存量通信机房空调室外机节能改造应用

肖奇良

广东南方电信规划咨询设计院有限公司, 广东 汕头 515041

0 引言

通信机楼作为一个建筑主体结构,生命周期要远远大于IT设备,早期投产的存量通信机楼由于投产时间早,机房暖通系统设计远落后于现有IT设备的运行环境要求,导致总体PUE(power usage effectiveness)居高不下。然而,存量在线运行的机房大多数无法实现整体腾退或部分腾退后进行整体改造或围蔽改造,而上述机房往往又是持续有IT设备加载需求的重要机房,如何在保证IT设备系统不间断运行的前提下,实施对机房运行无影响且无风险、高能效、低PUE空调系统改造十分重要[1]。针对严格的节能压力,各通信运营商也根据各自的设备耗能实际情况,制定了有针对性的节能行动方案。本文旨在通过对现有存量通信机房的空调系统进行分析,研究切实可行的室外机节能解决方案。

1 存量机房空调系统存在的问题

由于信息技术的飞速发展,机房设备功率不断提升,机房单位面积空调制冷需求量成倍增长。传统机房的空调系统由于设计初期与现有需求存在较大的偏差,故目前在用的空调系统在诸多方面存在较大的弊端或隐患。

由于制冷容量需求持续提升,空调的散热量日益增加,特别是室外机安装位置存在大量的内凹阳台,导致空调室外机热岛效应严重,室外机散热效率低[2]。通信机楼大多处于闹市区,特别是有些通信机楼周边为高档写字楼及住宅小区,室外机普遍存在噪声扰民问题。此外,空调系统智能化程度较低,无法根据实际的环境情况进行灵活控制。

因此,目前空调系统存在运营成本高、耗电量大、能效比低等问题,节能压力巨大。

2 节能改造原理

2.1 水冷却技术

在常温下,空气的比热容为1.005 kJ/(kg·K),而水的比热容为4.2 kJ/(kg·K),水的潜热为2 260 kJ/kg,所以只要有少量水蒸发,就可以大大降低水和空气的温度。蒸发冷却是利用水的蒸发潜热进行制冷,传统的冷冻水系统中,温差5 ℃,每千克的水能提供21 kJ的冷量,而在蒸发冷却过程中,每千克的水完全蒸发后可以提供2 260 kJ的冷量,潜热能提供的换热量是显热的108倍。

空气越干,空气干、湿球温差越大,利用这个蒸发冷却后的温降可以充分降低室外空气的温度,然后利用其冷却通信机楼内部的热空气实现对通信机房的有效制冷[3]。

2.2 改造思路

针对存量机房空调存在的问题,在保证机房正常运行的前提下能够高效节能地进行空调系统优化,考虑到水和空气的物理性能差异,在原风冷冷凝器系统中采用水冷冷凝器系统替换散热的方式进行空调系统改造[4]。

采用水冷替换风冷,主要是由于两者在比热容方面存在的较大差异。存量机房采用的是空气风冷却的方式,空气的比热容是1.005 kJ/(kg·K),而水的比热容是4.2 kJ/(kg·K),大约为空气比热的4.12倍。另外,空气的密度为1.29 kg/m3,水的密度约为1 000 kg/m3。由此可以算出,1 m3水升高1 ℃所需的热量大于等于3 240 m3空气升高1 ℃所需的热量。也就是说在同等制冷量的情况下,采用水进行冷却和采用空气进行冷却相比,空气冷却的流体体积约是水冷却的流体体积的3 240倍,空气散热所需的流体流量远远大于水的流量。

另外,系统采用水冷冷却塔的蒸发冷技术,使得空气和水直接或间接接触,因水蒸发吸收汽化潜热而使空气/水的温度下降,从而提高制冷效率。

2.3 水冷改造方案

水冷改造方案分2种:一种是用新建的水冷冷凝器直接替换掉原来的风冷冷凝器;另一种是在保留原风冷冷凝器的基础上加装水冷冷凝器。

存量机房由于需要保证现有在线通信IT设备的正常运行,并考虑一定的冗余配置,故不宜采用直接替换水冷冷凝器的方式,一般采用在原风冷冷凝器的基础上加装水冷冷凝器的方式。加装水冷冷凝器一般有串联、并联2种安装方式[5]。

系统并联安装方式:如果原风冷冷凝器与加装的壳管式冷凝器选择并联安装方式,需要在并联分支管路上安装换向阀或电磁阀等控制装置,会增加系统复杂程度。风冷冷凝器的冷媒充注容量与壳管式冷凝器不一样,若采用并联系统发生运行切换时,冷媒充注量不易相互兼容,而且切换动作发生时,切换前的原冷凝器内部的冷媒被关断、难以转移进入切换后的并联冷凝系统,这也会造成切换动作控制操作上的困难。由于以上原因,一般不采用壳管式冷凝器与风冷冷凝器并联安装方式。

水冷壳管式冷凝器可以选择安装在风冷冷凝器的前端位置,也可以选择安装在风冷冷凝器的后端(见图1)。如果不选择配置储液罐,就需要放大壳管式换热器的容量,利用壳管式换热器的富裕能力来容纳系统切换带来的多余冷媒。一般情况下,加装储液罐的方案比放大壳管式换热器能力在成本上有优势。

图1 空调系统改造示意

3 应用实例分析

3.1 项目概况

项目计划对6台制冷量为80 kW的直膨式风冷机房专用空调进行水冷冷凝器改造,通过将风冷冷凝器改造为水冷冷凝器,提高系统换热效率,降低系统能耗,实现节能降碳的目的。

3.2 系统现状

项目直膨式风冷机房专用空调为双系统配置,每台空调室内机配置2个空调室外机,共计12个室外机,室外机安装位置位于楼层内凹阳台,阳台对着周边住宅小区居民(见图2)。

图2 现有风冷空调工作结构原理图

机房内产生的热负荷仅靠室外风冷冷凝器进行散热,当室外环境温度过高时,风冷冷凝器风扇进入全速运行状态,会导致噪音扰民问题,且由于室外机内凹阳台位置空间有限,风冷冷凝器密集安装,形成热岛效应,不利于热量的有效散出,严重时会导致空调高温报警停机,影响机房正常运行。

3.3 改造方案

针对空调系统存在的问题,在原有风冷机房空调设备硬件基础上,在制冷系统风冷冷凝器到压缩机之间的冷媒管上串联1个水冷壳管式换热器(见图3),壳管式换热器体积不大,可放置于风冷室外机附近,一般可以满足安装要求。

3.4 系统配置

机楼原空调系统配置为6台制冷量80 kW机房专用空调(双系统),每台空调机组配置2台压缩机及2台室外风冷冷凝器。在配置水冷壳管式换热器时,每个压缩机对应一个换热器。

壳管式冷凝器根据室内机规格进行选型,其总散热量应不小于设备制冷量和制冷消耗功率的总和,并需要考虑一定的冗余量,故每台壳管式换热器容量按照40×1.2=48 kW配置,采用换热量为50 kW的壳管式换热器,故6台空调共配置12台换热量为50 kW的壳管式换热器。

冷却塔:冷却水设计温度采用常规的32/37 ℃,本次系统空调系统壳管式换热器总容量为12台50 kW,故本次改造新增冷却塔总散热量为600 kW。

其计算公式为:

V=Q/(CρΔt)

(1)

式中:V为水流量,m3/h;Q为散热量,kW;C为比热容,kJ/(kg·K);ρ为水的密度,kg/m3;Δt为水温差,℃。

计算可得系统满载运行所需冷却水流量为103 m3/h。冷却塔及冷却水泵的水流量在计算所需的水流量的基础上,取安全系数为1.2,则水流量为120 m3/h,可保证泵的安全运行,满足系统水流量满足散热需求。

水系统群控系统:新建一套群控系统,通过温度及压差控制水泵变频运行。将冷却塔和冷却水泵纳入群控系统进行统一控制,冷却塔根据设计的出水温度进行自动的数量加减载和频率调节。冷却水泵进行变频节能改造,通过供回水压差,控制水泵运行频率,系统具备以下群控功能:实时监测末端壳管式换热器的二通阀开启状态和冷凝压力的情况,为整体系统的节能调节提供依据;末端壳管式换热器二通阀根据机组的冷凝压力进行线性调节;当末端系统压机开启冷凝压力达到设定开启值时阀门打开,跟随系统冷凝压力的变化进行自动调节;末端系统压机关闭后,壳管式换热器的二通阀随之关闭。

3.5 方案特点

本次主要针对存量通信机房原有直膨式风冷机房专用空调的风冷冷凝器,通过系统串联壳管式换热器进行水冷冷凝器改造,改造工程具有以下特点。

1)整改安全性较高,不涉及机房空调室内机部分的改造,无需在机房内进行施工改造。

2)可降低风冷冷凝器冷凝负荷,解决室外机安装部位的热岛效应,同时降低风机噪声,满足环保排放要求。

3)提高空调机组能效水平,节能降碳,有效提高机房电能利用效率,降低PUE值。

4)可以盘活机房空间,通过水冷改造,使得空调系统室外部分能够有效地散热,根据业务发展的需求,可以有效地增加空调制冷容量,使得机房可以满足目前主流大功率密度设备的散热需求,解决设备安装空间要求。

4 结束语

在内、外部需求的双重驱动下,机房节能改造动力在不断加码。针对通信运营商的存量通信机房,如果对其进行有效的绿色改造,不仅可以有效提升能效水平,打造绿色运营,达到节能减碳的目的,还可以有效盘活现有资源,使存量通信机房可以满足业务弹性发展需求。