通信機房風(fēng)冷空調(diào)節(jié)能改造

黃赟，丁聰

(1 中國移動通信集團上海有限公司，上海 200060；2 上海郵電設(shè)計咨詢研究院有限公司，上海 200092）

目前在通信運營商的能耗構(gòu)成中，通信機房的能耗占主要地位，不同類型的通信機房的能耗占比相差較大。

根據(jù)國發(fā)〔2016〕74號《國務(wù)院關(guān)于印發(fā)“十三五”節(jié)能減排綜合工作方案的通知》，為貫徹落實國家節(jié)能減排戰(zhàn)略，進(jìn)一步提高資源運行的效率，促進(jìn)企業(yè)循環(huán)發(fā)展、綠色發(fā)展、低成本高效益發(fā)展，在運營各環(huán)節(jié)中挖掘節(jié)能潛力，推廣落實節(jié)能措施，營造健康的行業(yè)生態(tài)環(huán)境，實現(xiàn)設(shè)備資源節(jié)約、能耗降低和成本下降。

本文擬通過分析風(fēng)冷式冷凝型和水冷式冷凝型空調(diào)的制冷方式和工作原理，對比兩者的區(qū)別，針對夏季室外高溫環(huán)境下風(fēng)冷冷凝效果不佳的現(xiàn)狀，來探索風(fēng)冷空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能改造的可行性方案。

1 空調(diào)制冷方式

通信機房常用空調(diào)制冷方式根據(jù)室外冷卻方式不同分為以下兩種。

（1） 利用風(fēng)冷冷凝器盤管將冷媒熱量帶出機房外，在室外將冷媒降溫再循環(huán)回室內(nèi)吸收熱量，稱作“風(fēng)冷式冷凝機組”。

（2） 利用水冷冷凝器盤管蒸發(fā)將冷媒帶出機房外，通過中間板式換熱器將冷媒降溫再循環(huán)回室內(nèi)吸收熱量，稱作“水冷式冷凝機組”。

風(fēng)冷式冷凝機組如圖1所示，是風(fēng)冷式直接膨脹機組從房間里吸取熱量通過冷凝器傳遞到室外空氣中；機組安裝完畢后，室內(nèi)機組和室外冷凝器構(gòu)成閉合回路。風(fēng)冷式冷凝型空調(diào)制冷系統(tǒng)管路相對獨立，安裝方便快捷，適用于水源缺乏的地區(qū)和無冷卻水系統(tǒng)的場所。但是制冷劑管路的水平距離和垂直距離有長度限制，在屋頂和外墻安裝風(fēng)冷冷凝器易受環(huán)境溫度影響制冷效率。

水冷式冷凝空調(diào)如圖2所示，是水冷式直接膨脹機組從房間吸取的熱量通過制冷劑至內(nèi)置板式換熱器傳送到水冷冷凝器中。冷卻水可以由供水管道、冷卻塔或者水井供應(yīng)，或者在一個帶有外置干冷器的密封回路中運行。我國北方地區(qū)選用冷卻水通常采用抗凍的水和乙二醇的混合物代替我國南方地區(qū)常用的水。水冷式冷凝空調(diào)機組適用于有集中冷卻水系統(tǒng)的場所。水冷式冷凝機組利用水作為載體，其能效比風(fēng)冷式機組高，在夏季高溫環(huán)境下機組運行穩(wěn)定；但是管路系統(tǒng)也較為復(fù)雜，水冷冷凝器安裝受室外場地承重等限制。

圖1 風(fēng)冷型空調(diào)系統(tǒng)

2 空調(diào)系統(tǒng)區(qū)別

風(fēng)冷式冷凝空調(diào)系統(tǒng)最大的缺點是制冷效率低，由于每一組空調(diào)都自帶壓縮機，精密空調(diào)的制冷系數(shù)極低，一般不超過3.0。對于建設(shè)面積越來越大型化和服務(wù)器發(fā)熱量越來越大的新建數(shù)據(jù)中心而言，使用風(fēng)冷一內(nèi)機拖一外機的精密空調(diào)配置將會耗費巨大的電能。

2.1 名義工況性能系數(shù)（CoP）

為了衡量制冷壓縮機在制冷或制熱方面的熱力經(jīng)濟性，常采用名義工況性能系數(shù)（CoP）這個指標(biāo)。CoP名義工況性能系數(shù)是在規(guī)定工況下，機組以同一單位表示的制冷（熱）量除以總輸入電功率得出的比值，即CoP =制冷量/耗電量。參考《公共建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)GB50189-2015》標(biāo)準(zhǔn)，在夏熱冬冷地區(qū)，例如上海，風(fēng)冷式冷凝器渦旋式空調(diào)機組CoP通常在3.0左右，而水冷式冷凝器渦旋式空調(diào)機組CoP則高達(dá)4.4。這是由于水冷冷凝器冷凝溫度與室外濕球溫度有關(guān)，風(fēng)冷冷凝器冷凝溫度與室外干球溫度有關(guān)，通常濕球溫度低于干球溫度，所以水冷冷凝器的冷凝壓力低于風(fēng)冷冷凝器的冷凝壓力，如圖3所示中水冷冷凝器的冷凝壓力為P1，風(fēng)冷冷凝器的冷凝壓力為P2，因此，水冷式空調(diào)焓值h1大于h2，其性能系數(shù)CoP理論上優(yōu)于風(fēng)冷式冷凝空調(diào)系統(tǒng)。

圖2 水冷型空調(diào)系統(tǒng)

圖3 壓力與焓值

2.2 風(fēng)冷式冷凝器常見問題

以往通信建造和數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)大量采用風(fēng)冷式冷凝空調(diào)設(shè)計，造成大量的室外機聚集在一起，在屋頂或外墻形成了相對高溫的微氣候環(huán)境，風(fēng)冷式冷凝機組長期工作在高溫環(huán)境，直接降低了制冷效果。

通過CFD軟件模擬屋頂空間集中布置風(fēng)冷式冷凝機組群，在室外干球溫度15℃和35℃情況下，風(fēng)冷式冷凝機組群形成的熱壓煙囪效應(yīng)，在沒有主導(dǎo)風(fēng)影響下，造成風(fēng)冷式冷凝機組出風(fēng)溫度超過50℃，并且風(fēng)冷式冷凝機組群間熱氣流相互干擾。

通過CFD軟件模擬外墻空間集中布置風(fēng)冷式冷凝機組群，熱氣流由于密度小，會形成自然上升氣流，對于上側(cè)的風(fēng)冷式冷凝室外機組來講，會形成熱氣流的回流，并且隨著建筑高度提升，風(fēng)冷式冷凝室外機組室外機的散熱越差。由于上述熱流干擾的存在，隨著通信機房負(fù)荷的增加，夏季高溫出現(xiàn)空調(diào)系統(tǒng)高壓報警，這是成為了必然的現(xiàn)象。

3 風(fēng)冷式冷凝空調(diào)系統(tǒng)改造方案

通信樞紐樓空調(diào)制冷需求是全年性的，即24（小時/天）×365天，如何保證空調(diào)系統(tǒng)安全運行同時有效降低制冷能耗成為節(jié)能減排工作的重中之重。對于水資源豐富的上?；蚱渌Y源豐富地區(qū)，通信樞紐樓空調(diào)冷卻系統(tǒng)建議采用水冷式冷凝空調(diào)系統(tǒng)，充分合理利用水資源進(jìn)行原有風(fēng)冷式冷凝空調(diào)系統(tǒng)改良和優(yōu)化，為已建或新建通信樞紐樓空調(diào)節(jié)能減排工作的落實，提供理論研究和改造參考。

針對已建的風(fēng)冷式冷凝空調(diào)系統(tǒng)，需要結(jié)合現(xiàn)場屋頂建造結(jié)構(gòu)情況和承重條件，布置對應(yīng)風(fēng)冷式冷凝器的水冷式換熱器以及冷卻水塔系統(tǒng)。在每組風(fēng)冷冷凝器后端串聯(lián)一套水冷換熱器，通過循環(huán)水泵將冷卻水從冷卻塔內(nèi)輸送到水冷換熱器內(nèi)，將空調(diào)系統(tǒng)的制冷劑進(jìn)一步冷凝換熱，再將水循環(huán)到冷卻塔內(nèi)，通過冷卻水塔降溫，再一次傳輸?shù)剿鋼Q熱器內(nèi)。不僅可以增加空調(diào)系統(tǒng)的冷凝換熱量，而且有效降低空調(diào)的冷凝壓力和冷凝風(fēng)機的工作負(fù)荷。改良方案系統(tǒng)圖如圖4所示。

圖4 改良方案系統(tǒng)圖

具體實施方案如下。

（1）把原來的風(fēng)冷冷凝器串聯(lián)殼管式換熱器，安裝在原風(fēng)冷室外機的上方或下方。殼管式冷凝器按照風(fēng)冷100%設(shè)計考慮。高壓的冷媒氣體通過殼管式換熱器與水進(jìn)行充分的熱交換，冷媒由氣體變成氣液混合物。換熱量可以通過調(diào)節(jié)殼管式換熱器的閥門去調(diào)節(jié)，使得冷凝壓力保持在精密空調(diào)合適運行壓力范圍之內(nèi)。使水系統(tǒng)正常運行情況下，風(fēng)冷系統(tǒng)不運行，達(dá)到降噪的效果。

（2）在樓頂承重條件許可情況下，增設(shè)冷卻塔，做好主備用，冷卻塔與水冷冷凝器之間采用銅管連接。冷卻塔設(shè)計為37℃/32℃進(jìn)出水的換熱溫差。

（3）增設(shè)循環(huán)水泵，做好主備用，使冷卻水能夠在水塔與換熱器之間完成換熱循環(huán)。施工前應(yīng)考慮到通信大樓各層均為在用通信機房，精密空調(diào)不能全部停機改造，所以施工時先預(yù)安裝樓頂冷卻塔與各層的冷卻水管道、水冷換熱器、水泵、及電源線。待冷卻水路管道系統(tǒng)和冷卻水塔全部安裝完成，先對冷卻水系統(tǒng)進(jìn)行測試，待水系統(tǒng)運行正常后再將冷媒管與水冷換熱器連接。施工期間按照通信機房為單位，逐臺割接逐臺并網(wǎng)，即連接一臺精密空調(diào)并調(diào)試成功并網(wǎng)后施工下一臺精密空調(diào)，以確保工程改造不影響機房設(shè)備的正常運行。

（4）增設(shè)一套水系統(tǒng)自動制藥系統(tǒng)，能夠根據(jù)冷卻水塔水的清潔度指標(biāo)進(jìn)行自動投藥，以保證開式系統(tǒng)內(nèi)冷卻水質(zhì)，確保水冷換熱器運行正常。

冷卻水系統(tǒng)示意圖如圖5所示。

圖5 冷卻系統(tǒng)示意圖

4 結(jié)束語

經(jīng)改造的風(fēng)冷式冷凝空調(diào)系統(tǒng)可在夏季時采用水冷冷卻，冬季時采用風(fēng)冷冷卻。根據(jù)某通信運營商對華東地區(qū)6省1市20例以上的試點案例證明，上述改造后水冷式冷凝空調(diào)系統(tǒng)在夏熱冬冷氣候區(qū)的全負(fù)荷工況下，水冷式冷凝空調(diào)機組耗電量比風(fēng)冷式冷凝空調(diào)機組節(jié)能14%。

雖然風(fēng)冷式機組的初投資要比水冷式機組的初投資低，風(fēng)冷式機組的單位制冷量運行成本略高于水冷式機組，如何通過各類節(jié)能技改手段來實現(xiàn)已建風(fēng)冷式冷凝空調(diào)系統(tǒng)安全高效節(jié)能運行是通信行業(yè)未來節(jié)能減排實踐之路。

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