置降压节流后进入到蒸发器内进行蒸发，从而对机房内的空气进行降温，从蒸发器排出后的冷媒在第一通断阀导通时流回压缩机的回气口，如此构成制冷循环。

而当室外环境温度足够低时，此时可以将压缩机停机，利用氟泵的驱动运行热管制冷循环，即当室外环境温度T与第二温度Ta满足T＜Ta时，控制压缩机停机且氟泵启动，控制第二通断阀导通，其中Tb＞Ta。如图4所示，冷媒的运行循环路径为：储液装置内的冷媒流出并经氟泵后进入到蒸发器内，从而可以对机房的室内环境进行降温，而后冷媒经第二通断阀进入到热管冷凝器中，流入到热管冷凝器中的冷媒向室外的较低温的环境中释放热量，从而进行冷凝，冷媒从室外环境中获得潜在冷量，而后冷媒继续流向冷凝蒸发器的冷凝侧通道内，从冷凝侧通道排出后流回储液装置，如此循环。由于室外环境温度足够低，单纯运行热管制冷循环即可满足机房的制冷需求，因此无需进行压缩机运行，由此可以大大地减少能耗。其中，制冷循环中的冷媒和热管制冷循环中的冷媒可以是同一介质，本发明采用两种相同工质为蒸发器循环供冷，利用相变换热方式传热效率高，换热器结构紧凑，避免了采用气-气或气-液换热器传热效率低、换热器面积庞大等的问题，利于保证机房内空气质量，避免灰尘、水分等侵入。此时若室内外的温差越大，热管制冷模式的效果越好。

当室外环境温度T处于一个中间态时，即室外环境温度T与第一温度Tb和第二温度Ta满足Ta≤T≤Tb时，控制氟泵运行预设时间S后，根据蒸发器的出口温度Tz与室内设定温度Ts之间的比较关系确定是否启动压缩机。也就是说，当室外环境温度处于一个中间态时，首先利用氟泵驱动运行热管单元预定时间后，进而根据蒸发器的出口温度Tz与室内设定温度Ts之间的比较关系确定是否启动压缩机，也就是说，通过检测机房内温度是否达到制冷需求，可以根据实际的需要来决定是否启动压缩机，由此可以在非必要的时候保持压缩机停机，进而可以节约能源。也就是说，当室内外的温差较小时，需要考虑单纯运行热管单元是否满足机房的制冷要求。

也就是说，当蒸发器的出口温度Tz与室内设定温度Ts满足Tz＞Ts，控制压缩机启动且控制制冷冷凝器与第二节流装置导通且与第一节流装置截断，此时可以运行制冷补偿模式，该模式下，首先启动氟泵，后启动压缩机。如图3所示为制冷补偿模式时的冷媒运行原理图，由压缩机的排气口排出的冷媒进入到第二节流装置进行降压节流，而后进入到冷凝蒸发器的蒸发侧通道，与冷凝侧通道内的冷媒进行换热，冷凝侧通道的冷媒进行冷凝，蒸发侧通道内的冷媒进行蒸发。由此在室外环境温度处于高温和低温的中间态时，机房空调系统需要压缩机的制冷循环，同时可以开启氟泵对压缩机的制冷循环进行补偿，此时压缩机可以不需要全负荷运行。由此可以节省压缩机的能耗。

当蒸发器的出口温度Tz与室内设定温度Ts满足Tz≤Ts，控制压缩机保持停机。也就是说，此时检测到单纯运行热管单元可以满足机房的制冷要求即可继续保持压缩机停机，仅进行热管制冷模式。由此可以大大地节约能源。

根据本发明实施例的机房空调系统的控制方法简单，可以大大地节约能源，并且通过应用该控制方法还具有如下优点：

本发明集成应用了压缩式制冷和动力分离式热管制冷技术，根据室外环境温度的不同情况和室内热负荷状况进行工况切换和制冷量调节，增设补偿工作模式，拓宽了热管循环的运行温区，解决了室内外温差较小时单纯运行热管单元而造成制冷量不足而必须运行压缩式制冷单元的问题，便于最大化利用室外自然冷源，实现机房空调机组的低成本运行和节能。

本发明采用两种相同工质为蒸发器循环供冷，利用相变换热方式传热效率高，换热器结构紧凑，避免了采用气-气或气-液换热器传热效率低，换热器面积庞大的问题，利于保证机房内空气质量，避免灰尘、水分等侵入。

本发明针对不同工作模式使用相同工质为蒸发器循环供冷，减少二次换热效率低下问题，同时针对不同工作模式均采用氟泵强制驱动循环，制冷剂充注量大问题得到缓解。

本发明的机房空调系统在制冷模式下直接为末端(蒸发器)供冷，制冷补偿模式下制冷单元与热管单元采用较大温差补偿冷凝不足，增强机房空调系统的效率，地区实用性强。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。