通信機(jī)房蒸發(fā)式冷凝散熱關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用探討

閆 健，侯永濤，郭 凱，羅碩成，朱清峰

（1.中訊郵電咨詢?cè)O(shè)計(jì)院有限公司鄭州分公司，河南鄭州 450007；2.廣州華德工業(yè)有限公司，廣東廣州 510663）

1 分散風(fēng)冷單元式空調(diào)系統(tǒng)存在的問題

據(jù)統(tǒng)計(jì)全國(guó)運(yùn)營(yíng)商通信機(jī)房樓約6 800個(gè)，80%以上的機(jī)房制冷方案為分散風(fēng)冷單元式空調(diào)系統(tǒng)，分散風(fēng)冷單元式空調(diào)系統(tǒng)為互相獨(dú)立的風(fēng)冷空調(diào)模塊，采用N＋X冗余配置，這種制冷系統(tǒng)的特點(diǎn)是布置較為靈活，因各制冷單元為獨(dú)立的風(fēng)冷空調(diào)模塊，其安全性高，同時(shí)便于分期擴(kuò)容建設(shè)。

隨著機(jī)房DC 化及業(yè)務(wù)的增長(zhǎng)，機(jī)房散熱負(fù)荷急劇增大，現(xiàn)有分散風(fēng)冷單元式空調(diào)系統(tǒng)面臨能耗及運(yùn)營(yíng)成本的壓力，同時(shí)該系統(tǒng)本身也存在明顯的弊端。

1.1 散熱不暢

風(fēng)冷室外機(jī)之間擺放密集，造成熱氣回流，極易產(chǎn)生“熱島”現(xiàn)象，引起冷凝壓力超限，造成空調(diào)機(jī)組頻繁高壓告警，尤其在炎熱夏季，室外機(jī)可靠運(yùn)行及機(jī)房安全面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。圖1反映了2016年中國(guó)聯(lián)通某樞紐樓壓縮機(jī)高壓告警頻次，該樞紐樓采用分散風(fēng)冷單元式空調(diào)系統(tǒng)，5 月份告警頻次為16 次，6 月份告警頻次為64 次，7 月份高溫形勢(shì)尤其嚴(yán)峻，共發(fā)生了123 次壓縮機(jī)高壓告警。

圖1 空調(diào)壓縮機(jī)高壓告警

1.2 風(fēng)冷式空調(diào)能效比低

風(fēng)冷式冷凝器設(shè)計(jì)冷凝溫度應(yīng)比夏季空氣調(diào)節(jié)室外計(jì)算干球溫度高15℃，室外機(jī)主要依靠冷凝器與空氣之間強(qiáng)制對(duì)流換熱實(shí)現(xiàn)熱量轉(zhuǎn)移，在冷凝散熱面積一定的條件下，空調(diào)能效比及散熱效率隨室外溫度的升高而降低。表1 對(duì)比了風(fēng)冷式、水冷式及蒸發(fā)式冷凝散熱系統(tǒng)能效，從中可以看出風(fēng)冷式散熱的冷源側(cè)Scop低于水冷式和蒸發(fā)式冷凝散熱。

表1 幾種冷凝散熱方式的冷源系統(tǒng)性能

1.3 空間占用

現(xiàn)有通信機(jī)房大量的風(fēng)冷式空調(diào)室外機(jī)占用較多的空間面積，室外機(jī)一般是平鋪或安裝于機(jī)房樓外立面平臺(tái)上，在空間受限的條件下，室外機(jī)之間擺放密集難擴(kuò)容。圖2 為分散風(fēng)冷單元式空調(diào)系統(tǒng)布置原理，一臺(tái)室內(nèi)機(jī)對(duì)應(yīng)一臺(tái)室外機(jī)。圖3為大量室外側(cè)風(fēng)冷室外機(jī)密集擺放屋面，占用屋面空間面積，同時(shí)引起局部“熱島”現(xiàn)象。

圖2 分散風(fēng)冷式空調(diào)系統(tǒng)

圖3 室外機(jī)密集擺放

1.4 噪聲擾民

風(fēng)冷室外機(jī)噪聲來源主要分為動(dòng)力性噪聲和機(jī)械性噪聲。動(dòng)力性噪聲是指設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)、通風(fēng)散熱打破原有空氣壓力平衡，使空氣之間摩擦產(chǎn)生的噪聲，而機(jī)械性噪聲主要是指室外散熱風(fēng)機(jī)的電機(jī)振動(dòng)引起的噪聲。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《聲環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3096-2008）對(duì)各功能區(qū)環(huán)境噪聲的限值規(guī)定見表2。

表2 環(huán)境噪聲限值

運(yùn)營(yíng)商機(jī)房產(chǎn)生的噪聲可按照2類功能區(qū)的限值要求進(jìn)行消聲降噪，即白天噪聲≤60 dB（A），夜間噪聲≤50 dB（A），由于通信機(jī)房全年24 h 不間斷制冷，且風(fēng)冷室外機(jī)噪聲的疊加效應(yīng)，使得通信機(jī)房噪聲超出噪聲限值，屢遭附近居民區(qū)投訴。

2 風(fēng)冷室外機(jī)散熱解決方案

采用高效多聯(lián)共享蒸發(fā)式冷凝散熱機(jī)組替代現(xiàn)有風(fēng)冷室外機(jī)，風(fēng)冷室外機(jī)可全部移除，節(jié)省占地空間，提高冷凝換熱系數(shù)和整機(jī)能效水平。

2.1 蒸發(fā)式冷凝散熱技術(shù)原理

蒸發(fā)式冷凝器不同于風(fēng)冷式冷凝器和水冷式冷凝器，蒸發(fā)式冷凝器利用未飽和的干濕球溫差實(shí)現(xiàn)換熱，其實(shí)質(zhì)是水的飽和蒸氣壓和空氣中水蒸氣分壓的差值，主流空氣的水蒸氣分壓力低于飽和空氣層，將會(huì)產(chǎn)生壓差作為推動(dòng)力，促進(jìn)水不斷向空氣中蒸發(fā)進(jìn)行潛熱換熱，同時(shí)伴隨著冷凝器壁面與水膜的顯熱交換。蒸發(fā)式冷凝器主要利用潛熱傳遞熱量以達(dá)到冷卻的目的，它的傳熱傳質(zhì)過程由2個(gè)部分組成。

a）熱量通過換熱管內(nèi)壁傳到外壁，然后被管外壁水膜吸收，傳熱的驅(qū)動(dòng)力來自于制冷劑和水膜的溫差。

b）熱量通過水膜與空氣的熱質(zhì)交換釋放給空氣，傳熱的驅(qū)動(dòng)力取決于兩者的焓差。

由此可見，蒸發(fā)式冷凝器主要利用流經(jīng)換熱盤管的水膜中部分水的汽化潛熱，這與風(fēng)冷式和水冷式冷凝器利用顯熱來吸收制冷劑蒸氣的熱量是完全不同的。蒸發(fā)式冷凝空調(diào)系統(tǒng)如圖4所示。

圖4 蒸發(fā)式冷凝空調(diào)系統(tǒng)

2.2 多聯(lián)共享高效蒸發(fā)式冷凝散熱技術(shù)應(yīng)用

該方案采用多聯(lián)共享高效蒸發(fā)式冷凝散熱機(jī)組替代現(xiàn)有8 臺(tái)風(fēng)冷室外機(jī)，現(xiàn)有風(fēng)冷單元式空調(diào)系統(tǒng)單臺(tái)制冷量為80 kW，則總制冷量為640 kW，能效比按3.2 考慮，則總散熱負(fù)荷為840 kW。針對(duì)多聯(lián)共享高效蒸發(fā)式冷凝散熱機(jī)組替代現(xiàn)有8臺(tái)風(fēng)冷室外機(jī)提出3種應(yīng)用方案。

2.2.1 方案1關(guān)鍵器件備份

方案1 系統(tǒng)配置如表3 所示。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，2 臺(tái)蒸發(fā)式冷凝機(jī)組同時(shí)工作，原空調(diào)系統(tǒng)8+1冗余配置，共分為16個(gè)獨(dú)立的小系統(tǒng)，采用蒸發(fā)式冷凝機(jī)組后不改變?cè)到y(tǒng)數(shù)量和形式，而蒸發(fā)式冷凝機(jī)組進(jìn)行風(fēng)機(jī)、噴淋循環(huán)泵等關(guān)鍵器件的冗余備份，以保證系統(tǒng)安全可靠。方案1系統(tǒng)管路連接示意圖如圖5所示。

圖5 方案1系統(tǒng)管路連接示意圖

表3 方案1系統(tǒng)配置

2.2.2 方案2機(jī)組備份

如表4 所示，該方案選取2 臺(tái)WLNC840G16-A 同型號(hào)蒸發(fā)式冷凝機(jī)組替代原8 臺(tái)風(fēng)冷室外機(jī)，系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，蒸發(fā)式冷凝機(jī)組采用1 用1 備的模式，系統(tǒng)管路冗余備份。方案2系統(tǒng)管路連接示意如圖6所示。

圖6 方案2系統(tǒng)管路連接示意圖

表4 方案2系統(tǒng)配置

2.2.3 方案3機(jī)組2+1備份

方案3 機(jī)組2+1 備份如表5 所示。該方案選取3臺(tái)WLNC420GB-A 同型號(hào)蒸發(fā)式冷凝機(jī)組替代原8 臺(tái)風(fēng)冷室外機(jī)，系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，蒸發(fā)式冷凝機(jī)組采用2 用1備的模式，系統(tǒng)管路冗余備份。方案3 系統(tǒng)管路連接示意圖如圖7所示。

圖7 方案3系統(tǒng)管路連接示意圖

表5 方案3系統(tǒng)配置

2.3 經(jīng)濟(jì)性測(cè)算

針對(duì)機(jī)房風(fēng)冷室外機(jī)采用蒸發(fā)式冷凝機(jī)組進(jìn)行替換方案，分析風(fēng)冷單元式空調(diào)系統(tǒng)和蒸發(fā)式冷凝系統(tǒng)全年能耗情況，計(jì)算采用蒸發(fā)式冷凝機(jī)組系統(tǒng)的節(jié)電百分比并綜合系統(tǒng)投資及施工費(fèi)用，測(cè)算采用蒸發(fā)式冷凝機(jī)組后的投資收益。運(yùn)行能耗分析如表6 所示。投資收益測(cè)算如表7所示。

表6 運(yùn)行能耗分析

表7 投資收益測(cè)算

3 系統(tǒng)維護(hù)及防垢化

蒸發(fā)式冷凝機(jī)組高溫氣態(tài)冷媒經(jīng)換熱管與管外壁水膜之間實(shí)現(xiàn)換熱，高溫壁面導(dǎo)致水膜溫度升高，冷卻水雜質(zhì)極易附著在換熱管外壁面形成垢層，影響換熱。蒸發(fā)式冷凝器表面結(jié)垢主要有以下幾個(gè)原因。

a）冷卻水與制冷劑蒸氣的溫差較大，換熱管表面的冷卻水蒸發(fā)速度快，形成干點(diǎn)。

b）冷卻水水質(zhì)硬度高、冷卻水吸附進(jìn)口空氣中含的有各種雜質(zhì)。

c）冷卻水溫度過高，導(dǎo)致鈣離子溶解度大幅降低而析出附著。

d）換熱面存在背風(fēng)面，背風(fēng)面由于熱量積聚，使得該部分冷卻水溫度高，析出的鈣離子吸附形成結(jié)垢。

為避免蒸發(fā)式冷凝器存在結(jié)垢的風(fēng)險(xiǎn)，機(jī)組設(shè)計(jì)冷凝溫度為38℃（含）以下，使得冷卻水溫度在35℃以下，保障鈣離子的高溶解度，避免鈣離子在換熱時(shí)大量析出；機(jī)組采用平面液膜蒸發(fā)式冷凝技術(shù)，可使換熱表面全冷卻水覆蓋，并且無背風(fēng)面，有效防止換熱表面結(jié)垢。

降低水質(zhì)硬度，可通過電化學(xué)方式，直接從循環(huán)水中吸取垢質(zhì)及其他雜質(zhì)，循環(huán)水使用過程中不斷濃縮的結(jié)垢成分得到同步去除，從源頭消除了水結(jié)垢產(chǎn)生的危害。圖8 為電化學(xué)除垢原理圖，其中惰性陽極表面發(fā)生氧化反應(yīng)生成活性氧、有效氯等氧化性物質(zhì)，而陰極表面發(fā)生還原反應(yīng)產(chǎn)生氫氧根離子，氫氧根離子與Ca（HCO3）2反應(yīng)產(chǎn)生CaCO3。

圖8 電化學(xué)除垢原理

同時(shí)機(jī)組采用自動(dòng)排污換水控制技術(shù)，通過監(jiān)控水溫、機(jī)組運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)以及水質(zhì)硬度等參數(shù)，對(duì)機(jī)組實(shí)行自動(dòng)排污換水控制，在節(jié)約用水的前提下，保障冷卻水系統(tǒng)水質(zhì)。

4 結(jié)束語

蒸發(fā)式冷凝散熱作為一種高效的冷凝散熱方式用于解決運(yùn)營(yíng)商通信機(jī)房分散風(fēng)冷單元式空調(diào)室外機(jī)夏季高壓告警問題具有較好的應(yīng)用效果，可降低冷凝溫度，提升機(jī)組能效。本文提出3 種多聯(lián)共享高效蒸發(fā)式冷凝散熱機(jī)組替代現(xiàn)有風(fēng)冷室外機(jī)的方案，分別對(duì)其節(jié)能率和經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行測(cè)算，3 種應(yīng)用方案節(jié)能率相近，由于方案及設(shè)備價(jià)格差異，理論投資回收期為15至27個(gè)月，此外采用多聯(lián)共享高效蒸發(fā)式冷凝散熱機(jī)組在降噪和節(jié)地方面，也具有明顯的優(yōu)勢(shì)，蒸發(fā)冷凝散熱技術(shù)具有較好的應(yīng)用前景，最后分析了蒸發(fā)式冷凝器結(jié)垢機(jī)理及防治措施。