通信机房蒸发式冷凝散热关键技术及应用探讨

闫 健，侯永涛，郭 凯，罗硕成，朱清峰

（1.中讯邮电咨询设计院有限公司郑州分公司，河南郑州 450007；2.广州华德工业有限公司，广东广州 510663）

1 分散风冷单元式空调系统存在的问题

据统计全国运营商通信机房楼约6 800个，80%以上的机房制冷方案为分散风冷单元式空调系统，分散风冷单元式空调系统为互相独立的风冷空调模块，采用N＋X冗余配置，这种制冷系统的特点是布置较为灵活，因各制冷单元为独立的风冷空调模块，其安全性高，同时便于分期扩容建设。

随着机房DC 化及业务的增长，机房散热负荷急剧增大，现有分散风冷单元式空调系统面临能耗及运营成本的压力，同时该系统本身也存在明显的弊端。

1.1 散热不畅

风冷室外机之间摆放密集，造成热气回流，极易产生“热岛”现象，引起冷凝压力超限，造成空调机组频繁高压告警，尤其在炎热夏季，室外机可靠运行及机房安全面临严峻挑战。图1反映了2016年中国联通某枢纽楼压缩机高压告警频次，该枢纽楼采用分散风冷单元式空调系统，5 月份告警频次为16 次，6 月份告警频次为64 次，7 月份高温形势尤其严峻，共发生了123 次压缩机高压告警。

图1 空调压缩机高压告警

1.2 风冷式空调能效比低

风冷式冷凝器设计冷凝温度应比夏季空气调节室外计算干球温度高15℃，室外机主要依靠冷凝器与空气之间强制对流换热实现热量转移，在冷凝散热面积一定的条件下，空调能效比及散热效率随室外温度的升高而降低。表1 对比了风冷式、水冷式及蒸发式冷凝散热系统能效，从中可以看出风冷式散热的冷源侧Scop低于水冷式和蒸发式冷凝散热。

表1 几种冷凝散热方式的冷源系统性能

1.3 空间占用

现有通信机房大量的风冷式空调室外机占用较多的空间面积，室外机一般是平铺或安装于机房楼外立面平台上，在空间受限的条件下，室外机之间摆放密集难扩容。图2 为分散风冷单元式空调系统布置原理，一台室内机对应一台室外机。图3为大量室外侧风冷室外机密集摆放屋面，占用屋面空间面积，同时引起局部“热岛”现象。

图2 分散风冷式空调系统

图3 室外机密集摆放

1.4 噪声扰民

风冷室外机噪声来源主要分为动力性噪声和机械性噪声。动力性噪声是指设备运转、通风散热打破原有空气压力平衡，使空气之间摩擦产生的噪声，而机械性噪声主要是指室外散热风机的电机振动引起的噪声。国家标准《声环境质量标准》（GB 3096-2008）对各功能区环境噪声的限值规定见表2。

表2 环境噪声限值

运营商机房产生的噪声可按照2类功能区的限值要求进行消声降噪，即白天噪声≤60 dB（A），夜间噪声≤50 dB（A），由于通信机房全年24 h 不间断制冷，且风冷室外机噪声的叠加效应，使得通信机房噪声超出噪声限值，屡遭附近居民区投诉。

2 风冷室外机散热解决方案

采用高效多联共享蒸发式冷凝散热机组替代现有风冷室外机，风冷室外机可全部移除，节省占地空间，提高冷凝换热系数和整机能效水平。

2.1 蒸发式冷凝散热技术原理

蒸发式冷凝器不同于风冷式冷凝器和水冷式冷凝器，蒸发式冷凝器利用未饱和的干湿球温差实现换热，其实质是水的饱和蒸气压和空气中水蒸气分压的差值，主流空气的水蒸气分压力低于饱和空气层，将会产生压差作为推动力，促进水不断向空气中蒸发进行潜热换热，同时伴随着冷凝器壁面与水膜的显热交换。蒸发式冷凝器主要利用潜热传递热量以达到冷却的目的，它的传热传质过程由2个部分组成。

a）热量通过换热管内壁传到外壁，然后被管外壁水膜吸收，传热的驱动力来自于制冷剂和水膜的温差。

b）热量通过水膜与空气的热质交换释放给空气，传热的驱动力取决于两者的焓差。

由此可见，蒸发式冷凝器主要利用流经换热盘管的水膜中部分水的汽化潜热，这与风冷式和水冷式冷凝器利用显热来吸收制冷剂蒸气的热量是完全不同的。蒸发式冷凝空调系统如图4所示。

图4 蒸发式冷凝空调系统

2.2 多联共享高效蒸发式冷凝散热技术应用

该方案采用多联共享高效蒸发式冷凝散热机组替代现有8 台风冷室外机，现有风冷单元式空调系统单台制冷量为80 kW，则总制冷量为640 kW，能效比按3.2 考虑，则总散热负荷为840 kW。针对多联共享高效蒸发式冷凝散热机组替代现有8台风冷室外机提出3种应用方案。

2.2.1 方案1关键器件备份

方案1 系统配置如表3 所示。系统运行时，2 台蒸发式冷凝机组同时工作，原空调系统8+1冗余配置，共分为16个独立的小系统，采用蒸发式冷凝机组后不改变原系统数量和形式，而蒸发式冷凝机组进行风机、喷淋循环泵等关键器件的冗余备份，以保证系统安全可靠。方案1系统管路连接示意图如图5所示。

图5 方案1系统管路连接示意图

表3 方案1系统配置

2.2.2 方案2机组备份

如表4 所示，该方案选取2 台WLNC840G16-A 同型号蒸发式冷凝机组替代原8 台风冷室外机，系统运行时，蒸发式冷凝机组采用1 用1 备的模式，系统管路冗余备份。方案2系统管路连接示意如图6所示。

图6 方案2系统管路连接示意图

表4 方案2系统配置

2.2.3 方案3机组2+1备份

方案3 机组2+1 备份如表5 所示。该方案选取3台WLNC420GB-A 同型号蒸发式冷凝机组替代原8 台风冷室外机，系统运行时，蒸发式冷凝机组采用2 用1备的模式，系统管路冗余备份。方案3 系统管路连接示意图如图7所示。

图7 方案3系统管路连接示意图

表5 方案3系统配置

2.3 经济性测算

针对机房风冷室外机采用蒸发式冷凝机组进行替换方案，分析风冷单元式空调系统和蒸发式冷凝系统全年能耗情况，计算采用蒸发式冷凝机组系统的节电百分比并综合系统投资及施工费用，测算采用蒸发式冷凝机组后的投资收益。运行能耗分析如表6 所示。投资收益测算如表7所示。

表6 运行能耗分析

表7 投资收益测算

3 系统维护及防垢化

蒸发式冷凝机组高温气态冷媒经换热管与管外壁水膜之间实现换热，高温壁面导致水膜温度升高，冷却水杂质极易附着在换热管外壁面形成垢层，影响换热。蒸发式冷凝器表面结垢主要有以下几个原因。

a）冷却水与制冷剂蒸气的温差较大，换热管表面的冷却水蒸发速度快，形成干点。

b）冷却水水质硬度高、冷却水吸附进口空气中含的有各种杂质。

c）冷却水温度过高，导致钙离子溶解度大幅降低而析出附着。

d）换热面存在背风面，背风面由于热量积聚，使得该部分冷却水温度高，析出的钙离子吸附形成结垢。

为避免蒸发式冷凝器存在结垢的风险，机组设计冷凝温度为38℃（含）以下，使得冷却水温度在35℃以下，保障钙离子的高溶解度，避免钙离子在换热时大量析出；机组采用平面液膜蒸发式冷凝技术，可使换热表面全冷却水覆盖，并且无背风面，有效防止换热表面结垢。

降低水质硬度，可通过电化学方式，直接从循环水中吸取垢质及其他杂质，循环水使用过程中不断浓缩的结垢成分得到同步去除，从源头消除了水结垢产生的危害。图8 为电化学除垢原理图，其中惰性阳极表面发生氧化反应生成活性氧、有效氯等氧化性物质，而阴极表面发生还原反应产生氢氧根离子，氢氧根离子与Ca（HCO3）2反应产生CaCO3。

图8 电化学除垢原理

同时机组采用自动排污换水控制技术，通过监控水温、机组运行时长以及水质硬度等参数，对机组实行自动排污换水控制，在节约用水的前提下，保障冷却水系统水质。

4 结束语

蒸发式冷凝散热作为一种高效的冷凝散热方式用于解决运营商通信机房分散风冷单元式空调室外机夏季高压告警问题具有较好的应用效果，可降低冷凝温度，提升机组能效。本文提出3 种多联共享高效蒸发式冷凝散热机组替代现有风冷室外机的方案，分别对其节能率和经济性进行测算，3 种应用方案节能率相近，由于方案及设备价格差异，理论投资回收期为15至27个月，此外采用多联共享高效蒸发式冷凝散热机组在降噪和节地方面，也具有明显的优势，蒸发冷凝散热技术具有较好的应用前景，最后分析了蒸发式冷凝器结垢机理及防治措施。