机房空调机组及其控制方法

技术领域

本申请涉及空气调节技术领域，具体涉及一种机房空调机组及其控制方法。

背景技术

近年来，越来越智能化的生活极大地提高了人们的生活效率以及沟通的便利性，与此同时，数据中心也随之呈现爆发式增长。随着5G时代的来临，由于5G本身的技术特点，基站密度大，导致数据中心的散热量增加，也需要越来越多的机房空调。众所周知，机房空调的能耗占数据中心总能耗的50％左右，为了降低机房空调的能耗，技术人员提出氟泵空调，以利用自然冷源为数据中心散热，降低压缩机启动频率，延长压缩机寿命，然而，此方案更适用于我国冬季温度较低的北方，南方夏季时间长，温度高，冬季温度偏暖，导致氟泵空调使用环境受限，适用性较差。

发明内容

因此，本申请要解决的技术问题在于提供一种机房空调机组及其控制方法，能够提高空调机组的适用性，降低空调机组的全年能耗，提高空调机组的能效比。

为了解决上述问题，本申请提供一种机房空调机组，包括动力装置、蒸发器、冷凝器和地埋管换热器，冷凝器和地埋管换热器并联设置，冷凝器所在管路上设置有第一控制阀，地埋管换热器所在管路上设置有第二控制阀。

优选地，动力装置包括氟泵，氟泵的进口端管路上设置有储液罐，氟泵连接至储液罐的出液口。

优选地，动力装置包括压缩机，蒸发器与冷凝器之间的管路上设置有节流装置。

优选地，动力装置包括氟泵和压缩机，氟泵的进口端管路上设置有储液罐，氟泵连接至储液罐的出液口，蒸发器与冷凝器之间的管路上设置有节流装置，氟泵并联设置有第一旁通管路，压缩机并联设置有第二旁通管路，节流装置并联设置有第三旁通管路，第一旁通管路上设置有第三控制阀，第二旁通管路上设置有第四控制阀，第三旁通管路上设置有第五控制阀。

优选地，第三控制阀为单向阀，单向阀被配置为单向导通氟泵的进口端和出口端；和/或，第四控制阀为单向阀，单向阀被配置为单向导通压缩机的进口端和出口端。

优选地，氟泵设置在冷凝器和地埋管换热器的出口与节流装置之间的管路上，压缩机设置在蒸发器的出口与冷凝器和地埋管换热器的进口之间的管路上。

根据本申请的另一方面，提供了一种上述的机房空调机组的控制方法，包括：

检测室外环境温度T0和压缩机的冷凝压力P；

根据室外环境温度T0和压缩机的冷凝压力P确定机房空调机组的运行模式；

其中，机房空调机组的运行模式包括：

氟泵常规运行模式、氟泵联合运行模式、压缩机常规运行模式和压缩机联合运行模式；

当机房空调机组处于氟泵常规运行模式时，冷媒依次流经氟泵、第五控制阀、蒸发器、第四控制阀、第一控制阀、冷凝器和储液罐；

当机房空调机组处于氟泵联合运行模式时，冷媒依次流经氟泵、第五控制阀、蒸发器、第四控制阀之后，分为两部分，一部分流经第一控制阀和冷凝器进入储液罐，一部分流经第二控制阀和地埋管换热器进入储液罐；

当机房空调机组处于压缩机常规运行模式时，冷媒依次流经压缩机、第一控制阀、冷凝器、储液罐、第三控制阀、节流装置和蒸发器；

当机房空调机组处于压缩机联合运行模式时，冷媒从压缩机流出后分为两部分，一部分流经第一控制阀和冷凝器进入储液罐，一部分流经第二控制阀和地埋管换热器进入储液罐，之后依次流经第三控制阀、节流装置和蒸发器。

优选地，根据室外环境温度T0和压缩机的冷凝压力P确定机房空调机组的运行模式的步骤包括：

当T0＜A且P＜aPmin，且该状态持续t1时间后，将机房空调机组切换为氟泵常规运行模式，否则退出该模式的运行，并返回氟泵联合运行模式；

当A≤T0＜B且P＜aPmin，且该状态持续t2时间后，将机房空调机组切换为氟泵联合运行模式，否则退出该模式的运行，并返回压缩机常规运行模式；

当B≤T0＜C且aPmin≤P＜bPmax时，控制机房空调机组保持之前运行模式；

当C≤T0且bPmax≤P，且该状态持续t3时间后，将机房空调机组切换为压缩机联合运行模式，当地埋管换热器出口的制冷机温度大于冷凝器出口的制冷剂温度且持续t4时间时，退出压缩机联合运行模式的运行，并返回压缩机常规运行模式，其中A、B、C均为常数值，a、b为冷凝压力系数，Pmin为压缩机的规定允许最小冷凝压力值，Pmax为压缩机的规定允许最大冷凝压力值。

优选地，当退出当前运行模式后，若再次进入的运行模式并非是该退出的运行模式，则在t5时间内不得再次进入该退出的运行模式。

优选地，A为0℃，B为10℃，C为35℃，a的范围为1.1～1.3，b的范围为0.8～1，t1为10min，t2为10min，t3为10min，t4为10min，t5为2h。

优选地，a＝1.2，b＝0.9。

本申请提供的机房空调机组，包括动力装置、蒸发器、冷凝器和地埋管换热器，冷凝器和地埋管换热器并联设置，冷凝器所在管路上设置有第一控制阀，地埋管换热器所在管路上设置有第二控制阀。机房空调机组采用冷凝器和地埋管换热器并联的方式来进行室外侧换热，并且可以根据需要调节冷凝器和地埋管换热器的运行状态，使得机房空调机组的室外散热既可以通过空气散热，也可以利用地下水作为自然冷源进行散热，可选择性更多，既能够满足南方地域的换热需求，又能够满足北方地域的换热需求，适用性更好，能够充分利用自然冷源，降低空调机组的全年能耗，提高空调机组的能效比。

附图说明

图1为本申请实施例的机房空调机组的结构原理图；

图2为本申请实施例的机房空调机组的控制流程图。

附图标记表示为：

1、蒸发器；2、冷凝器；3、地埋管换热器；4、第一控制阀；5、第二控制阀；6、氟泵；7、储液罐；8、压缩机；9、节流装置；10、第三控制阀；11、第四控制阀；12、第五控制阀。

具体实施方式

结合参见图1所示，根据本申请的实施例，机房空调机组包括动力装置、蒸发器1、冷凝器2和地埋管换热器3，冷凝器2和地埋管换热器3并联设置，冷凝器2所在管路上设置有第一控制阀4，地埋管换热器3所在管路上设置有第二控制阀5。

传统的机房氟泵空调机组利用冬季的低温空气作为自然冷源，通过氟泵来驱动冷媒完成制冷循环，提高机组全年能效比，然而此种方案仅适用于北方，南方夏季时间长，温度高，冬季温度偏暖，难以为空调机组的换热提供足够的冷量，因此使得氟泵空调机组的应用环境受到了极大的限制。

而在我国东南沿海地区，常年地下水丰富，并且温度和流动性比较稳定，非常适合地埋管换热器的运行，这些经济发达的地方也是数据中心建设数量特别多的区域，充分利用地下水作为自然冷源可以极大地提高氟泵空调的能效比，降低运行能耗。

针对这一情况，特提出本申请实施例的机房空调机组，使得机房空调机组不仅能够适用于北方温差较大的区域，也能够适用于南方全年温度相对较高的区域。在应用地埋管换热器时，可以将地埋管换热器埋至地下有流动水源处，利用流动的地下水作为自然冷源冷却地埋管换热器，能够将氟泵机房空调应用于东南沿海等温度较高的地区，并大幅提高能效。

本申请实施例的机房空调机组采用冷凝器2和地埋管换热器3并联的方式来进行室外侧换热，并且可以根据需要调节冷凝器2和地埋管换热器3的运行状态，使得机房空调机组的室外散热既可以通过空气散热，也可以利用地下水作为自然冷源进行散热，可选择性更多，可以根据季节或者当地的地理环境来选择合适的运行模式，既能够满足南方地域的换热需求，又能够满足北方地域的换热需求，适用性更好，能够充分利用自然冷源，降低空调机组的全年能耗，提高空调机组的能效比。

在其中一个实施例中，动力装置包括氟泵6，氟泵6的进口端管路上设置有储液罐7，氟泵6连接至储液罐7的出液口。在本实施例中，当机房空调机组处于北方的冬天时，由于空气温度远低于地下水温度，因此此时可以单独的利用冷凝器2进行散热，可以很好地满足机房散热需求。当机房空调机组处于北方的夏天时，可以根据需要选择单独的利用冷凝器2进行散热，或者是单独的利用地埋管换热器3进行散热，或者是同时使用冷凝器2和地埋管换热器3进行换热，大幅提高机房空调机组在夏天的散热能力。当机房空调机组处于南方的冬天时，可以主要利用地埋管换热器3进行散热，由于南方的地下水流动性较好，且南方某些区域冬天的空气温度仍然高于地下水温度，因此利用地下水作为冷源，能够及时带走机房内的热量，较好地利用自然冷源，实现对机房的散热。当机房空调机组处于南方的夏天时，可以主要利用地埋管换热器3进行散热，由于南方的地下水流动性较好，且夏天时地下水的温度远低于空气温度，因此利用地埋管换热管能够及时带走机房内的热量，避免机房在夏天由于散热不及时导致的温度较高的问题，能够较好地利用自然冷源，满足机房的散热需求，此时的冷凝器2可以作为辅助散热结构进行散热。

在一个实施例中，动力装置包括压缩机8，蒸发器1与冷凝器2之间的管路上设置有节流装置9。在动力装置为压缩机8时，其工作的过程与氟泵6类似，此处不再详述。

在一个实施例中，动力装置包括氟泵6和压缩机8，氟泵6的进口端管路上设置有储液罐7，氟泵6连接至储液罐7的出液口，蒸发器1与冷凝器2之间的管路上设置有节流装置9，氟泵6并联设置有第一旁通管路，压缩机8并联设置有第二旁通管路，节流装置9并联设置有第三旁通管路，第一旁通管路上设置有第三控制阀10，第二旁通管路上设置有第四控制阀11，第三旁通管路上设置有第五控制阀12。

在本实施例中，氟泵6和压缩机8串联在机房空调机组的系统内，且通过第三控制阀10和第四控制阀11实现氟泵6和压缩机8的工作状态的切换。当需要运行在氟泵状态时，控制第三控制阀10关闭，第四控制阀11打开，压缩机8不工作，冷媒在达到压缩机位置时，可以经第二旁通管路和第四控制阀11流动至冷凝器2或者是地埋管换热器3，氟泵6单独提供冷媒流动动力，主要利用自然冷源实现机房与外界的换热。当需要运行在压缩机状态时，控制第三控制阀10打开，第四控制阀11关闭，此时氟泵6不工作，冷媒在到达氟泵位置时，可以经第一旁通管路和第三控制阀10流动至蒸发器1，压缩机8单独提供冷媒流动动力，依靠压缩机8的压缩能力实现机房与外界的换热。

在其中一个实施例中，第三控制阀10为单向阀，单向阀被配置为单向导通氟泵6的进口端和出口端。

第四控制阀11为单向阀，单向阀被配置为单向导通压缩机8的进口端和出口端。

由于第三控制阀10与氟泵6并联，且第四控制阀11与压缩机8并联，因此当氟泵6运行，压缩机8不运行时，氟泵6的出口端压力高于进口端压力，第三控制阀10的进口端压力小于出口端压力，因此第三控制阀10不导通，冷媒无法经第一旁通管路从氟泵6的进口端到达氟泵6的出口端，而对于压缩机8而言，由于压缩机8不运行，因此在氟泵6的作用下，压缩机8的出口端压力小于进口端压力，第四控制阀11导通，冷媒可以直接经第二旁通管路流动。当氟泵6不运行，压缩机8运行时，压缩机8的出口端压力高于进口端压力，第四控制阀11的进口端压力小于出口端压力，因此第四控制阀11不导通，冷媒无法经第二旁通管路从压缩机8的进口端到达压缩机8的出口端，而对于氟泵6而言，由于氟泵6不运行，因此在压缩机8的作用下，氟泵6的出口端压力小于进口端压力，第三控制阀10导通，冷媒可以直接经第一旁通管路流动。

对于本申请而言，在采用单向阀实现与氟泵6和压缩机8并联的旁通管路的导通控制时，可以利用氟泵6和压缩机8的运行特性以及单向阀的导通特性实现对单向阀的导通控制，无需额外的控制程序，直接利用氟泵6和压缩机8在不同状态下进出口端的压力变化即可实现，因此结构简单，控制简单，简化了机房空调机组的控制程序，降低了控制难度。

氟泵6设置在冷凝器2和地埋管换热器3的出口与节流装置9之间的管路上，压缩机8设置在蒸发器1的出口与冷凝器2和地埋管换热器3的进口之间的管路上。对于氟泵6而言，需要进入到氟泵6内的为液态冷媒，因此，需要将氟泵6设置在冷凝器2的出口端，并且在冷凝器2与氟泵6的进口之间设置储液罐7，从而保证进入到氟泵6内的为液态冷媒。

而对于压缩机8而言，需要进入到压缩机8内的冷媒为气态冷媒，以避免液击现象，因此，需要将压缩机8设置在蒸发器1的出口端，同时在蒸发器1的进口端与冷凝器2的出口端之间设置节流装置9，对冷媒进行节流，提高蒸发器1的换热能力。

上述的第一控制阀4、第二控制阀5、第五控制阀12例如为电磁阀，从而便于由机房空调机组进行统一控制。

本申请实施例的机房空调机组，采用地埋管换热器3埋至于水源充足的地下深处的方式，通过流动的水为地埋管换热器3散热，相当于为机房空调机组增加了水冷换热，提高了系统在室外高温时的换热能力。

本申请实施例的机房空调机组有以下几点益处：

1、可适用于温暖冬季的东南沿海地区；

2、在室外高温天气，增加地埋管换热器3所形成的辅助换热器支路，提高换热效率，保障数据中心的稳定运行；

3、在秋季向冬季的过渡季节和寒冷的冬季，可使用氟泵6来驱动冷媒，降低系统能耗，通过地埋管换热器3散热，效率更高。

4、通过识别冷凝温度或压力，智能切换单室外换热器制冷模式和双室外换热器制冷模式、智能切换氟泵或者压缩制冷运行模式。

结合参见图2所示，根据本申请的实施例，上述的机房空调机组的控制方法包括：检测室外环境温度T0和压缩机8的冷凝压力P；根据室外环境温度T0和压缩机8的冷凝压力P确定机房空调机组的运行模式；其中，机房空调机组的运行模式包括：氟泵常规运行模式、氟泵联合运行模式、压缩机常规运行模式和压缩机联合运行模式。

本申请的机房空调机组的控制方法，通过监控冷凝温度或者压力，智能判断地埋管换热器是否参与系统运行、智能切换氟泵和压缩机的运行，提高系统的运行能效和安全可靠性，保证压缩机运行在其允许的冷凝压力范围之内。

四种运行模式下各阀的开关状态如下表所示：

当机房空调机组处于氟泵常规运行模式时，冷媒依次流经氟泵6、第五控制阀12、蒸发器1、第四控制阀11、第一控制阀4、冷凝器2和储液罐7。

当机房空调机组处于氟泵联合运行模式时，冷媒依次流经氟泵6、第五控制阀12、蒸发器1、第四控制阀11之后，分为两部分，一部分流经第一控制阀4和冷凝器2进入储液罐7，一部分流经第二控制阀5和地埋管换热器3进入储液罐7。

当机房空调机组处于压缩机常规运行模式时，冷媒依次流经压缩机8、第一控制阀4、冷凝器2、储液罐7、第三控制阀10、节流装置9和蒸发器1。

当机房空调机组处于压缩机联合运行模式时，冷媒从压缩机8流出后分为两部分，一部分流经第一控制阀4和冷凝器2进入储液罐7，一部分流经第二控制阀5和地埋管换热器3进入储液罐7，之后依次流经第三控制阀10、节流装置9和蒸发器1。

根据室外环境温度T0和压缩机8的冷凝压力P确定机房空调机组的运行模式的步骤包括：当T0＜A且P＜aPmin，且该状态持续t1时间后，将机房空调机组切换为氟泵常规运行模式，否则退出该模式的运行，并返回氟泵联合运行模式；当A≤T0＜B且P＜aPmin，且该状态持续t2时间后，将机房空调机组切换为氟泵联合运行模式，否则退出该模式的运行，并返回压缩机常规运行模式；当B≤T0＜C且aPmin≤P＜bPmax时，控制机房空调机组保持之前运行模式；当C≤T0且bPmax≤P，且该状态持续t3时间后，将机房空调机组切换为压缩机联合运行模式，当地埋管换热器3出口的制冷机温度大于冷凝器2出口的制冷剂温度且持续t4时间时，退出压缩机联合运行模式的运行，并返回压缩机常规运行模式，其中A、B、C均为常数值，a、b为冷凝压力系数，Pmin为压缩机的规定允许最小冷凝压力值，Pmax为压缩机的规定允许最大冷凝压力值。

查阅压缩机规格书可以获得压缩机8的压力运行范围，确定压缩机8的规定允许最大冷凝压力值Pmax、规定允许最小冷凝压力值Pmin。系统运行时，控制压缩机满足Pmin≤冷凝压力P≤0.9Pmax或者用对应的饱和冷凝温度值作为判断条件，同时检测室外环境温度T0作为辅助判断条件之一。其中的P≤0.9Pmax是针对某一款压缩机而言的，压缩机不同，该系数b的取值也并不相同。

此处控制压缩机满足Pmin≤P≤0.9Pmax，是由于当压缩机控制过程中，由于热惰性和惯性影响，在检测到压缩机的冷凝压力运行到Pmax时，实际上压缩机的冷凝压力由于变化的延迟性，可能已经超出了Pmax，也即会导致压缩机运行在安全范围之外，容易引起压缩机保护，或者是其它的问题，不利于压缩机的安全稳定运行，因此，当检测到冷凝压力P≤0.9Pmax，基本上就可以认为压缩机的冷凝压力实际上已经达到了Pmax，需要对压缩机的冷凝压力进行控制。当然，此处的0.9的取值会根据压缩机型号和规格的不同有相应的变化。

当退出当前运行模式后，若再次进入的运行模式并非是该退出的运行模式，则在t5时间内不得再次进入该退出的运行模式，这是为了避免机房控制机组频繁切换运行模式引起机房内温湿度的波动，提高机房内环境的稳定性。

在其中一个实施例中，A为0℃，B为10℃，C为35℃，a的范围为1.1～1.3，b的范围为0.8～1，t1为10min，t2为10min，t3为10min，t4为10min，t5为2h。

在一个具体的实施例中，a＝1.2，b＝0.9。

在一个实施例中，针对不同规格的压缩机和氟泵空调系统，上述几个步骤中的温度限值(10℃、0℃、35℃)、压力系数(1.2和0.9)和运行时间(10分钟、2小时)属于工厂预设可调参数，正常使用的用户无法对其进行更改，以避免用户由于专业知识不足而发生误操作。

本领域的技术人员容易理解的是，在不冲突的前提下，上述各有利方式可以自由地组合、叠加。

以上仅为本申请的较佳实施例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。以上仅是本申请的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本申请的保护范围。