通信机房风冷空调节能改造

黄赟，丁聪

(1 中国移动通信集团上海有限公司，上海 200060；2 上海邮电设计咨询研究院有限公司，上海 200092）

目前在通信运营商的能耗构成中，通信机房的能耗占主要地位，不同类型的通信机房的能耗占比相差较大。

根据国发〔2016〕74号《国务院关于印发“十三五”节能减排综合工作方案的通知》，为贯彻落实国家节能减排战略，进一步提高资源运行的效率，促进企业循环发展、绿色发展、低成本高效益发展，在运营各环节中挖掘节能潜力，推广落实节能措施，营造健康的行业生态环境，实现设备资源节约、能耗降低和成本下降。

本文拟通过分析风冷式冷凝型和水冷式冷凝型空调的制冷方式和工作原理，对比两者的区别，针对夏季室外高温环境下风冷冷凝效果不佳的现状，来探索风冷空调系统节能改造的可行性方案。

1 空调制冷方式

通信机房常用空调制冷方式根据室外冷却方式不同分为以下两种。

（1） 利用风冷冷凝器盘管将冷媒热量带出机房外，在室外将冷媒降温再循环回室内吸收热量，称作“风冷式冷凝机组”。

（2） 利用水冷冷凝器盘管蒸发将冷媒带出机房外，通过中间板式换热器将冷媒降温再循环回室内吸收热量，称作“水冷式冷凝机组”。

风冷式冷凝机组如图1所示，是风冷式直接膨胀机组从房间里吸取热量通过冷凝器传递到室外空气中；机组安装完毕后，室内机组和室外冷凝器构成闭合回路。风冷式冷凝型空调制冷系统管路相对独立，安装方便快捷，适用于水源缺乏的地区和无冷却水系统的场所。但是制冷剂管路的水平距离和垂直距离有长度限制，在屋顶和外墙安装风冷冷凝器易受环境温度影响制冷效率。

水冷式冷凝空调如图2所示，是水冷式直接膨胀机组从房间吸取的热量通过制冷剂至内置板式换热器传送到水冷冷凝器中。冷却水可以由供水管道、冷却塔或者水井供应，或者在一个带有外置干冷器的密封回路中运行。我国北方地区选用冷却水通常采用抗冻的水和乙二醇的混合物代替我国南方地区常用的水。水冷式冷凝空调机组适用于有集中冷却水系统的场所。水冷式冷凝机组利用水作为载体，其能效比风冷式机组高，在夏季高温环境下机组运行稳定；但是管路系统也较为复杂，水冷冷凝器安装受室外场地承重等限制。

图1 风冷型空调系统

2 空调系统区别

风冷式冷凝空调系统最大的缺点是制冷效率低，由于每一组空调都自带压缩机，精密空调的制冷系数极低，一般不超过3.0。对于建设面积越来越大型化和服务器发热量越来越大的新建数据中心而言，使用风冷一内机拖一外机的精密空调配置将会耗费巨大的电能。

2.1 名义工况性能系数（CoP）

为了衡量制冷压缩机在制冷或制热方面的热力经济性，常采用名义工况性能系数（CoP）这个指标。CoP名义工况性能系数是在规定工况下，机组以同一单位表示的制冷（热）量除以总输入电功率得出的比值，即CoP =制冷量/耗电量。参考《公共建筑节能设计标准GB50189-2015》标准，在夏热冬冷地区，例如上海，风冷式冷凝器涡旋式空调机组CoP通常在3.0左右，而水冷式冷凝器涡旋式空调机组CoP则高达4.4。这是由于水冷冷凝器冷凝温度与室外湿球温度有关，风冷冷凝器冷凝温度与室外干球温度有关，通常湿球温度低于干球温度，所以水冷冷凝器的冷凝压力低于风冷冷凝器的冷凝压力，如图3所示中水冷冷凝器的冷凝压力为P1，风冷冷凝器的冷凝压力为P2，因此，水冷式空调焓值h1大于h2，其性能系数CoP理论上优于风冷式冷凝空调系统。

图2 水冷型空调系统

图3 压力与焓值

2.2 风冷式冷凝器常见问题

以往通信建造和数据中心空调系统大量采用风冷式冷凝空调设计，造成大量的室外机聚集在一起，在屋顶或外墙形成了相对高温的微气候环境，风冷式冷凝机组长期工作在高温环境，直接降低了制冷效果。

通过CFD软件模拟屋顶空间集中布置风冷式冷凝机组群，在室外干球温度15℃和35℃情况下，风冷式冷凝机组群形成的热压烟囱效应，在没有主导风影响下，造成风冷式冷凝机组出风温度超过50℃，并且风冷式冷凝机组群间热气流相互干扰。

通过CFD软件模拟外墙空间集中布置风冷式冷凝机组群，热气流由于密度小，会形成自然上升气流，对于上侧的风冷式冷凝室外机组来讲，会形成热气流的回流，并且随着建筑高度提升，风冷式冷凝室外机组室外机的散热越差。由于上述热流干扰的存在，随着通信机房负荷的增加，夏季高温出现空调系统高压报警，这是成为了必然的现象。

3 风冷式冷凝空调系统改造方案

通信枢纽楼空调制冷需求是全年性的，即24（小时/天）×365天，如何保证空调系统安全运行同时有效降低制冷能耗成为节能减排工作的重中之重。对于水资源丰富的上海或其它水资源丰富地区，通信枢纽楼空调冷却系统建议采用水冷式冷凝空调系统，充分合理利用水资源进行原有风冷式冷凝空调系统改良和优化，为已建或新建通信枢纽楼空调节能减排工作的落实，提供理论研究和改造参考。

针对已建的风冷式冷凝空调系统，需要结合现场屋顶建造结构情况和承重条件，布置对应风冷式冷凝器的水冷式换热器以及冷却水塔系统。在每组风冷冷凝器后端串联一套水冷换热器，通过循环水泵将冷却水从冷却塔内输送到水冷换热器内，将空调系统的制冷剂进一步冷凝换热，再将水循环到冷却塔内，通过冷却水塔降温，再一次传输到水冷换热器内。不仅可以增加空调系统的冷凝换热量，而且有效降低空调的冷凝压力和冷凝风机的工作负荷。改良方案系统图如图4所示。

图4 改良方案系统图

具体实施方案如下。

（1）把原来的风冷冷凝器串联壳管式换热器，安装在原风冷室外机的上方或下方。壳管式冷凝器按照风冷100%设计考虑。高压的冷媒气体通过壳管式换热器与水进行充分的热交换，冷媒由气体变成气液混合物。换热量可以通过调节壳管式换热器的阀门去调节，使得冷凝压力保持在精密空调合适运行压力范围之内。使水系统正常运行情况下，风冷系统不运行，达到降噪的效果。

（2）在楼顶承重条件许可情况下，增设冷却塔，做好主备用，冷却塔与水冷冷凝器之间采用铜管连接。冷却塔设计为37℃/32℃进出水的换热温差。

（3）增设循环水泵，做好主备用，使冷却水能够在水塔与换热器之间完成换热循环。施工前应考虑到通信大楼各层均为在用通信机房，精密空调不能全部停机改造，所以施工时先预安装楼顶冷却塔与各层的冷却水管道、水冷换热器、水泵、及电源线。待冷却水路管道系统和冷却水塔全部安装完成，先对冷却水系统进行测试，待水系统运行正常后再将冷媒管与水冷换热器连接。施工期间按照通信机房为单位，逐台割接逐台并网，即连接一台精密空调并调试成功并网后施工下一台精密空调，以确保工程改造不影响机房设备的正常运行。

（4）增设一套水系统自动制药系统，能够根据冷却水塔水的清洁度指标进行自动投药，以保证开式系统内冷却水质，确保水冷换热器运行正常。

冷却水系统示意图如图5所示。

图5 冷却系统示意图

4 结束语

经改造的风冷式冷凝空调系统可在夏季时采用水冷冷却，冬季时采用风冷冷却。根据某通信运营商对华东地区6省1市20例以上的试点案例证明，上述改造后水冷式冷凝空调系统在夏热冬冷气候区的全负荷工况下，水冷式冷凝空调机组耗电量比风冷式冷凝空调机组节能14%。

虽然风冷式机组的初投资要比水冷式机组的初投资低，风冷式机组的单位制冷量运行成本略高于水冷式机组，如何通过各类节能技改手段来实现已建风冷式冷凝空调系统安全高效节能运行是通信行业未来节能减排实践之路。

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