一种新型可变压比蒸气压缩/热管一体式机房空调系统及其控制方法与流程

本发明涉及制冷与空调技术领域。更具体地，涉及一种新型可变压比蒸气压缩/热管一体式机房空调系统及其控制方法。

背景技术：

随着信息技术的发展和应用，数据中心的数量迅速增加。在全球范围内，数据中心已经成为能源消耗的大户，数据中心总能耗已经占到全球总用电量的1.3％。热管空调系统具有可以利用室外自然冷源且不引入室外污染物的优势而受到关注，但是由于热管自然冷却在室外温度较高的季节无法运行，因此研究开发同时具有蒸气压缩制冷和热管冷却功能的一体式机房空调系统成为必然趋势。现有的蒸气压缩/热管一体式空调系统按其基本原理可以分为蒸气压缩/热管共用式、主动冷源/自然冷源并联式、主动冷源/自然冷源串联式和基于三介质换热器的蒸气压缩/回路热管一体式空调系统。

蒸气压缩/热管共用式空调系统一方面由于热管模式和蒸气压缩制冷模式下，制冷剂在蒸发器和冷凝器中的流动和换热机理、制冷剂的分布规律不同，换热器的优化和制冷剂的充注量只能以一种模式为主进行设计，使得另外一种模式下的性能有所降低；另一方面，系统需要电磁阀来进行模式切换，电磁阀的频繁切换带来了较大的可靠性隐患，严重制约了系统的实际应用。

主动冷源/自然冷源并联式和串联式空调系统在不同的运行工况下，制冷剂在两个串联或并联的冷凝器中存在着不同的制冷剂分布，并且并联式系统中电磁阀切换也会带来可靠性的隐患。

因此，需要提供一种基于自由活塞压缩机可变压比蒸气压缩/热管一体式机房空调系统，以解决上述隐患。

技术实现要素：

本发明的一个目的在于提供一种新型可变压比蒸气压缩/热管一体式机房空调系统。

本发明的另一个目的在于提供一种新型可变压比蒸气压缩/热管一体式机房空调系统的控制方法。

为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种新型可变压比蒸气压缩/热管一体式机房空调系统，包括压缩机、冷凝器、节流装置、蒸发器、室外风机、室内风机和控制器；

压缩机：既可根据控制器接收到的冷凝温度信号，改变压缩机行程(上止点到下止点的距离)来调节压缩比，适应冷凝温度，避免过压缩，使得冷凝压力能随着室外温度下降逐渐下降；也可根据控制器接收到的蒸发温度信号，改变压缩机的运转频率，控制蒸发温度和制冷剂流量，使得其能够提供适宜的冷却温度和制冷量，特别是在室外温度低于室内一定值后，该压缩机可以以非常小的压缩比运行(类似于气泵模式运行)只提供制冷剂循环流动所需要克服的阻力(尤其是制冷剂气液高差所提供的重力可以作为制冷剂流动推动力时，压缩机可停止运行)，系统以回路热管模式运行，高效利用室外自然冷源，实现在全年室外温度大幅度变化的情况下一体式机房空调系统的高效稳定运行；

冷凝器和蒸发器为蒸气压缩系统和热管冷却系统共用；在蒸气压缩制冷系统运行时，冷凝器和蒸发器为蒸气压缩制冷系统的冷凝器和蒸发器，在热管冷却系统运行时，冷凝器和蒸发器又为该热管冷却系统的蒸发端和冷凝端；

节流装置为可变节流面积的节流装置，通过改变节流装置的节流面积调节以控制压缩机的吸气过热度，保持压缩机的稳定，并满足蒸气压缩模式和热管模式转化的需求；

室外风机：可对风冷换热器的风量进行调节，进而对机组的制冷量进行调节，以精确控制室内温度；

室内风机：增强与蒸发器的热量传输；

控制器可以接收来自蒸发器和冷凝器的温度信号反馈，并通过控制支路控制压缩机压缩比和运转速率、风机转速或个数(水泵转速)、节流装置开度。

所述压缩机、冷凝器、节流装置、蒸发器依次通过管道串联在一起；所述室外风机设置在冷凝器一侧；所述室内风机设置在蒸发器一侧；所述控制器通过数据传输线分别与压缩机、冷凝器、节流装置、蒸发器、室外风机和室内风机相连接。

上述系统为风冷可变压比蒸气压缩/热管一体式机房空调系统，所述系统也可以为水冷可变压比蒸气压缩/热管一体式机房空调系统，即将室外风机替换为冷却水回路水泵，通过冷却水回路水泵的转速来调节水冷换热器的水量，进而对机组的制冷量进行调节，更为精确的控制室内的温度。

进一步，所述压缩机为自由活塞式压缩机；

进一步，所述节流装置为可变节流面积的节流装置，优选的为热力膨胀阀或电子膨胀阀；

进一步，所述冷凝器和蒸发器为微通道换热器、翅片管式换热器、套管式换热器或板式换热器。

进一步，所述室外风机为变速风机或几台风机，通过调节风机转速或者开启的台数来调节风冷换热器的风量。

一种新型可变压比蒸气压缩/热管一体式机房空调系统的控制方法，包括以下三种模式：

1)蒸气压缩制冷模式：当室外温度较高，即室外温度高于热管回路冷凝温度时，首先启动压缩机，蒸气压缩制冷回路内的制冷剂经压缩机压缩后，在冷凝器中冷凝，冷凝放热后进入节流装置，经过节流降压后再进入蒸发器，蒸发吸热后又回到压缩机；

其中，控制器既可以对冷凝器反馈的冷凝温度反馈信号进行处理，然后改变压缩机行程来调节压缩比，进而调节冷凝温度，避免过压缩，使得冷凝温度能随着室外温度下降逐渐下降；也可对蒸发器反馈的蒸发温度反馈信号进行处理，然后改变压缩机的运转频率，适应蒸发温度和调节制冷剂流量，使得能够提供适宜的制冷温度和制冷量；

2)联合制冷模式：当室外温度较低时，即室外温度低于热管回路冷凝温度，但室外温度与热管冷凝温度的差值不足以保持整个数据中心的预定温度时，控制器适时发出信号，自动开启压缩机，给热管冷却系统提供一定的动力，并将节流装置的开度开到最大；此时制冷剂在压缩机提供动力下进入冷凝器，冷凝放热后流经最小阻力的状态下的节流装置，直接到蒸发器蒸发吸热，最后再回到压缩机；

其中，控制器对蒸发器传来的蒸发温度反馈信号进行处理，然后再改变压缩机的运转频率，适应蒸发温度和调节制冷剂流量，使得其能够提供适宜的冷却温度和制冷量；

3)热管模式：在室外温度足够低时，即室外温度低于热管冷凝温度，且室外温度与热管回路的冷凝温度的差值所达到的冷却效果能满足整个机房的预定温度的保持，控制器适时发出信号，关闭压缩机，但同时开放压缩机进气口和出气口，将节流装置的开度开到最大；此时制冷剂在冷凝器中冷凝，冷凝放热后在重力的作用下进入蒸发器，蒸发吸热后再回到冷凝器；

整个系统是在制冷剂在管路回路中所受重力和压缩机提供的动力的作用下运行。

进一步，所述系统可以为风冷可变压比蒸气压缩/热管一体式机房空调系统，在三种模式下，通过调节室外风机来调节冷凝器的风铃，对机组的制冷量进行调节，精确的控制室内的温度。

进一步，所述系统可以为水冷可变压比蒸气压缩/热管一体式机房空调系统，在三种模式下，通过冷却水回路水泵的转速来调节冷凝器的水量，对机组的制冷量进行调节，精确的控制室内的温度。

本发明的有益效果如下：

本发明是一种新型可变压比蒸气压缩/热管一体式数据中心空调系统，是具有蒸气压缩制冷功能和热管冷却功能的新型可变压比一体式节能系统，能够提供适宜的冷却温度和制冷量，实现在全年室外温度大幅度变化的情况下一体式机房空调系统的高效稳定运行。相比于传统的蒸气压缩/热管一体式空调，既能实现其不需要电磁阀的频繁开启来切换模式，也能降低制冷剂分布变化引起的换热器性能下降的危害。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

图1示出风冷可变压比蒸气压缩/热管一体式机房空调系统；

其中，1、压缩机；2、冷凝器；3、节流装置；4、蒸发器；5、室外风机；6、室内风机；7、控制器；8、冷凝器测温反馈支路；9、蒸发器测温反馈支路；10、室外风机控制支路；11、节流装置控制支路；12、压缩机控制支路；13、室内风机控制支路。

图2示出水冷可变压比蒸气压缩/热管一体式机房空调系统；

其中，1、压缩机；2、冷凝器；3、节流装置；4、蒸发器；5’、冷却水回路水泵；6、室内风机；7、控制器；8、冷凝器测温反馈支路；9、蒸发器测温反馈支路；10、室外风机控制支路；11、节流装置控制之路；12、压缩机控制支路；13、室内风机控制支路。

图3示出自由活塞式压缩机可变压比原理图；

其中，3-1、自由活塞行程上止点；3-2、自由活塞大行程下止点；3-3、自由活塞小行程下止点；

图4示出自由活塞式压缩机避免或减少过压缩压焓图；

其中，A、普通压缩机过压缩压焓图；B、可变压比自由活塞式压缩机理想压焓图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。

实施例1：风冷可变压比蒸气压缩/热管一体式机房空调系统

如图1所示，风冷可变压比蒸气压缩/热管一体式机房空调系统包括压缩机1、冷凝器2、节流装置3、蒸发器4、室外风机5、室内风机6、控制器7。所述蒸发器4的出口与压缩机1的进气口a通过管道相连；所述压缩机1的出气口b与冷凝器2进口通过管道相连；所述冷凝器2出口与节流装置3的通过管道进口，所述节流装置3的出口与所述蒸发器4的进口通过管道相连；所述压缩机1和节流装置4还分别通过压缩机控制支路12和节流装置控制支路11与控制器7相连接，所述冷凝器2和蒸发器4还分别通过冷凝器测温反馈支路8和蒸发器测温反馈支路9与控制器7相连接；所述室外风机5设置冷凝器2一侧，通过室外风机控制支路10与控制器7相连接；所述室内风机6设置蒸发器4一侧，通过室内风机控制支路13与控制器7相连接；

其中，所述冷凝器2为风冷换热器，室外风机5可以采用变速风机或者几台风机，通过调节风机转速或者开启的台数来调节风冷换热器的风量。

实施例2：水冷可变压比蒸气压缩/热管一体式机房空调系统

如图2所示，水冷可变压比蒸气压缩/热管一体式机房空调系统的部件组成和连接关系与风冷可变压比蒸气压缩/热管一体式机房空调系统相同，只是冷凝器2采用水冷换热器，图1中室外风机5由图2中的冷却水回路水泵5’所替代，通过冷却水回路水泵5’的转速来调节水冷换热器的水量。

实施例3一种新型可变压比蒸气压缩/热管一体式机房空调系统的控制方法

新型可变压比蒸气压缩/热管一体式机房空调系统的控制方法，包括三种模式：

1)蒸气压缩制冷模式

当室外温度较高，即室外温度高于热管回路冷凝温度时，如图1或2所示，首先启动自由活塞式压缩机1，蒸气压缩制冷回路内的制冷剂经自由活塞式压缩机1压缩后，在冷凝器2中冷凝，冷凝放热后进入可变节流面积节流装置3，经过节流降压后再进入蒸发器4，蒸发吸热后又回到自由活塞式压缩机1；

其中，控制器7既可以对通过冷凝器测温反馈支路8传来的冷凝温度反馈信号进行处理，然后再通过12压缩机控制支路改变压缩机行程(上止点3-1到下止点3-2、3-3的距离)来调节压缩比(如图3所示)，进而调节冷凝压力(温度)，避免过压缩，使得冷凝压力能随着室外温度下降逐渐下降(如图4所示)；也可对通过蒸发器测温反馈支路9传来的蒸发温度反馈信号进行处理，然后再通过压缩机控制支路12改变压缩机1的运转频率，适应蒸发压力(温度)和调节制冷剂流量，使得能够提供适宜的制冷温度和制冷量；

2)联合制冷模式

当室外温度较低时，即室外温度低于热管回路冷凝温度，但室外温度与热管冷凝温度的差值不足以保持整个数据中心的预定温度时，控制器7据此工况适时发出信号，通过压缩机控制支路12自动开启自由活塞式压缩机1，给热管冷却系统提供一定的动力，并通过节流装置控制支路11将节流装置3的开度开到最大。此时制冷剂在自由活塞式压缩机1提供动力下进入冷凝器2，冷凝放热后流经最小阻力的状态下的节流装置3，直接到蒸发器4蒸发吸热，最后再回到自由活塞压缩机1。其中控制器7对通过蒸发器测温反馈支路9传来的蒸发温度反馈信号进行处理，然后再通过压缩机控制支路12改变压缩机的运转频率，适应蒸发压力(温度)和调节制冷剂流量，使得其能够提供适宜的冷却温度和制冷量；

3)热管模式

在室外温度足够低时，即室外温度低于热管冷凝温度，且室外温度与热管回路的冷凝温度的差值所达到的冷却效果能满足整个机房的预定温度的保持，如图1或2所示，控制器7根据此工况适时发出信号，通过压缩机控制支路12关闭自由活塞式压缩机1，但同时开放压缩机进气口a和出气口b，通过节流装置控制支路11将节流装置3的开度开到最大。此时制冷剂在冷凝器2冷凝，冷凝放热后在重力的作用下进入蒸发器4，蒸发吸热后再回到冷凝器2；

整个系统是在制冷剂在管路回路中所受重力和压缩机提供的动力的作用下运行。

其中，当所述系统为风冷可变压比蒸气压缩/热管一体式机房空调系统，在各种运行模式下，通过调节室外风机5的转速或者开启台数来调节冷凝器2的风量，进而对机组的制冷量进行调节，更为精确的控制室内温度。

当所述系统为水冷可变压比蒸气压缩/热管一体式机房空调系统，在各种运行模式下，通过冷却水回路水泵5’的转速来调节冷凝器2的水量，进而对机组的制冷量进行调节，更为精确的控制室内的温度。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。