通信机楼风冷空调间接水冷改造研究

黄 赟 倪昀炜 柯 成

中国移动通信集团上海有限公司

0 背景

随着5G移动通信业务迅猛发展，通信机楼服务器等设备频发扩容，导致空调系统亦不断扩建。目前，通信机房内大都采用风冷空调，专用的风冷空调冷凝器通常采用风冷散热方式，即将冷凝器外设在墙体外，在冷凝器外部加装强排风散热系统，通过大功率风扇加速冷凝器周围空气流动达到散热目的。

以某通信机楼为例，该楼空调室外冷凝器已达百台，室外风机总循环风量高达200万m3/h以上，不仅产生较大噪声，且影响周边环境，在周边形成严重的热岛效应。此外，风机在夏季运行时高压保护易动作，导致风冷空调群组停机，使通信机房环境超温，严重影响通信网络设备安全运行。另一方面，在全球变暖趋势下，夏季气温不断攀升，室外冷凝器散热受到影响，风机长时间满负荷运行消耗大量电能，据统计，上海某运营商通信机楼风冷空调全年消耗的电力占总能耗的41%，可见，风冷空调安全运行与节能降耗是迫切需要解决的问题。

1 设计思路与技术原理

风冷空调制冷循环技术原理与普通空调类似，即将低温低压气态冷却剂通过压缩机压缩为高温高压气态冷却剂，然后送到室外冷凝器散热后成为低温高压液态冷却剂，再经节流阀节流后进入室内蒸发器，此时的液态冷却剂汽化成了气态低温冷却剂，且在汽化过程中吸收大量的热，通过室内机风扇将室内空气从蒸发器吹过，带来冷风，然后气态冷却剂回到压缩机继续被压缩，进入下一个循环。制热时通过四通阀，冷却剂在冷凝器与蒸发器之间的流动方向与制冷时相反。

现有风冷机组主要存在以下缺陷：

①在夏季，太阳直射造成屋顶高温，使布置于室外的冷凝器矩阵之间形成热量干扰与叠加，热量急速聚集后使风冷空调制冷剂高压报警，导致风冷空调群组停机，通信机房环境超温，严重影响通信网络设备安全运行。

②由于风冷空调自身通风特性的要求使室外机长期遭受日晒雨淋，机件易老化，冷却剂连接口易松动等，导致冷却剂流失，需时常补充。

③强排散热过程中，风机会产生45～65分贝噪音，而通信机楼通常都装有上百台室外风机，噪音污染特别大。

④排向室外的热风会产生空气湍流，使周边温度升高，增加了制冷工况温度，加剧了城市热岛效应。

为解决上述缺陷，项目选取了某机楼进行试验试点，通过改造前后数据对比，得出该风冷空调技术改造方案在同类机房中更具备推广和借鉴价值。

1）设计思路

基于室外冷凝器矩阵环境易形成热量干扰与叠加，为改善散热效果，技术专家组首先考虑采用优质比热容换热方案，即在原有风冷空调制冷系统中串联一套水冷换热器，形成由水冷冷凝器、水泵、冷却塔组成的间接水冷系统和原有风冷空调制冷系统共同完成散热强化。间接水冷系统产生的热负荷由冷却水系统置换到屋面冷却塔进行散热。

2）工作原理

在风冷冷凝器后端串联水冷换热器，通过冷却循环水泵将低温冷却水从冷却水塔输送到水冷换热器与风冷空调系统制冷剂进一步冷凝换热，吸热后的高温冷却水通过冷却循环水泵循环至冷却水塔内降温，降温后的冷却水再循环到水冷换热器。上述循环可增加风冷空调系统的冷凝换热量，能有效降低空调冷凝压力和冷凝风机工作负荷，同时解决风冷空调高压报警停机、冷凝风机工作噪音和风冷空调能耗高的问题。间接水冷系统单机技术原理见图1。

图1 间接水冷系统单机技术原理图

3）技术方案

间接水冷系统设计选用无风机冷却水塔，水塔提供冷却水源及补水定压系统与水冷换热器的连接。补水定压系统中的水泵使冷却水在冷却水塔与水冷换热器中循环。冷却水塔保证7℃换热温差，其安装需校核建筑承载要求。

水冷换热器选用壳管式双系统水冷换热器，换热量依据风冷空调散热量，尺寸控制在风冷冷凝器可安装区域，通常位于原有风冷冷凝器支架底部，以减少占地面积。水冷换热器外壳需喷塑处理，以在室外潮湿等极端天气下不发生锈蚀情况。

间接水冷系统机群技术原理见图2。

2 试验试点运行评估与经济性分析

试验试点为通信机楼8楼。

1）通信机楼概况

选取的通信机楼主要承担数据存储、传输等业务，机楼共装有机房通信专用空调106台（含室外风机），该机楼内单机架最高功耗已超过5 kW，散热较高，对机房工作不利，且室外风机装机也较密集，对通信机工作造成很大影响，故急需改造空调系统以保证机房运行稳定。

2）设备选型

壳管式双系统水冷换热器：换热量20 kW+20 kW、直径260 mm、长度约900 mm；卧式离心水泵：规格KQW100/160-15/2、功率10 kW、扬程12 m；无风机静音冷却水塔:规格LFC-100、水流量80 t/h，换热温差7℃。

设备外观图见图3。

图2 间接水冷系统机群技术原理图

图3 壳管式水冷换热器、无风机静音冷却水塔、卧式离心水泵

3）运行测试分析

风冷空调间接水冷系统改造完毕后，在水泵启动和停止两种状态下，对通信机房空调设备配电柜24 h用电量进行了检测，结果见表1，开启状态耗电量为风冷空调加水泵的总耗电。

从数据可看出，对机房空调冷凝系统改造后，空调设备耗电量有了降低，节能效率为：[(水泵关闭状态日均耗电)-(水泵开启状态日均耗电)]/(水泵关闭状态日均耗电)×100%，即(5 226.5-4 927.5)/5 226.5×100%=5.72%

同时，对风冷空调设备的高低压压力及出回风温度进行了测试，见表2。

对表2中测得的数据进行制冷性能系数EER分析如下：

①水泵停止状态：

机房空调高压1.9 MPa，机房空调低压0.58 MPa。

高低压状态下相关参数为：

单压缩机制冷量Q=35.8 kW，单台风冷空调输入功率P=8.25 kW，系统风机功率Pfan1=2 kW，Pfan2=5.6 kW

制冷性能系EER=制冷量/制冷消耗功率=35.8×2/(8.25×2+2+5.6)=2.97

②水泵运行状态：

机房空调高压 1.6 Mpa，机房空调低压0.62 Mpa

Q=36.6 kW，P=7.7 kW，Pfan1=2 kW，Pfan2=5.6 kW

EER=73.2/(15.4+2+5.6)=3.18，制冷性能系数变化△EER%=(3.18-2.97)/2.97=7%

表1 风冷空调间接水冷系统改造前后用电量对比

表2 高低压压力及出回风温度对比

注:风冷机房空调为双压缩机双风机配置。

EER（Energy Efficiency Ratio）制冷性能系数，EER值越大，表示空调蒸发吸收的热量越多，压缩机消耗的电能越少，即消耗较少的电能获取更多的冷量。

通过上述试验数据可知，改造后，空调设备耗电量有了降低。

4）经济性分析

风冷空调间接水冷系统整体技术改造费用为190 000元，其中：

①冷却水塔：1座，50 000元

②壳管式水冷换热器：10台，2 600元/台，共计26 000元

③循环水泵：1台，5 000元

④冷却水系统管路、阀门、仪表、电器、控制柜：62 000元

⑤施工费、税费、利润共计：47 000元

年平均节能效率=[(水泵关闭状态日均耗电)-(水泵开启状态日均耗电)]/(水泵关闭状态日均耗电)×100%=(5 226.5-4 927.5)/5 226.5×100%=5.72%

投资回收期为=投资额/（风冷空调全年电费＊年节能率）=190 000/(10×8.25×2×24×365×5.72%)=2.3年

5）小结

间接水冷技术改造后，运行1年内风冷空调室外冷凝器无高压报警停机现象（同时期其他楼层单日最多发生42起），风冷空调制冷剂高压数值明显下降4 MPa，制冷性能系数提升7%；此外，无风机静音冷却水塔亦降低了噪音。从投资回报率分析，年平均节能率为5.72%，投资回收周期为2.3年。

3 通信机楼整体施工方案

施工顺序为先安装调试间接水冷系统，待间接水冷系统安装调试完毕后再与每层楼的风冷空调系统进行对接。

通信机楼2～8层安装了44套风冷机房空调，88台室外冷凝器。

施工方案如下：

①在楼顶铺设槽钢用以安装冷却水塔、循环水泵、水冷换热器、管道、支架等设备。

②在楼顶铺设350 mm镀锌钢管作为主供水管和回水管，钢管沿墙体边沿铺设。

③沿各层阳台侧边由上而下铺设350 mm渐变水管，末端尺寸80～125 mm。

图4 各楼层水系统连接示意图

④在各层阳台根部位置安装蝶阀和法兰。

⑤各层阳台沿外沿铺设125 mm渐变水管，末端尺寸40～50 mm。

⑥管道从阳台两侧与主供水管连接。

⑦在每台风冷冷凝器下部安装水冷换热器。

⑧换热器制冷管路按施工图与空调系统连接，并在两侧安装手动调节阀以方便调试和更换。

⑨水冷换热器与镀锌水管间采用软接丝牙连接，在进出水管处安装闸阀以方便维护和更换。

⑩冷却水系统安装调试完毕后再与制冷系统进行对接。

水系统与制冷系统对接不同楼层可同时进行，确保通信机楼运转。

各楼层水系统连接图见图4。

4 总结

通过间接水冷技术改造可行性分析和试验试点运行性能对比与经济性分析，间接水冷技术不仅全面解决了通信机楼风冷空调高能耗、高压停机、高噪声等问题，而且优化了风冷机房空调运行指标，具有较好的节能效果和较短的投资回收期，具有推广和借鉴价值。