风冷空调在特殊场景下运行可靠性研究和实现

方卫东，李海波，陈 佳

（中国联通东莞市分公司网络BG云网运营中心，广东 东莞 523009）

0 引 言

某运营商一个5G核心局房由办公楼改造而成，大楼外观弧形，占地面积11 025.4 m2，分AB区，地上总建筑面积1.2万m2，总装机容量1 120机柜。5G核心局房不仅对供电有高可靠要求，同时要求制冷系统停机不能超过2 min，否则机房高温将导致整个机房服务器宕机，因此需确保空调系统长时间可靠运行。本文对最先投入使用机房空调运行情况进行深入分析讨论[1]。

1 5G核心机房空调高压告警以及制冷量明显不足分析

一般情况，风冷空调高压告警主要有以下原因：（1）室外机脏堵，导致散热不良造成系统高压；（2）外风机异常，导致换热不足造成系统高压；（3）管路堵塞，冷媒集中排到凝器形成高压；（4）冷媒充注过多，堵塞凝器换热铜管导致系统压力高；（5）系统管路超长，阻力大造成高压；（6）系统不匹配，外机过小散热量高压报警；（7）高压报警部件损坏，系统误报警。

1.1 历史报警记录分析

本机房建设有11台（9主2备）风冷空调，单台空调制冷量为100 kW，采用2路电源供电。11台空调室外机全部放在本机房侧阳台，阳台宽1 500 mm为弧形。目前机房上架率为60%，实际运行功耗约设计功耗65%。

汇总该机房各空调故障情况、处理时间以及处理办法如表1所示。从表1中可以看出调整冷媒冲注只是临时措施，并非解决问题根本手段，且空调高压报警反复出现[2]。

表1 机房各空调故障情况、处理时间以及处理办法

1.2 高压报警故障原因分析

现场室外机产品安装，背面回风口距离300 mm左右（图1），不满足安装规范要求：最优距离≥600 mm（图2）。且外机安装过于集中（图3），导致产品运行时回风量不足，热量排不出去，容易形成热岛效应，易产生系统高压[3]。

图2 安装规范要求最优距离

图3 外机安装过于集中

楼面阳台呈弧形，且上面同样伸出阳台平面，造成此处为一圆切面凹槽空间，根据伯努利原理，流速越大，压力越小。当气流水平沿着墙体表面流动时，靠墙侧的气流会受到外部的压力，迫使气流往墙体侧挤压，如图4所示。

图4 气流水平沿着墙体表面流动

当外机散热时，热气流朝前风机四周吹出，由于外部气流压力及风机自身吸力的影响，热气不能排出到此处凹槽空间，导致整个凹槽处于高温热气空间，如图5所示。根据现场实际测试温度，同样验证此番理论。实际测试：外环境温度为24 ℃，室外机回风温度均在35 ℃以上，且部分温度达到44 ℃以上。栏杆以外检测不到任何热气流风速，且温度明显较低。

图5 凹槽处于高温热气空间

1.3 制冷效果不良分析

该数据中心机房设计机柜178个机柜，每个机柜负载4 kW，目前已启用106个机柜，平均功率为2.6 kW，设备总负载：106×2.6=275.6 kW。空调已运行7台，总制冷量未达到700 kW。

负荷计算：功率及面积法。

式中，Qt为总制冷，kW；Q1为室内设备负荷；Q2环境热负荷（0.14～0.18 kW/m2×机房面积）；Qt=275.6+500×0.18 kW=365.6 kW。

根据机房实际负载以及空调单机制冷量，实际需要配置空调：Qt×1.3=365.6×1.3 kW=475.28 kW，即现场只需要开启5台空调即可满足要求。

根据现场勘查，空调机组的出风口风速平均为4.6 m/s，出风温度18.6 ℃，回风温度28.1 ℃，相对湿度55%，计算制冷量：

式中，C为空气比热容，1.005 kJ/kg.℃；M为风量（质量流量）（风速×出风面积×密度（1.2 kg/m3））；T为进出风温差。

（1）空调制冷量偏低，达到额定90%制冷量。其主要原因:

a.室外机由于安装位置原因，散热不良，影响空调性能；

b.之前高压告警后多次调试冷媒充注量，对制冷效果造成不良影响。

（2）安装结构

a.现场风机未采用风机下沉式安装和安装导风管，风量直接吹向地面，再从四周散开，送风不精准，造成风量的损耗；

b.空调机组漏风，从机组正面及四周明显感觉到底部支架部分漏风。

2 空调可靠性运行研究与实现

2.1 可靠性运行研究

结合上述分析，需要从空调内部本身和改变外部安装环境上研究解决风冷空调出现的高压报警及制冷效果不良的状况[4]。

（1）空调系统增加储液罐

作用：避免空调运行过程中冷媒的加注导致的高压报警停机风险，同时确保夏季或冬季室温差变化机组正常运行。空调原理如图6所示。

图6 空调原理

a.储存制冷剂中的液体成分，降低冷凝器的负荷；

b.避免凝液在冷凝器中积存过多而使传热面积变小，影响冷凝器的传热效果；

c.适应蒸发器的负荷变动对供应量的需求在蒸发负荷增大时，供应量也增大，由储液器的冷媒补给；负荷变小时，需要液量也变小，多余的冷媒储存在储液器里；

d.降低了调试过程对制冷剂充注量的精度要求。

（2）调整室外机组安装位置

根据现场测试分析结果发现，机组高压报警主要由于室外侧回风及排风短路造成，调整外机安装位置是行之有效方案。方案如下：

a.两台室外机为一组，叠加安装，增加每组之间的空隙，间隙≥2 m（现场2 m）；

b.外机往阳台外移，在保障能够维修基础上，尽可能保证背面回风距离（现场800 mm）。

上述移位作用如下：

a.越靠外侧，受到的往内部挤压力越小，最终会趋于0，室外机往外移可以减少热气流回流；

b.背面回风口增大，同样会使回风风速降低，风速低，负压效果变弱，风也不容易回流；

c.增加每组之间距离，可以有效降低热流密度，减少局部热岛效应。

（3）重新灌装冷媒、提高送风阻力，减少冷量外泄

a.外机及储液罐安装后，重新调试空调设备，使机组在正常运行范围内运行，机组保持最优运行状况；

b.静电地板底部增加导风管，直接连通道冷通道区域，降低冷量损耗；

c.空调四周以及整个机房进行严密封堵，提升整个静压箱密闭性[5]。

2.2 改造效果验证

改造效果对比如表2所示。

表2 改造效果对比

3 结 论

由于该5 G核心机房大楼由办公楼改造而来，弧形状大楼对散热有一定影响。本文主要对空调高压故障和制冷量与设计不匹配问题进行分析研究，通过加装储液罐、加大背面回风距离和拉开组间距离来解决空调高压告警，同时加装导风口和封堵冷气泄露点来提升空调制冷效果，并验证方案可行性，达到预定目标。本次改造提高了空调运行可靠性，降低了空调能耗，有助于指导特殊场景空调设计与安装。