冷水机组的调节控制方法及冷水机组

技术领域

本发明涉及冷水机组技术领域，尤其涉及冷水机组的调节控制方法及冷水机组。

背景技术

数据中心通常需要全年制冷，目前数据中心所使用的制冷设备一般采用带自然冷却功能的冷水机组，在冬季气温低于0℃是采用完全自然冷却制冷，其中一种冷水机组的自然冷却方式为利用乙二醇水泵借用乙二醇水溶液作为冷却媒介将室外冷量循环至换热器中，由换热器另一侧冷冻水带走冷量的制冷方式。

现有技术中已出现了带自然冷却功能的冷水机组，其可以在环境温度达到自然冷却条件后，改变冷水机组的运行模式，从常规压缩机制冷切换到自然冷却制冷，然而自然冷却制冷方案在负荷发生变化时，冷水机组如何快速准确响应负荷变化，并且在安全可靠的前提下达到节能效果是业界亟待解决的技术问题。

发明内容

为了解决现有自然冷却制冷方案不能快速响应负荷变化的缺陷，本发明提出冷水机组的调节控制方法及冷水机组，通过调节室外换热器组的换热量，达到自然冷却制冷时根据负荷变化快速响应、可靠节能的效果。

本发明采用的技术方案是，设计冷水机组的调节控制方法，冷水机组包括由压缩机驱动冷媒循环的压缩机制冷回路和由液泵驱动溶液循环的自然冷却回路。调节控制方法包括以下步骤：判断冷水机组是否满足设定自然冷却条件；若是则关闭压缩机、开启所述液泵，经过室外换热器组冷却降温的制冷溶液与用户侧的冷冻水换热；检测冷水机组的运行参数；根据运行参数判断冷水机组的负荷变化并调节室外换热器组的换热量。

在一实施例中，运行参数为冷冻水换热之后的实际出水温度。

优选的，根据运行参数判断冷水机组的负荷变化并调节室外换热器组的换热量包括：

判断实际出水温度所在的区间并执行对应的控制策略；

若连续T1秒检测到所述实际出水温度T3-目标出水温度＞第一设定值Ta，则执行升负荷控制策略，增加所述室外换热器组的换热量；

和/或若连续T1秒检测到所述实际出水温度T3-目标出水温度≤第二设定值Tb，则执行降负荷控制策略，减小所述室外换热器组的换热量；

和/或若第二设定值Tb＜所述实际出水温度T3-目标出水温度≤第一设定值Ta，则执行维持控制策略，保持所述冷水机组当前运行状态不变。

每次执行控制策略之后，运行设定时间，继续判断所述出水温度所在的区间并执行对应的控制策略，直至室外换热器组的换热量达到设定上限值或者设定下限值。

优选的，室外换热器组包括至少两个并联设置的室外换热器。调节室外换热器组的换热量包括调节室外换热器组中参与工作的室外换热器数量。

优选的，室外换热器组中的室外换热器按照开启的优先级设置有对应的序号，开启顺序为从序号最小的室外换热器到序号最大的室外换热器，关闭顺序为从序号最大的室外换热器到序号最小的室外换热器。

优选的，每次调节室外换热器组中参与工作的室外换热器数量仅增加1台或者减少1台。

优选的，室外换热器组中最先开启的室外换热器为调节换热器，调节换热器采用变频风机。调节室外换热器组的换热量还包括调节变频风机的运行频率。

优选的，每次调节变频风机的运行频率仅增大设定幅度或者减小设定幅度。

优选的，当室外换热器组中仅有调节换热器参与工作时，变频风机的运行频率增大至设定最高频率之后，再增加室外换热器组中参与工作的室外换热器数量。

优选的，当室外换热器组中仅有调节换热器参与工作时，变频风机的运行频率减小至关闭之后，液泵停止工作，冷水机组进入待机状态。

优选的，调节室外换热器组的换热量还包括调节自然冷却回路中的制冷溶液流量。

在一实施例中，液泵采用变频液泵，调节自然冷却回路中的制冷溶液流量包括调节变频液泵的运行频率。

其中，调节变频液泵的运行频率为将液泵的运行频率调整至（额定频率÷n）×n1，n为室外换热器组中室外换热器的总数，n1为室外换热器组中参与工作的室外换热器数量。

在另一实施例中，液泵采用定频液泵，液泵连接有旁通回路，旁通回路和自然冷却回路并联接在液泵上，旁通回路中设有可调节开度的控制阀。

本发明还提出冷水机组，包括控制器，该控制器采用上述的调节控制方法控制冷水机组的运行状态。

与现有技术相比，本发明通过检测冷水机组的运行参数判断机组的负荷变化，并根据负荷变化调节室外换热器组的换热量，通过调节参与工作的室外换热器数量、液泵转速以及变频风机转速，快速准确的响应用户侧负荷变化需求，调节精度高、能够适应更大范围的负荷变化需求，机组可以更节能可靠的运行。

附图说明

下面结合实施例和附图对本发明进行详细说明，其中：

图1是本发明中冷水机组的换热流向示意图；

图2是本发明中一实施例的流程示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明提出的调节控制方法适用于带自然冷却功能的冷水机组，冷水机组的具体结构如下，其包括控制器5、压缩机制冷回路、自然冷却回路和冷冻水循环回路，压缩机制冷回路和自然冷却回路为两个相互独立的液体循环回路，可以各自单独给冷冻水循环回路提供冷量，也可以共同给冷冻水循环回路提供冷量。

控制器5调节控制压缩机制冷回路、自然冷却回路和冷冻水循环回路中各个部件的运行状态。压缩机制冷回路设有冷凝器6、蒸发器7和压缩机8，冷媒在压缩机制冷回路中由压缩机8驱动循环。自然冷却回路设有室外换热器组3、中间换热器1和液泵2，液泵2连接在室外换热器组3和中间换热器1之间，制冷溶液在自然冷却回路中由液泵2驱动循环，制冷溶液可以是常规制冷剂，也可以是添加防冻液的水溶液。冷冻水循环回路设有冷冻水泵，用户侧的冷冻水在冷冻水循环回路中通过冷冻水泵驱动循环。

中间换热器1和蒸发器7均设有两套换热管，中间换热器1的一套换热管接在自然冷却回路中，用以流通冷媒，另一套换热管接在冷冻水循环回路中，用以流通冷冻水。蒸发器7的一套换热管接在压缩机制冷回路中，用以流通制冷溶液，另一套换热管接在冷冻水循环回路中，用以流通冷冻水。

图1中示出了优选实施例的机组连接图，冷冻水循环回路中与中间换热器1和蒸发器7换热的管段称为工作段，中间换热器1和蒸发器7串联在工作段上，工作段的一端为冷冻水进口、另一端为冷冻水出口，中间换热器1的位置靠近冷冻水进口，蒸发器7的位置靠近冷冻水出口，冷冻水在流动过程中先经过中间换热器1再经过蒸发器7。

在压缩机8关闭、液泵2开启时，压缩机8制冷回路停止工作，自然冷却回路中的制冷溶液经过室外换热器组3吸收环境的冷量冷却降温后，进入中间换热器1与冷冻水换热，冷冻水换热之后温度降低，提供给用户侧使用，冷冻水循环回路的冷冻水出口安装有温度传感器4，用于检测冷冻水换热之后的实际出水温度，下文中记载的实际出水温度T3均是指冷冻水换热之后的实际出水温度。当然，为了更准确的反映冷冻水与自然冷却回路换热后的情况，温度传感器4可以安装在蒸发器7和中间换热器1之间的位置上。

在优选实施例中，室外换热器组3由至少两个并联设置的室外换热器构成，每个室外换热器包含干冷器和与干冷器配套组装使用的风机组。室外换热器组3中的室外换热器按照开启的优先级设置有对应的序号，开启顺序为从序号最小的室外换热器到序号最大的室外换热器，即从序号为1#的室外换热器至序号为n#的室外换热器，关闭顺序为从序号最大的室外换热器到序号最小的室外换热器，即从序号为n#的室外换热器至序号为1#的室外换热器。室外换热器组3中除序号为1#的室外换热器之外，其余室外换热器均配置有其对应的电磁阀和单向阀，单向阀安装在室外换热器的出液口，防止制冷溶液逆向流回室外换热器的出液口。电磁阀安装在室外换热器的进液口，通过电磁阀单独控制其对应室外换热器的通断状态，电磁阀打开时其对应室外换热器参与工作，电磁阀关闭时其对应室外换热器停止工作，通过控制电磁阀可以灵活调节室外换热器组3中参与工作的室外换热器数量。

本发明的调节控制方法结合上述冷水机组的硬件结构进行控制调节，具体包括以下步骤：

判断冷水机组是否满足设定自然冷却条件；

若是则关闭压缩机、开启液泵2，经过室外换热器组3冷却降温的制冷溶液与冷冻水换热；

检测冷水机组的运行参数；

根据运行参数判断冷水机组的负荷变化并调节室外换热器组3的换热量。

需要说明的是，设定自然冷却条件为连续一定时间检测到冷冻水的目标出水温度减去实际环境温度的差值大于或等于设定差值，一定时间的取值可以是2分钟或者3分钟等，设定差值的取值范围可以是8至10度。设定自然冷却条件可以仅依靠检测外部环境温度来进行判断，也可以根据实际情况设计为其他条件，本发明对此不作限制。

进一步的，应当理解的是，判定冷水机组满足设定自然冷却条件之后，如果冷水机组处于待机状态，则开启室外换热器组3、开启液泵2。判定冷水机组满足设定自然冷却条件之后，如果冷水机组处于压缩机制冷状态，则关闭压缩机8，使冷水机组进入待机状态，再开启室外换热器组3、开启液泵2，平稳切换制冷模式，以保护冷水机组稳定运行。

在优选实施例中，运行参数为冷冻水换热之后的实际出水温度，实际出水温度的高低可以和目标出水温度进行比较，该目标出水温度是用户在显示器上输入的设定出水温度，如果实际出水温度比目标出水温度高很多，说明机组制冷量不够，升负荷后加大制冷量才能使出水温度降低至用户设置的目标出水温度。通常状态下，冷水机组的调节控制是以保证冷冻水的实际出水温度达到目标出水温度为唯一指标，无论机组如何升降负荷，目标出水温度不变，只是负荷变化的时候，入水温度会波动，进而影响出水温度，然后机组针对波动后的实际出水温度进行升降负荷调节，使得实际出水温度维持稳定。此处的负荷是指冷负荷。

具体来说，根据实际出水温度T3判断冷水机组的负荷变化并调节室外换热器组的换热量包括：

判断实际出水温度所在的区间并执行对应的控制策略；

控制策略有三种，分别是：连续T1秒检测到实际出水温度T3-目标出水温度＞第一设定值Ta，则执行升负荷控制策略，增加室外换热器组3的换热量；若连续T1秒检测到实际出水温度T3-目标出水温度≤第二设定值Tb，则执行降负荷控制策略，减小室外换热器组3的换热量；若第二设定值Tb＜实际出水温度T3-目标出水温度≤第一设定值Ta，则执行维持控制策略，保持冷水机组当前运行状态不变。

每次执行控制策略之后，运行设定时间，继续判断实际出水温度T3所在的区间并执行对应的控制策略，直至室外换热器组3的换热量达到设定上限值或者设定下限值。

需要说明的是，第一设定值Ta高于第二设定值Tb，在优选实施例中，Ta>0且Tb=-Ta，以上三种控制策略可以任意选择一种或者两种以上进行组合。

如图2所示，以调节控制方法中仅有升负荷控制策略为例，根据出水温度判断冷水机组的负荷变化并调节室外换热器组3的换热量包括：

判断是否连续T1秒检测到实际出水温度T3-目标出水温度＞第一设定值Ta；

若是则判定冷水机组的负荷上升，执行升负荷控制策略，增加室外换热器组3的换热量；

若否则保持冷水机组当前运行状态不变；

运行设定时间后；

重复判断是否连续T1秒检测到实际出水温度T3-目标出水温度＞第一设定值Ta的步骤，直至室外换热器组3的换热量达到设定上限值。

此调节控制方法以满足负荷为主，防止室内温度上升，确保冷水机组的制冷量充分满足负荷需求。

以调节控制方法中仅有降负荷控制策略为例，根据出水温度判断冷水机组的负荷变化并调节室外换热器组3的换热量包括：

判断是否连续T1秒检测到实际出水温度T3-目标出水温度≤第二设定值Tb；

若是则判定冷水机组的负荷下降，执行降负荷控制策略，减小室外换热器组3的换热量；

若否则保持冷水机组当前运行状态不变；

运行设定时间后；

重复判断是否连续T1秒检测到实际出水温度T3-目标出水温度≤第二设定值Tb的步骤，直至室外换热器组3的换热量达到设定下限值。

此调节控制方法以冷水机组节能为主，在满足负荷变化的基础上，适当降低室外换热器组3的换热量，以使得冷水机组节能运行。

进一步说明，调节室外换热器组3的换热量包括调节室外换热器组3中参与工作的室外换热器数量，参与工作的室外换热器数量越多则换热量越大。初始开启液泵2时，室外换热器组3中仅有序号最小的室外换热器1#参与工作，在后续的判断控制过程中，每次调节室外换热器组3中参与工作的室外换热器数量仅增加1台或者减少1台，以使得室外换热器组3的换热量调节精度更高，换热量调节更加精确。

再进一步的，室外换热器组3中最先开启的室外换热器为调节换热器，即序号最小的室外换热器1#为调节换热器，调节换热器采用变频风机，初始开启液泵2时，变频风机的运行频率为设定最高频率。调节室外换热器组3的换热量还包括调节变频风机的运行频率，变频风机的运行频率越高，室外换热器组3的换热量越高。

所有室外换热器均可以采用变频风机，出水温度的控制精度会更高，但控制逻辑的难度增加，控制方法的可靠性会降低。为了简化控制逻辑，室外换热器组3中仅有调节换热器采用变频风机，其余室外换热器均采用定频风机，而且变频风机的运行频率仅在室外换热器组3中只有调节换热器参与工作时执行，即有两台或两台以上的室外换热器参与工作时，只调节室外换热器组3中参与工作的室外换热器数量。

当室外换热器组3中仅有调节换热器参与工作时，若实际出水温度T3低于第二设定值Tb，则降低变频风机的运行频率，运行设定时间后，继续判断出水温度所在的区间并执行对应的控制策略，直至变频风机的运行频率减小至关闭，液泵2停止工作，冷水机组进入待机状态。若实际出水温度T3高于第一设定值Ta，则提高变频风机的运行频率，运行设定时间，继续判断实际出水温度T3所在的区间并执行对应的控制策略，变频风机的运行频率增大至设定最高频率之后，再增加室外换热器组3中参与工作的室外换热器数量。

需要说明的是，每次调节变频风机的运行频率仅增大设定幅度或者减小设定幅度，设定幅度可以是5%，具体数值可以根据实际情况设计，设定幅度越小，出水温度的调节精度越高。

再进一步的，调节室外换热器组3的换热量还包括调节自然冷却回路中的制冷溶液流量，主要是为了改变参与工作的室外换热器数量时，保证流经各个室外换热器的分支流量基本保持不变，但是流量轻微波动肯定是有的。

在优选实施例中，液泵2采用变频液泵，调节室外换热器组3的换热量还包括调节变频液泵的运行频率。其中，调节变频液泵的运行频率为将液泵的运行频率调整至（额定频率÷n）×n1，n为室外换热器组3中室外换热器的总数，n1为室外换热器组3中参与工作的室外换热器数量，液泵2的运行频率和室外换热器组3中参与工作的室外换热器数量同步调节。

在替换实施例中，液泵2采用定频液泵，定频液泵连接有旁通回路，旁通回路和自然冷却回路并联接在定频液泵上，旁通回路中设有可调节开度的控制阀，控制阀的开度越大，压缩机制冷回路中的制冷溶液流量越小，反之，控制阀的开度越小，压缩机制冷回路中的制冷溶液流量越大。与优选实施例相比，替换实施例的优点是可以取消液泵的变频器或内置变频模块，节省成本，缺点是主回路流量控制精度较差，并且液泵无法实现低频节能运行。

依照上述调节控制方法，在冷水机组进行自然冷却制冷时，室外换热器组3的换热量的设定上限值为变频风机增大至设定最高频率、且所有室外换热器均参与工作、且变频液泵开至额定频率，室外换热器组3的换热量的设定下限值为冷水机组进入待机状态，本发明的负荷调节范围最低可以达到

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。