CN121089203A - 一种基于双冷源切换的精密空调节能制冷系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于双冷源切换的精密空调节能制冷系统，属于空调制冷技术领域。包括：室内机单元，室内机单元内设有双源蒸发盘管；第一制冷回路，包括依次连接的压缩机、室外冷凝器、节流阀及双源蒸发盘管的第一盘管回路；第二制冷回路，包括依次连接的外部冷源接口、循环水泵、第一切换阀、双源蒸发盘管的第二盘管回路以及第二切换阀；控制单元，包括PLC控制器、设置于室内外的若干个传感器。本发明能够智能精细化的模式切换与协同控制策略，直接蒸发式制冷与自然冷却/冷冻水制冷双冷源智能切换适应外界环境变化，始终选择能耗最低的工作方式，以免造成了巨大的能源浪费，从而实现了卓越的节能效果和高度的运行可靠性，以防发生面临停机风险。

Description

一种基于双冷源切换的精密空调节能制冷系统

技术领域

本发明涉及一种基于双冷源切换的精密空调节能制冷系统，属于空调制冷技术领域。

背景技术

在生活中，居家使用有立式空调和挂式空调，汽车上、以及室外需要人工控制的大型设备上也使用到空调，精密空调，又称恒温恒湿空调，是专门为满足特定环境高精度温湿度控制要求而设计的空调设备。它们广泛应用于数据中心、通信基站、医疗设备室和实验室等关键环境中。传统的精密空调系统大多采用单一的直接蒸发式(DX)制冷方式，即通过压缩机对制冷剂进行压缩-冷凝-膨胀-蒸发的循环来实现制冷。

这种单一冷源系统基本上可以满足正常使用，但是仍然存在以下几个主要问题，能耗高：压缩机是制冷系统的核心耗能部件，在全年运行中，无论室外环境温度如何，都需要启动压缩机制冷，导致系统能效比COP受限，尤其是在春秋两季或夜间等室外温度较低的时段，继续使用压缩机制冷造成了巨大的能源浪费；可靠性低：整个系统的制冷能力完全依赖于压缩机制冷回路，一旦压缩机或其相关关键部件发生故障，如冷凝器、膨胀阀，整个精密空调系统将面临停机风险。

基于此，本发明提供一种基于双冷源切换的精密空调节能制冷系统。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：能耗高，全都需要启动压缩机制冷造成了巨大的能源浪费；可靠性低，完全依赖于压缩机制冷，一旦关键部位发生故障将面临停机风险。

本发明提供一种基于双冷源切换的精密空调节能制冷系统，所提出的技术方案为：包括：

室内机单元，所述室内机单元内设有用于与室内空气进行热交换的双源蒸发盘管；

第一制冷回路，作为直接蒸发式制冷冷源，包括依次连接的压缩机、室外冷凝器、节流阀及所述双源蒸发盘管的第一盘管回路；

第二制冷回路，作为自然冷却或冷冻水制冷冷源，包括依次连接的外部冷源接口、循环水泵、第一切换阀、所述双源蒸发盘管的第二盘管回路以及第二切换阀；

控制单元，包括PLC控制器、设置于室内外的若干个传感器，所述PLC控制器分别与压缩机、循环水泵、第一切换阀、第二切换阀以及若干个传感器电性连接，所述控制单元用于根据采集的室内外环境参数和系统运行状态，在至少三种运行模式之间进行自动切换：

直接蒸发制冷模式：启动所述第一制冷回路，关闭所述第二制冷回路；

自然冷却模式：启动所述第二制冷回路，关闭所述第一制冷回路；

混合制冷模式：同时启动所述第一制冷回路与所述第二制冷回路。

进一步的，所述双源蒸发盘管为一体化结构，所述第一盘管回路用于流通制冷剂，所述第二盘管回路用于流通冷却水或乙二醇溶液，所述第一盘管回路及第二盘管回路共用紧密接触的翅片进行高效换热。

进一步的，若干个所述传感器包括室内回风温度传感器、室内送风温度传感器、室外环境温度传感器、第二制冷回路进水温度传感器及第二制冷回路出水温度传感器。

进一步的，所述节流阀为电子膨胀阀，所述控制单元通过PID或模糊PID控制算法，根据第二盘管回路出口的过热度精确调节电子膨胀阀的开度，以优化制冷效率。

进一步的，所述第一制冷回路还包括位于室外冷凝器与节流阀之间的干燥过滤器，用于过滤制冷剂中的水分和杂质。

进一步的，所述外部冷源接口可连接至冷却塔、干冷器或楼宇的中央冷冻水系统，所述第一切换阀和第二切换阀为电动三通阀，用于控制冷却水流入或旁通第二盘管回路。

进一步的，所述所述第二制冷回路中还包括蓄冷罐，所述蓄冷罐位于循环水泵与第一切换阀之间，用于在电价谷期或自然冷源充足时储存冷量，在需要时释放，以实现削峰填谷和进一步节能。

本发明的有益效果：

本系统能够智能精细化的模式切换与协同控制策略，直接蒸发式制冷与自然冷却/冷冻水制冷双冷源智能切换适应外界环境变化，始终选择能耗最低的工作方式，以免造成了巨大的能源浪费，从而实现了卓越的节能效果和高度的运行可靠性，以防发生面临停机风险。

附图说明

图1为本发明的结构框图。

图2为本发明的若干个传感器示意图。

图3为本发明的第一制冷回路制冷剂流向示意图。

图4为本发明的第二制冷回路冷却水流向示意图。

图5为本发明的控制单元运行模式示意图。

1、室内机单元；2、双源蒸发盘管；3、第一制冷回路；4、第二制冷回路；5、控制单元；

30、压缩机；31、室外冷凝器；32、节流阀；33、第一盘管回路；34、干燥过滤器；40、外部冷源接口；41、循环水泵；42、第一切换阀；43、第二盘管回路；44、第二切换阀；45、蓄冷罐；50、PLC控制器；51、传感器；510、室内回风温度传感器；511、室内送风温度传感器；512、室外环境温度传感器；513、第二制冷回路进水温度传感器；514、第二制冷回路出水温度传感器。

具体实施方式

下面将对本发明的优选实施例进行详细的描述。

根据附图1-5所示：本发明提供一种基于双冷源切换的精密空调节能制冷系统，包括：

室内机单元1，室内机单元1内设有双源蒸发盘管2，室内机单元1安装于需要进行环境控制的机房内，主要包括机箱、EC变频离心风机，EC风机负责驱动室内空气循环，空气从机房前回风格栅被吸入，流经双源蒸发盘管2进行冷却降温后，由地板下或上送风口送出，双源蒸发盘管2集成两套独立的流体通道，用于与室内空气进行热交换，双源蒸发盘管2为一体化结构，第一盘管回路33及第二盘管回路43共用紧密接触的翅片进行高效换热；

第一制冷回路3，作为主要的直接蒸发式制冷冷源，是一个完整的蒸汽压缩式制冷循环，包括依次连接的压缩机30、室外冷凝器31、节流阀32及双源蒸发盘管2的第一盘管回路33，第一盘管回路33用于流通制冷剂，第一制冷回路3还包括位于室外冷凝器31与节流阀32之间的干燥过滤器34，用于过滤制冷剂中的水分和杂质，节流阀32为电子膨胀阀，控制单元5通过PID或模糊PID控制算法，根据第二盘管回路43出口的过热度精确调节电子膨胀阀的开度，以优化制冷效率，第一制冷回路3通过制冷剂管道依次串联而成，该回路负责在环境温度较高或室内负荷较大时提供强劲的制冷能力，压缩机30采用高效全封闭涡旋式变频压缩机，是制冷循环的动力源，负责压缩低温低压的气态制冷剂，室外冷凝器31安装于室外，采用V型翅片盘管和轴流式变频风机，负责将压缩机排出的高温高压制冷剂气体冷凝成液态，制冷剂流向为：压缩机30→室外冷凝器31→干燥过滤器34→节流阀32→第一盘管回路33→压缩机30，构成一个完整的封闭循环。

第二制冷回路4，作为自然冷却或冷冻水制冷冷源，是一个水/乙二醇溶液循环系统，包括依次连接的外部冷源接口40、循环水泵41、第一切换阀42、双源蒸发盘管2的第二盘管回路43以及第二切换阀44，第二盘管回路43用于流通冷却水或乙二醇溶液，外部冷源接口40包括进水口4a和出水口4b，可连接至外部的冷却水系统，如冷却塔、闭式干冷器或楼宇中央冷冻水主管，从而利用低温冷却水直接进行制冷，第一切换阀42和第二切换阀44为电动三通阀，用于控制冷却水流入或旁通第二盘管回路43，第二制冷回路4中还包括蓄冷罐45，蓄冷罐45位于循环水泵41与第一切换阀42之间，用于在电价谷期或自然冷源充足时储存冷量，在需要时释放，以实现削峰填谷和进一步节能，循环水泵41采用变频驱动，为冷却水循环提供动力，冷却水流向为：进水口4a→循环水泵41→蓄冷罐45→第一切换阀42→第二盘管回路43→第二切换阀44→出水口4b。

控制单元5，包括PLC控制器50、设置于室内外的若干个传感器51，若干个传感器51包括室内回风温度传感器510、室内送风温度传感器511、室外环境温度传感器512、第二制冷回路进水温度传感器513及第二制冷回路出水温度传感器514，PLC控制器50分别与压缩机30、循环水泵41、第一切换阀42、第二切换阀44以及若干个传感器51电性连接，控制单元是整个系统的大脑，PLC控制器50通常为西门子、施耐德等品牌的PLC，PLC控制器50通过若干个传感器51实时采集系统内外的关键参数，基于这些数据，控制单元5用于根据采集的室内外环境参数和系统运行状态，在至少三种运行模式之间进行自动切换：

直接蒸发制冷模式：启动第一制冷回路3，关闭第二制冷回路4；

自然冷却模式：启动第二制冷回路4，关闭第一制冷回路3；

混合制冷模式：同时启动第一制冷回路3与第二制冷回路4。

控制单元5内置的切换控制逻辑包括：

室外环境温度传感器512实时监测室外温度，当室外环境温度高于第一预设温度阈值(例如25℃)时，系统切换至直接蒸发制冷模式，控制单元5启动压缩机30和室外冷凝器31的风机，根据室内负荷，通过模糊PID算法调节压缩机30的频率和电子膨胀阀的开度，精确控制送风温度，同时，循环水泵41停止运行，第一切换阀42和第二切换阀44处于旁通状态，第二制冷回路4不工作，进而系统以传统精密空调方式运行，保证在恶劣环境下的制冷能力；

当室外环境温度低于第二预设温度阈值(例如10℃)时，第二制冷回路进水温度传感器513检测到冷却水温度足够低，系统切换至自然冷却模式，控制单元5完全关闭压缩机30和室外冷凝器31的风机，启动变频循环水泵41，并将第一切换阀42切换至全通位置，第二切换阀44配合动作，使冷却水全部流经第二盘管回路43，控制单元5通过调节循环水泵41的转速，来控制冷却水流量，从而精确控制送风温度，进而能够完全依靠自然冷源制冷，压缩机30功耗为零，系统能耗降至最低，仅为水泵和风机的能耗；

当室外环境温度介于第一和第二预设温度阈值之间时，系统根据室内负荷情况，选择直接蒸发制冷模式或混合制冷模式，在混合制冷模式下，控制单元5通过调节第一切换阀42的开度及循环水泵41的转速，使流经第二盘管回路43的冷却水对室内回风进行预冷，再由第一盘管回路33进行深度制冷，以用于降低压缩机30的能耗。

通过上述精细化的模式切换与协同控制策略能够实现显著的节能效果：本系统能够根据室外温度智能切换运行模式，在适宜的条件下优先或全部使用自然冷却模式，完全避免了压缩机的运行，能耗极低，在混合模式下，通过预冷技术也大大降低了压缩机的功耗，综合测算与传统的单冷源精密空调相比，本系统在典型负荷工况下的年均节能率可达30％-50％。系统的综合能效比(COP)得到大幅提升，在部分负荷下，COP值可从传统系统的3.5提升至7.0以上，节能效果显著；更高的运行可靠性：系统拥有两套独立的冷源系统，互为备份，当第一制冷回路(压缩机系统)发生故障时，若环境条件允许，第二制冷回路(自然冷却系统)仍可独立运行，提供一定的应急制冷能力，保障核心设备的运行安全，反之亦然，这种冗余设计极大地提高了整个空调系统的可靠性和可用性。

以上对本发明及其实施方式进行了描述，这种描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。总而言之如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于双冷源切换的精密空调节能制冷系统，其特征在于：包括：

室内机单元(1)，所述室内机单元(1)内设有用于与室内空气进行热交换的双源蒸发盘管(2)；

第一制冷回路(3)，作为直接蒸发式制冷冷源，包括依次连接的压缩机(30)、室外冷凝器(31)、节流阀(32)及所述双源蒸发盘管(2)的第一盘管回路(33)；

第二制冷回路(4)，作为自然冷却或冷冻水制冷冷源，包括依次连接的外部冷源接口(40)、循环水泵(41)、第一切换阀(42)、所述双源蒸发盘管(2)的第二盘管回路(43)以及第二切换阀(44)；

控制单元(5)，包括PLC控制器(50)、设置于室内外的若干个传感器(51)，所述PLC控制器(50)分别与压缩机(30)、循环水泵(41)、第一切换阀(42)、第二切换阀(44)以及若干个传感器(51)电性连接，所述控制单元(5)用于根据采集的室内外环境参数和系统运行状态，在至少三种运行模式之间进行自动切换：

直接蒸发制冷模式：启动所述第一制冷回路(3)，关闭所述第二制冷回路(4)；

自然冷却模式：启动所述第二制冷回路(4)，关闭所述第一制冷回路(3)；

混合制冷模式：同时启动所述第一制冷回路(3)与所述第二制冷回路(4)。

2.根据权利要求1所述的一种基于双冷源切换的精密空调节能制冷系统，其特征在于：所述双源蒸发盘管(2)为一体化结构，所述第一盘管回路(33)用于流通制冷剂，所述第二盘管回路(43)用于流通冷却水或乙二醇溶液，所述第一盘管回路(33)及第二盘管回路(43)共用紧密接触的翅片进行高效换热。

3.根据权利要求1所述的一种基于双冷源切换的精密空调节能制冷系统，其特征在于：若干个所述传感器(51)包括室内回风温度传感器(510)、室内送风温度传感器(511)、室外环境温度传感器(512)、第二制冷回路进水温度传感器(513)及第二制冷回路出水温度传感器(514)。

4.根据权利要求1所述的一种基于双冷源切换的精密空调节能制冷系统，其特征在于：所述节流阀(32)为电子膨胀阀，所述控制单元(5)通过PID或模糊PID控制算法，根据第二盘管回路(43)出口的过热度精确调节电子膨胀阀的开度，以优化制冷效率。

5.根据权利要求1所述的一种基于双冷源切换的精密空调节能制冷系统，其特征在于：所述第一制冷回路(3)还包括位于室外冷凝器(31)与节流阀(32)之间的干燥过滤器(34)，用于过滤制冷剂中的水分和杂质。

6.根据权利要求1所述的一种基于双冷源切换的精密空调节能制冷系统，其特征在于：所述外部冷源接口(40)可连接至冷却塔、干冷器或楼宇的中央冷冻水系统，所述第一切换阀(42)和第二切换阀(44)为电动三通阀，用于控制冷却水流入或旁通第二盘管回路(43)。

7.根据权利要求1所述的一种基于双冷源切换的精密空调节能制冷系统，其特征在于：所述所述第二制冷回路(4)中还包括蓄冷罐(45)，所述蓄冷罐(45)位于循环水泵(41)与第一切换阀(42)之间，用于在电价谷期或自然冷源充足时储存冷量，在需要时释放，以实现削峰填谷和进一步节能。