多冷源载冷制冷系统及其控制方法与流程

本发明涉及制冷设备技术领域，尤其涉及一种多冷源载冷制冷系统及其控制方法。

背景技术：

在数据中心或工业制冷等领域，电子设备密度大，内部发热量较大，为保证设备正常运行，不仅夏季需要制冷，在冬季同样需要制冷，尤其是在我国北方地区，冬季和春秋两季的室外空气干球温度较低，湿球温度也较低，在这种情况下仍开启压缩机制冷是不节能的，容易导致电能的浪费。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种采用自然冷源来最大限度的减少制冷能量消耗的多冷源载冷制冷系统及其控制方法。

本发明的第一个方面提供了一种多冷源载冷制冷系统，包括机械制冷装置、制冷终端、载冷冷凝器和自然冷却换热器，所述载冷冷凝器包括第一换热单元和第二换热单元，所述第一换热单元连接至所述自然冷却换热器，所述第二换热单元连接至所述制冷终端，所述第二换热单元与第三换热单元连接，所述第三换热单元用于与所述机械制冷装置进行热量交换。

在一个实施例中，基于制冷终端的载冷剂的流出方向，所述第二换热单元连接至制冷终端的位置与第二换热单元连接至第三换热单元的位置位于载冷冷凝器的上端，基于流入制冷终端的载冷剂的流动方向，所述第二换热单元连接至制冷终端的位置与第二换热单元连接至第三换热单元的位置位于载冷冷凝器的下端。

在一个实施例中，所述载冷冷凝器与制冷终端使用氟利昂、二氧化碳或氨作为冷媒。

在一个实施例中，自然冷却换热器与第一换热单元使用水作为冷媒；所述第一换热单元与蓄冷罐管路、冷冻水管路或冰蓄冷管路中的一种或多种相连。

在一个实施例中，所述机械制冷装置还包括机械制冷冷凝器，所述机械制冷冷凝器设于第一冷却塔内，所述第一冷却塔包括第一风机和第一进风口，所述第一风机与所述第一进风口用于使所述第一冷却塔内的空气流动。

在一个实施例中，所述自然冷却换热器设于第二冷却塔内，所述第二冷却塔包括第二风机和第二进风口，所述第二风机与所述第二进风口用于使第二冷却塔内的空气流动。

在一个实施例中，所述多冷源载冷制冷系统包括多个制冷终端，每个制冷终端均通过回气管路和进液管路与第二换热单元相连接，所述进液管路上设有可调节流量的流量调节阀。

在一个实施例中，所述自然冷却换热器与所述第一换热单元之间设有液体泵；所述载冷冷凝器与所述制冷终端之间设有载冷剂泵。

在一个实施例中，所述多冷源载冷制冷系统包括控制器和设于室外的温湿度传感器；所述温湿度传感器用于将室外空气干球温度、室外相对湿度转换为电信号传递给所述控制器；所述控制器基于所述室外空气干球温度和所述室外相对湿度计算室外空气湿球温度，所述控制器根据所述室外空气湿球温度控制所述机械制冷装置和所述自然冷却换热器的开闭。

本发明的第二个方面提供了该多冷源载冷制冷系统的控制方法，其包括，当室外空气湿球温度高于第一温度阈值时，开启机械制冷装置并关闭自然冷却换热器；

当室外空气湿球温度低于第二温度阈值时，关闭机械制冷装置并开启自然冷却换热器；

当室外空气湿球温度高于第二温度阈值并低于第一温度阈值时，同时开启机械制冷装置与自然冷却换热器。

本发明的有益效果是：由于该多冷源载冷制冷系统同时使用了机械制冷装置和自然冷却换热器，并设置了可以与机械制冷装置和自然冷却换热器进行换热的载冷冷凝器，因此该系统既可以直接采用自然冷却换热器对制冷终端进行冷却，也可以直接采用机械制冷装置对制冷终端进行冷却，还可以同时使用机械制冷装置和自然冷却换热器对制冷终端进行冷却。

附图说明

图1为本发明的一个实施例的多冷源载冷制冷系统的结构示意图。

图2为本发明的另一个实施例的多冷源载冷制冷系统的结构示意图。

附图标记说明：1-压缩机；2-机械制冷冷凝器；3-储液器；4-节流元件；5-蒸发器；51-第三换热单元；6-自然冷却换热器；7-载冷冷凝器；71-第一换热单元；72-第二换热单元；8-液体泵；9-载冷剂泵；10-流量调节阀；11-制冷终端；12-自然冷却换热器阀门；13-蓄冷罐管路阀门；14-冷冻水管路阀门；15-冰蓄冷管路阀门。

具体实施方式

为使发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合发明中的附图，对发明中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于发明保护的范围。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“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实施例和简化描述，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实施例的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“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，或一体连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明实施例中的具体含义。

在本发明实施例中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“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实施例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必须针对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一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

本发明的一个方面提供了一种多冷源载冷制冷系统，如图1所示，在一个实施例中，该多冷源载冷制冷系统，包括机械制冷装置、制冷终端11、载冷冷凝器7和自然冷却换热器6，载冷冷凝器7包括第一换热单元71和第二换热单元72，机械制冷装置包括依次相连的节流元件4、机械制冷冷凝器2和压缩机1和蒸发器5；第一换热单元71的两个接口连接至自然冷却换热器6，自然冷却换热器6用于吸收载冷冷凝器7的热量并将热量交换至系统外，第二换热单元72的两个接口连接至制冷终端11；第二换热单元72与第三换热单元51连接，第三换热单元51用于与机械制冷装置进行热量交换。具体地，第三换热单元51设于蒸发器5的壳体内，第三换热单元51与第二换热单元72通过管路并联。

由于该多冷源载冷制冷系统同时使用了机械制冷装置和自然冷却换热器6，并设置了可以与机械制冷装置和自然冷却换热器6进行换热的载冷冷凝器7，因此该系统既可以直接采用自然冷却换热器6对制冷终端进行冷却，也可以直接采用机械制冷装置对制冷终端进行冷却，还可以同时使用机械制冷装置和自然冷却换热器对制冷终端进行冷却。

在一个实施例中，节流元件4是毛细管、孔板、热力膨胀阀或电子膨胀阀。

在一个实施例中，第一换热单元71、第二换热单元72和第三换热单元51可以是板片、盘管或带有翅片的扁管。

如图1所示，基于制冷终端11的载冷剂的流出方向，第二换热单元72连接至制冷终端11的位置与第二换热单元72连接至第三换热单元51的位置位于载冷冷凝器7的上端，基于流入制冷终端11的载冷剂的流动方向，第二换热单元72连接至制冷终端11的位置与第二换热单元72连接至第三换热单元51的位置位于载冷冷凝器的7下端。从制冷终端11循环过来的第二换热单元72的载冷剂处于气态，其中一部分的气态的载冷剂经过第二换热单元72时，与第一换热单元71进行热量交换后变成了液态，可以回流至制冷终端11；剩余部分的气态的载冷剂可以进入第三换热单元51与蒸发器5进行热交换，变为液态后回流至制冷终端11。在这种情况下，在过渡季节(可以完全使用自然冷却方式之前)，压缩机1变频运行，吸气能力下降时，可以使用自然冷却换热器6冷凝部分来自制冷终端的载冷剂，实现自然冷却换热器与压缩机1的并列运行；随着湿球温度逐步降低或升高，自然冷却能力相应的增大或减小，压缩机1负荷同步减小或增大，从而实现了“部分自然冷却”，增加了自然冷却时间，达到了节能的目的。

参见图2，图中的箭头示出了载冷剂的流动方向，在一个实施例中，载冷冷凝器7包括气体入口、气体出口、液体入口和液体出口；第三换热单元51设有吸气口和出液口，吸气口与载冷冷凝器7的气体出口相连接，出液口与载冷冷凝器7的液体入口相连接；载冷冷凝器7的气体入口和液体出口与制冷终端11相连接，气体入口连接至制冷终端11的末端盘管的回气管路上，液体出口连接至制冷终端11的末端盘管的供液管路上；气体入口与气体出口在气相区为连通状态，液体入口与液体出口在液相区为连通状态；自然冷却换热器6的进出水管路连接于载冷冷凝器7。在这种情况下，同样可以使用自然冷却换热器6冷凝部分来自制冷终端的载冷剂，实现自然冷却换热器与压缩机1的并列运行，增加了自然冷却时间，达到节能的目的。

在一个实施例中，自然冷却换热器6设于户外或者设于可利用自然冷源的设备室内；当设于可利用自然冷源的设备室中时，使用者可以使用自然形成的冰块等物质对自然冷却换热器6进行冷却。

在一个实施例中，机械制冷冷凝器2设于第一冷却塔内，第一冷却塔包括第一风机和第一进风口，第一风机与第一进风口用于使第一冷却塔内的空气流动，从而加速换热过程。机械制冷冷凝器2可以是壳管式换热器、翅片式换热器、板式换热器等形式。具体地，第一风机设于第一冷却塔的上部，第一进风口设于第一冷却塔的下部。设于冷却塔的好处是，可以使机械制冷冷凝器2中的制冷剂得到充分冷凝。机械制冷冷凝器2也可以不设于第一冷却塔内，而是直接设于户外。

在一个实施例中，第一冷却塔包括设于机械制冷冷凝器2上方的第一喷淋头，第一喷淋头连接外部水源，第一喷淋头用于对机械制冷冷凝器2进行喷淋降温，从而加速换热过程。

在一个实施例中，第一冷却塔的底部设有喷淋液回收部，喷淋液回收部可以收集已经用于喷淋的水，并经过管路进行回收。

在一个实施例中，机械制冷冷凝器2和节流元件4之间设有储液器3。

在一个实施例中，自然冷却换热器6的进出管路上设有自然冷却换热器阀门12。

在一个实施例中，自然冷却换热器6设于第二冷却塔内，第二冷却塔包括第二风机和第二进风口，第二风机与第二进风口用于使第二冷却塔内的空气流动，从而加速换热过程。自然冷却换热器6可以是壳管式换热器、翅片式换热器、板式换热器等形式。具体地，第二风机设于第二冷却塔的上部，第二进风口设于第二冷却塔的下部。设于冷却塔的好处是，可以使自然冷却换热器6中的冷却介质得到充分冷却。自然冷却换热器6也可以不设于第一冷却塔内，而是直接设于户外。

在一个实施例中，第二冷却塔包括设于自然冷却换热器6上方的第二喷淋头，第二喷淋头连接外部水源，第二喷淋头用于对自然冷却换热器6进行喷淋降温，从而加速换热过程。

在一个实施例中，第二冷却塔的底部设有喷淋液回收部，喷淋液回收部可以收集已经用于喷淋的水，并经过管路进行回收。

在一个实施例中，多冷源载冷制冷系统包括多个制冷终端11，每个制冷终端11均通过回气管路和进液管路与第二换热单元72相连接，进液管路上设有流量调节阀10。具体地，流量调节阀10的流量可调节，从而可以控制供液流量。

在一个实施例中，自然冷却换热器6与第一换热单元71使用水作为冷媒。在使用水作为冷媒的情况下，第一换热单元71便于接入蓄冷罐管路、冷冻水管路、冰蓄冷管路等使用水作为冷媒的环路，满足不同的使用工况条件，以及实现应急、备份等安全措施。

在一个实施例中，自然冷却换热器6与第一换热单元71之间设有液体泵8，液体泵8的作用是将第一换热单元71中的冷却介质提升至自然冷却换热器6。

在一个实施例中，第一换热单元71与制冷终端11之间设有载冷剂泵9，载冷剂泵9的作用是将第一换热单元71中的冷媒输送至制冷终端11，当采用重力供液方式时，也可以不采用载冷剂泵9。

如图2所示，在一个实施例中，第一换热单元71与蓄冷罐管路、冷冻水管路或冰蓄冷管路中的一种或多种相连。第一换热单元71可以通过蓄冷罐管路阀门13连接蓄冷罐管路，可以通过冷冻水管路阀门14连接冷冻水管路，或可以通过冰蓄冷管路阀门15连接冰蓄冷管路。蓄冷罐管路阀门13、冷冻水管路阀门14和冰蓄冷管路阀门15相互独立，可以是截止阀、电动阀、电磁阀或其他形式可通断的阀类。

使第一换热单元71连入冰蓄冷管路的优势为：当数据中心所在地区峰谷电价差比较大时，采用价格较低的谷电蓄冰，再在峰电时放冷，利用载冷冷凝器7冷却制冷终端11的载冷剂，可以适当地使机械制冷装置停机，从而减少压缩机1运行时间，节约电能。

使第一换热单元71连入蓄冷罐管路的优势为：可将蓄冷罐作为应急冷源使用；当未启动完全自然冷却或自然冷却故障以及机械制冷系统出现故障、意外断电任意情况时，开启蓄冷罐管路进出口阀门，可以将蓄冷罐内的冷水引入到载冷冷凝器7中，与制冷终端吸热蒸发后的载冷剂进行热交换，为机械制冷装置的维修或重新供电的赢得时间。

使第一换热单元71连入冷冻水管路的优势为：可将冷冻水作为备用冷源使用；当机械制冷及自然冷却同时失效时，可以开启冷冻水管路进出阀门，将冷冻水系统的冷水引入到载冷冷凝器7中，与制冷终端11吸热蒸发后的载冷剂进行热交换。蓄冷罐管路、冷冻水管路、冰蓄冷管路可任意组合配置，其功能叠加，可以应对不同的使用场合及条件，最大限度地保证系统的节能性与安全性。

在一个实施例中，多冷源载冷制冷系统包括控制器和设于室外的温湿度传感器；温湿度传感器用于将室外空气干球温度、室外相对湿度转换为电信号传递给控制器；控制器基于室外空气干球温度和室外相对湿度计算室外空气湿球温度，控制器根据室外空气湿球温度控制机械制冷装置和自然冷却换热器6的开闭。

本发明的第二个方面提供了该多冷源载冷制冷系统的控制方法，在一个实施例中，当室外空气湿球温度高于第一温度阈值时，控制器开启机械制冷装置并关闭自然冷却换热器6，从而运行机械制冷模式，此时，制冷侧的冷媒通过压缩机1压缩增压，进入机械制冷冷凝器2进行冷却冷凝成高温高压的液体，流经储液器3后，经过节流元件4降压，变成低温低压的液体，再流经蒸发器5以便与第三换热单元51进行换热蒸发，最后进入压缩机1进行压缩，完成制冷循环；第三换热单元51中的载冷剂将制冷终端11的热量交换至蒸发器5，从而降低室内温度。

当室外空气湿球温度低于第二温度阈值时，控制器关闭机械制冷装置并开启自然冷却换热器6，从而运行自然冷却模式；此时，机械制冷系统完全停止运行，自然冷却换热器6流出的低温冷却水被液体泵8送入第一换热单元71中与第二换热单元72进行换热，完成水冷自然冷却循环。载冷冷凝器7与制冷终端11之间设有载冷剂泵9；第二换热单元72中的载冷剂由载冷剂泵9送入制冷终端11进行换热，在制冷终端11蒸发后再回到第二换热单元72，形成载冷冷却循环，从而降低室内温度。

当室外空气湿球温度高于第二温度阈值并低于第一温度阈值时，并且室外空气湿球温度低于第一温度阈值时，控制器同时开启机械制冷装置与自然冷却换热器6，系统运行机械制冷+预冷却模式(即提前开启自然冷却模式)，载冷剂流经制冷终端11变为气态，流到第二换热单元72中；部分的载冷剂在与第一换热单元71中的冷却水进行热交换后变为液态，流回到制冷终端11；第二换热单元72中剩余的未被第一换热单元所冷却的气态载冷剂进入到第三换热单元51中，与机械制冷装置中的制冷剂进行热交换。

本发明实施例的多冷源载冷制冷系统的控制方法可以根据温度调节冷源使用情况，从而达到节能的目的。温湿度传感器可以为控制器提供室外空气干球温度和室外空气相对湿度的电信号，控制器通过内部逻辑计算出所需湿球温度值。本申请采用室外空气湿球温度进行控制的优势在于，室外环境的相对湿度一般较低，例如北方地区，相对湿度小，空气的湿球温度会比干球温度低很多(例：室外空气干球温度25℃、室外空气相对湿度为35％时，室外空气湿球温度仅为15.5℃)；自然冷却换热器中的介质(如冷却水)的温度与室外空气湿球温度关系更为密切，所以利用室外空气湿球温度进行控制，便于在环境干球温度高但相对湿度低时就切换至自然冷却模式，提高自然冷却利用时间，使系统更加节能。

虽然上文中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。