技术领域
[0001] 本
发明涉及制冷
空调技术系统领域,尤其涉及一种自然冷源移季利用的制冷系统及制冷方法。
背景技术
[0002] 现如今,冷量的需求量越来越大,如工业厂房耗冷、数据设备耗冷等等,到了气温高的季节尤为突出。现有的冷量制取几乎靠
电能来实现,例如,高
密度发热对象全年有冷却需求,空调能耗巨大,2015年中国
数据中心能耗高达1000亿kW·h,相当于三峡
水电站全年的发电量,预计到2021年,我国数据中心的能耗将进一步高达2500亿kW·h。数据中心空调用电约占整个数据中心耗能的40%。空调的用量愈大,消耗电
力也愈多,直接造成夏季限电危机及大量
能源消耗的问题,而充分利用自然冷能是实现节能的有效途径。
[0003] 为了提高环境空气自然冷源利用技术的
气候及地域适用性,规避外界环境空气洁净度及湿度对机房环境的影响,国内外学者对不同形式的间接换热自然冷源利用方法进行大量的研究与应用,这些方法根据换热及冷量输配方式的不同主要包括以下几种形式:空气/空气换热器利用技术、间接
蒸发冷却技术、
冷却塔供冷技术、载冷剂换热技术、整体式
热管换热技术、分离式热管换热技术及制冷剂
泵驱动回路热管换热技术等。为了使机房控温系统既能在外界环境
温度较低时充分利用自然冷源,又能在
环境温度较高时保障系统的冷却效果,国内外学者将分离式热管技术与蒸气压缩式制冷技术有机融合,研究了不同形式的热管与蒸气压缩复合制冷系统。然而,上述系统均只能在冬季或春秋季节环境温度较低的情况下运行,而夏季环境温度高的时依然只能通过现有的制冷方式来获取冷量,需要消耗大量的能源。
发明内容
[0004] (一)要解决的技术问题
[0005] 本发明提供一种自然冷源移季利用的制冷系统,其能够将冬季冷量储存并用于夏季制冷,旨在解决高密度发热对象制冷能耗大的问题。
[0006] (二)技术方案
[0007] 为了达到上述目的,本发明提供一种自然冷源移季利用的制冷系统,所述制冷系统包括第一换热器、第二换热器、压缩制冷机组、空调末端装置、自然冷却换热器、
地埋管换热器以及
控制器;
[0008] 所述第一换热器和所述第二换热器均设置有第一
流体入口、第一流体出口、第二流体入口以及第二流体出口;
[0009] 所述空调末端装置的出口与所述第一换热器的第一流体入口连接、所述空调末端装置的入口与所述第一换热器的第一流体出口连接,形成载冷剂环路;所述第一换热器的第一流体出口与所述空调末端装置的入口之间的连接管路上设置有载冷剂泵;
[0010] 所述第一换热器的第二流体出口与所述压缩制冷机组的入口连接,所述压缩制冷机组的出口与所述自然冷却换热器的入口连接,所述自然冷却换热器的出口与所述第一换热器的第二流体入口连接,形成制冷剂环路;与所述压缩制冷机组并联的管路上设置有第一调节
阀,所述自然冷却换热器的出口下游依次设置有第一通道阀和膨胀阀;
[0011] 所述第二换热器的第一流体出口通过第二调节阀与所述自然冷却换热器的入口连接,且所述第二换热器的第一流体入口与所述第一通道阀的出口连接,以形成制冷剂支路;
[0012] 所述第二换热器的第二流体出口与所述地埋管换热器的入口连接,所述第二换热器的第二流体入口与所述地埋管换热器的出口连接,形成循环液环路,所述循环液环路上设置有
循环泵;
[0013] 所述载冷剂泵、所述压缩制冷机组、所述第一通道阀、所述第一调节阀、所述第二调节阀以及循环泵均与所述控制器连接。
[0014] 优选地,所述压缩制冷机组包括依次连接的第二通道阀、气液分离器以及
压缩机,所述压缩机与所述控制器连接。
[0015] 优选地,所述第二换热器的第二流体出口和第二流体入口处均设置有温度
传感器,温度传感器与所述控制器连接。
[0016] 优选地,所述空调末端装置的出口和入口均设置有温度传感器,温度传感器与所述控制器连接。
[0017] 优选地,所述自然冷却换热器到地面的垂直距离大于所述第二换热器到地面的垂直距离,所述第二换热器到地面的垂直距离大于所述第一换热器到地面的垂直距离。
[0018] 优选地,所述地埋管换热器设置于
土壤中。
[0019] 优选地,所述第一调节阀和第二调节阀为流量
控制阀,所述通道阀为关断阀。
[0020] 进一步地,本发明还提供一种自然冷源移季利用的制冷方法,所述制冷方法应用于上述的制冷系统中,所述制冷方法包括:
[0021] 在冬季状态,仅关闭所述压缩制冷机组,直接利用自然冷源供冷,同时向土壤内蓄冷;
[0022] 在春秋季状态,关闭所述第二调节阀、所述循环泵、所述第二通道阀以及所述压缩制冷机组,利用室外自然冷源进行制冷;
[0023] 在春秋季或夏季自然冷源匮乏的状态,关闭所述第一通道阀、所述第二通道阀以及所述压缩制冷机组,利用土壤中的蓄冷量直接进行制冷;
[0024] 在夏季土壤冷量不足以直接供冷的状态,关闭所述第一调节阀和所述第一通道阀,采取以地埋管换热器为
冷凝器的压缩制冷模式;
[0025] 在夏季土壤蓄冷量耗尽的状态,关闭所述第一调节阀、所述第二调节阀以及所述循环泵,采取以所述自然冷却换热器为冷凝器的压缩制冷模式。
[0026] (三)有益效果
[0027] 本发明的有益效果是:本发明通过自然冷却换热器获取自然冷源,通过设置于土壤中的地埋管换热器将自然冷源储存于土壤中,在满足本季节制冷需要的同时将自然冷源储存并移季使用,有效的降低了自然能源匮乏的情况下的制冷能耗;通过控制子系统实施监测和控制各设备的运行状态,为制冷系统选择最优的运行模式,更进一步地降低了制冷系统的能耗。本发明将压缩机制冷与自然冷源移季利用耦合,有效地解决了自然冷源移季利用时出现的制冷量不足的问题,提高了制冷系统的综合制冷效果,有效地降低了制冷能耗。
附图说明
[0028] 图1为本发明的整体结构示意图;
[0029] 图2为本发明的冬季运行示意图;
[0030] 图3为本发明的春秋季节直接利用自然冷源供冷模式运行示意图;
[0031] 图4为本发明的春秋季节自然冷源不充足或夏季时利用土壤供冷模式运行示意图;
[0032] 图5为本发明的夏季以土壤为冷凝器的压缩制冷模式运行示意图;
[0033] 图6为本发明的夏季以自然冷却换热器为冷凝器的压缩制冷模式运行示意图。
[0034] 【附图标记说明】
[0035] 1:第二调节阀;2:第一调节阀;
[0036] 11:自然冷却换热器;12:第二换热器;13:循环泵;14:地埋管换热器;15:第一通道阀;
[0037] 21:空调末端装置;22:第一换热器;23:载冷剂泵;
[0038] 31:第一温度传感器;32:第二温度传感器;33:第三温度传感器;34:第四温度传感器;
[0039] 40:控制器;
[0040] 51:压缩机;52:气液分离器;53:
油分离器;54:第二通道阀;55:膨胀阀。
具体实施方式
[0041] 为了更好的解释本发明,以便于理解,下面结合附图,通过具体实施方式,对本发明作详细描述。
[0042] 需要说明,本发明
实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后等等)仅用于解释在某一特定
姿态(如附图所示)下各部件之间的相对
位置关系、运动情况等,如果该特定姿态发生改变时,则该方向性指示也相应地随之改变。
[0043] 另外,在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的,而不能理解为指示或暗示其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至少一个该特征。在本发明的描述中,“多个”的含义是至少两个,例如两个,三个等,除非另有明确具体的限定。
[0044] 在本发明中,除非另有明确的规定和限定,术语“连接”、“固定”等应做广义理解,例如,“固定”可以是固定连接,也可以是可拆卸连接,或成一体;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,可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系,除非另有明确的限定。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。
[0045] 本发明提供一种自然冷源移季利用的制冷系统,如图1所述,制冷系统包括第一换热器22、第二换热器12、压缩制冷机组、空调末端装置21、自然冷却换热器11以及地埋管换热器14,自然冷却换热器11可以为
风冷式冷凝器或喷淋式冷凝器等,地埋管换热器14设置于土壤中。第一换热器22和第二换热器12均设置有第一流体出口、第一流体入口、第二流体出口以及第二流体入口。其中,第一换热器22的第一流体出口与空调末端装置21的入口连接,第一换热器22的第一流体入口与空调末端装置21的出口连接,形成载冷剂环路,用于将制冷系统产生的冷量输出给高密度发热对象,第一换热器22的第一流体出口与空调末端装置21的入口之间的连接管路上设置有载冷剂泵23,用于驱动载冷剂环路中载冷剂的流通,以提高换热效率。第一换热器22的第二流体出口与压缩制冷机组的入口连接,压缩制冷机组的出口与自然冷却换热器11的入口连接,自然冷却换热器11的出口与第一换热器22的第二流体入口连接,形成制冷剂环路,用于冷量不足时启动压缩制冷机组制取冷量,保证制冷系统的正常供冷。压缩制冷机组并联的管路上设置有第一调节阀2,自然冷却换热器11的出口到第一换热器11的第二流体入口之间的管路上依次设置有第一通道阀15和膨胀阀55,第一通道阀15用于开启或关闭自然冷却换热器11。第二换热器12的第一流体出口通过第二调节阀1与自然冷却换热器11的入口连接,且第二换热器12的第一流体入口与第一通道阀15的出口连接,形成制冷剂支路,用于自然冷量充足时利用自然冷量制冷或者利用土壤中储存的冷量制冷。载冷剂环路与制冷剂环路之间以及载冷剂环路与制冷剂支路之间通过第一换热器22连接,避免高密度发热对象与外界环境直接
接触而遭受外界环境的污染。第二换热器12的第二流体出口与地埋管换热器14的入口连接,第二换热器12的第二流体入口与地埋管换热器14的出口连接,形成循环液环路,循环液环路上设置有循环泵13;冬季自然冷源充足时,循环液环路用于将自然冷源储存在土壤中;夏季自然冷源缺乏时,循环液环路用于将土壤中储存的冷量输送出来,给高密度发热对象端制冷。载冷剂泵23、压缩制冷机组、第一调节阀2、第二调节阀1以及循环泵13均与控制器40的输出端连接,便于控制器40实时控制载冷剂泵23、压缩制冷机组、第一通道阀15、第一调节阀2、第二调节阀1以及循环泵13的状态,控制器40通过控制载冷剂泵23、压缩制冷机组、第一通道阀15、第一调节阀2、第二调节阀1以及循环泵13的开启或关闭来实现制冷系统自动选择不同的运行模式,为制冷系统选择更加节能的制冷模式,降低了制冷系统的能耗。并且,控制器40根据第一温度传感器31、第二温度传感器32、第三温度传感器33以及第四温度传感器34监测的温度来实时控制载冷剂泵23和循环泵13的转速、第一调节阀2和第二调节阀1的开度以及压缩机51的功率,使压缩制冷机组产生的冷量与空调末端装置的冷需求量相匹配,避免了能源的浪费,进一步降低了制冷能耗。
[0046] 进一步地,再次参见图1,压缩制冷机组包括依次连接的第二通道阀54、气液分离器52以及压缩机51,其中,气液分离器52为压缩机51的附属设备,油分离器53的设置能使压缩机51通过压缩氟利昂来制取冷量,增加制冷剂的选择范围,以提高压缩制冷机组适应能力。压缩机51与控制器40连接,便于控制器40实时调控压缩制冷机组的运行状态,在自然冷源匮乏的状态下,压缩制冷机组能有效地补充冷量,保证制冷系统的正常产冷量。
[0047] 更进一步地,第二换热器12的第二流体入口处设置有第三温度传感器33,第二换热器12的第二流体出口处设置有第四温度传感器34,第三温度传感器33和第四温度传感器34均与控制器40连接,便于实时监测相应的温度值,为制冷系统各种模式的选择提供依据。
空调末端装置21的出口设置有第二温度传感器32,空调末端装置21的入口设置有第一温度传感器31,第一温度传感器31和第二温度传感器32均与控制器40连接,便于实时监测空调末端装置21的出入口内的温度,通过读取温度数值便能了解制冷系统的制冷效果,为制冷系统各种模式的选择提供依据。
[0048] 自然冷却换热器11到地面的垂直距离大于第二换热器12到地面的垂直距离,第二换热器12到地面的垂直距离大于第一换热器22到地面的垂直距离,在无辅助动力的情况,有效的保证了制冷剂在制冷剂环路和制冷剂支路中正常流通。制冷剂的流通方式优选用热管技术,利用制冷剂气液两相密度差使制冷剂流动。
[0049] 优选地,第一调节阀2和第二调节阀1均为
流量控制阀,第一通道阀15和第二通道阀54均为关断阀,自然冷却换热器11可以为风冷式冷凝器或喷淋式冷凝器等。循环液环路内填充有防冻液,防冻液可以是
乙醇也可以是乙二醇防冻液也可以是
氯化钠氯化
钙等盐溶液;制冷剂环路和制冷剂支路内均填充有制冷剂,制冷剂优选为氟利昂或者二
氧化
碳,制冷剂选择受热极易于挥发的液体,当制冷剂为氟利昂时,压缩制冷机组还包括油分离器53;载冷剂环路内填充有载冷剂,载冷剂优选为水或氟利昂。
[0050] 另外,本发明还提供一种自然冷源移季利用的制冷方法,制冷方法包括:
[0051] 在冬季环境温度低于5~10摄氏度的状态,自然冷源充足,可以利用自然冷源制冷的同时可以将自然冷源储存于土壤中。控制器40关闭压缩制冷机组,制冷剂支路中的自然冷却换热器11获取冷量,通过第一换热器22将冷量输送给载冷剂环路,载冷剂环路中的空调末端装置21将获取的冷量输出给高密度发热对象;制冷剂支路中的自然冷却换热器11获取冷量,通过第二换热器12将冷量输送给循环液环路,循环液环路中的地埋管换热器14将获取的冷量输出到土壤中储存。
[0052] 在春秋季环境温度高于5~10摄氏度且低于20~30摄氏度的状态,自然冷源仅能满足高密度发热对象制冷需要,直接利用自然冷源供冷。控制器40关闭第二调节阀1、循环泵13、第二通道阀54以及压缩制冷机组,制冷剂支路中的自然冷却换热器11获取冷量,通过第一换热器22将冷量输送给载冷剂环路,载冷剂环路中的空调末端装置21将获取的冷量输出给高密度发热对象。
[0053] 在春秋季或夏季环境温度高于20~30摄氏度的状态,自然冷源缺乏,需要获取土壤中储存的冷量来制冷。控制器40关闭第一通道阀15、第二通道阀54以及压缩制冷机组,地埋管换热器14获取土壤中储存的冷量,依次通过第二换热器12和第一换热器22将冷量输送给载冷剂环路,载冷剂环路中的空调末端装置21将冷量输出给高密度发热对象。
[0054] 在夏季温度高于20~30摄氏度且土壤蓄冷量不足以直接供冷的状态,需要启动压缩制冷机组来辅助制冷。关闭第一调节阀2和第一通道阀15,采取以地埋管换热器14为冷凝器的压缩制冷模式;将地埋管换热器14作为压缩制冷机组的冷凝器,充分利用土壤中储存的冷量,有效地降低了制冷系统的制冷能耗。
[0055] 在夏季温度高于20~30摄氏度且土壤蓄冷量耗尽的状态,完全采用压缩制冷机组制冷,关闭第一调节阀2、第二调节阀1以及循环泵13,采取以自然冷却换热器11为冷凝器的压缩制冷模式,保证高温季节自然冷源匮乏的状态下,制冷系统能正常运行,从而有效地提高了制冷系统的实用性,便于制冷系统应用于不同的气候环境中。
[0056] 具体的实施方式中,高密度发热对象为高密度发热对象,设定空调末端装置21入口温度T1浮动范围为T1min~T1max,出口处的温度T2浮动范围为T2min~T2max,出入口温差ΔT1浮动范围为ΔT1min~ΔT1max;第二换热器12的第二流体出入口温差ΔT2浮动范围为ΔT2min~ΔT2max。
[0057] 如图2所示,在冬季环境温度较低的状态,自然冷源充足,可以利用自然冷源制冷的同时可以将自然冷源储存于土壤中。控制器40关闭压缩制冷机组,制冷剂支路中的自然冷却换热器11获取冷量,通过第一换热器22将冷量输送给载冷剂环路,载冷剂环路中的空调末端装置21将获取的冷量输出给高密度发热对象;制冷剂支路中的自然冷却换热器11获取冷量,通过第二换热器12将冷量输送给循环液环路,循环液环路中的地埋管换热器14将获取的冷量输出到土壤中储存。控制方法如下:
[0058] 空调末端装置21吸收的热量减少,T1
ΔT2max,提升循环泵13转速,将ΔT2控制在ΔT2min~ΔT2max之间,加速冷量储存。[0059] 空调末端装置21吸收的热量增加,T1>T1max时,调节第一调节阀2,增加该管道制冷剂流量,将T1的值控制在T1min~T1max之间,同时增大载冷剂泵23转速,将ΔT1的值控制在ΔT1min~ΔT1max之间;调节第二调节阀1,减小该管道制冷剂流量,若ΔT2<ΔT2min,降低循环泵13转速,将ΔT2的值控制在ΔT2min~ΔT2max之间,降低能耗。
[0060] 如图3所示,在春秋季环境温度适中的状态,自然冷源仅能满足高密度发热对象制冷需要,直接利用自然冷源供冷。控制器40关闭第二调节阀1、循环泵13、第二通道阀54以及压缩制冷机组,制冷剂支路中的自然冷却换热器11获取冷量,通过第一换热器22将冷量输送给载冷剂环路,载冷剂环路中的空调末端装置21将获取的冷量输出给高密度发热对象。控制方法如下:
[0061] 空调末端装置21吸收的热量减少,T1
[0062] 空调末端装置21吸收的热量增加,T1>T1max时,调节第一调节阀2,增加该管道制冷剂流量,将T1控制在T1min~T1max之间,同时增大载冷剂泵23转速,将ΔT1的值控制在ΔT1min~ΔT1max之间。
[0063] 如图4所示,在春秋季或夏季环境温度较高的状态,自然冷源缺乏,需要获取土壤中储存的冷量来制冷。控制器40关闭第一通道阀15、第二通道阀54以及压缩制冷机组,地埋管换热器14获取土壤中储存的冷量,依次通过第二换热器12和第一换热器22将冷量输送给载冷剂环路,载冷剂环路中的空调末端装置21将冷量输出给高密度发热对象。控制方法如下:
[0064] 空调末端装置21吸收的热量减少,T1
[0065] 空调末端装置21吸收的热量增加,T1>T1max时,调节第一调节阀2、第二调节阀1,增加该管道制冷剂流量,将T1的值控制在T1min~T1max之间,增大载冷剂泵23转速,将ΔT1的值控制在ΔT1min~ΔT1max之间,若ΔT2>ΔT2max,提升循环泵13转速,将ΔT2的值控制在ΔT2min~ΔT2max之间。
[0066] 如图5所示,在夏季土壤冷量不足以直接供冷的状态,需要启动压缩制冷机组来辅助制冷。关闭第一调节阀2、第一通道阀15以及自然冷却换热器11,采取以地埋管换热器14为冷凝器的压缩制冷模式;将地埋管换热器14作为压缩制冷机组的冷凝器,充分利用土壤中储存的冷量,有效地降低了制冷系统的制冷能耗。控制方法如下:
[0067] 空调末端装置21吸收的热量减少,T1
[0068] 空调末端装置21吸收的热量增加,T1>T1max时,通过变频增大压缩机51功率,将T1的值控制在T1min~T1max之间,增大载冷剂泵23转速,将ΔT1的值控制在ΔT1min~ΔT1max之间,若ΔT2>ΔT2max,提升循环泵13转速,将ΔT2的值控制在ΔT2min~ΔT2max之间。
[0069] 如图6所示,在夏季土壤蓄冷量耗尽的状态,完全采用压缩制冷机组制冷,关闭第一调节阀2、第二调节阀1以及循环泵13,采取以自然冷却换热器11为冷凝器的压缩制冷模式,保证高温季节自然冷源匮乏的状态下,制冷系统能正常运行,从而有效地提高了制冷系统的实用性,便于制冷系统应用于不同的气候环境中。控制方法如下:
[0070] 空调末端装置21吸收的热量减少,T1
[0071] 空调末端装置21吸收的热量增加,T1>T1max时,通过变频增大压缩机51功率,将T1的值控制在T1min~T1max之间,增大载冷剂泵23转速,将ΔT1的值控制在ΔT1min~ΔT1max之间。
[0072] 本发明通过将土壤蓄冷和压缩机51制冷耦合,实现了自然冷源的移季利用,有效地解决了在室外温度过高时无法利用自然冷源且自然冷源无法充分供给冷量的问题。冬季利用自然冷源与土壤的温差实现土壤的蓄冷,在夏季首先充分利用土壤中储存的冷量对高密度发热对象进行制冷,在冷量不足时开启压缩制冷模式。在利用自然冷源制冷时采取热管制冷模式,冷凝器安装于顶部,与
蒸发器存在高度差,依靠制冷剂气液两相密度差进行制冷循环,无需压缩机51进行制冷剂压缩,大大节省了电能,降低了冷却高密度发热对象时的能耗。
[0073] 需要理解的是,以上对本发明的具体实施例进行的描述只是为了说明本发明的技术路线和特点,其目的在于让本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施,但本发明并不限于上述特定实施方式。凡是在本发明
权利要求的范围内做出的各种变化或修饰,都应涵盖在本发明的保护范围内。