閆 健，侯永濤，郭 凱，羅碩成，朱清峰

（1.中訊郵電咨詢設計院有限公司鄭州分公司，河南鄭州 450007；2.廣州華德工業(yè)有限公司，廣東廣州 510663）

1 分散風冷單元式空調系統(tǒng)存在的問題

據(jù)統(tǒng)計全國運營商通信機房樓約6 800個，80%以上的機房制冷方案為分散風冷單元式空調系統(tǒng)，分散風冷單元式空調系統(tǒng)為互相獨立的風冷空調模塊，采用N＋X冗余配置，這種制冷系統(tǒng)的特點是布置較為靈活，因各制冷單元為獨立的風冷空調模塊，其安全性高，同時便于分期擴容建設。

隨著機房DC 化及業(yè)務的增長，機房散熱負荷急劇增大，現(xiàn)有分散風冷單元式空調系統(tǒng)面臨能耗及運營成本的壓力，同時該系統(tǒng)本身也存在明顯的弊端。

1.1 散熱不暢

風冷室外機之間擺放密集，造成熱氣回流，極易產生“熱島”現(xiàn)象，引起冷凝壓力超限，造成空調機組頻繁高壓告警，尤其在炎熱夏季，室外機可靠運行及機房安全面臨嚴峻挑戰(zhàn)。圖1反映了2016年中國聯(lián)通某樞紐樓壓縮機高壓告警頻次，該樞紐樓采用分散風冷單元式空調系統(tǒng)，5 月份告警頻次為16 次，6 月份告警頻次為64 次，7 月份高溫形勢尤其嚴峻，共發(fā)生了123 次壓縮機高壓告警。

圖1 空調壓縮機高壓告警

1.2 風冷式空調能效比低

風冷式冷凝器設計冷凝溫度應比夏季空氣調節(jié)室外計算干球溫度高15℃，室外機主要依靠冷凝器與空氣之間強制對流換熱實現(xiàn)熱量轉移，在冷凝散熱面積一定的條件下，空調能效比及散熱效率隨室外溫度的升高而降低。表1 對比了風冷式、水冷式及蒸發(fā)式冷凝散熱系統(tǒng)能效，從中可以看出風冷式散熱的冷源側Scop低于水冷式和蒸發(fā)式冷凝散熱。

表1 幾種冷凝散熱方式的冷源系統(tǒng)性能

1.3 空間占用

現(xiàn)有通信機房大量的風冷式空調室外機占用較多的空間面積，室外機一般是平鋪或安裝于機房樓外立面平臺上，在空間受限的條件下，室外機之間擺放密集難擴容。圖2 為分散風冷單元式空調系統(tǒng)布置原理，一臺室內機對應一臺室外機。圖3為大量室外側風冷室外機密集擺放屋面，占用屋面空間面積，同時引起局部“熱島”現(xiàn)象。

圖2 分散風冷式空調系統(tǒng)

圖3 室外機密集擺放

1.4 噪聲擾民

風冷室外機噪聲來源主要分為動力性噪聲和機械性噪聲。動力性噪聲是指設備運轉、通風散熱打破原有空氣壓力平衡，使空氣之間摩擦產生的噪聲，而機械性噪聲主要是指室外散熱風機的電機振動引起的噪聲。國家標準《聲環(huán)境質量標準》（GB 3096-2008）對各功能區(qū)環(huán)境噪聲的限值規(guī)定見表2。

表2 環(huán)境噪聲限值

運營商機房產生的噪聲可按照2類功能區(qū)的限值要求進行消聲降噪，即白天噪聲≤60 dB（A），夜間噪聲≤50 dB（A），由于通信機房全年24 h 不間斷制冷，且風冷室外機噪聲的疊加效應，使得通信機房噪聲超出噪聲限值，屢遭附近居民區(qū)投訴。

2 風冷室外機散熱解決方案

采用高效多聯(lián)共享蒸發(fā)式冷凝散熱機組替代現(xiàn)有風冷室外機，風冷室外機可全部移除，節(jié)省占地空間，提高冷凝換熱系數(shù)和整機能效水平。

2.1 蒸發(fā)式冷凝散熱技術原理

蒸發(fā)式冷凝器不同于風冷式冷凝器和水冷式冷凝器，蒸發(fā)式冷凝器利用未飽和的干濕球溫差實現(xiàn)換熱，其實質是水的飽和蒸氣壓和空氣中水蒸氣分壓的差值，主流空氣的水蒸氣分壓力低于飽和空氣層，將會產生壓差作為推動力，促進水不斷向空氣中蒸發(fā)進行潛熱換熱，同時伴隨著冷凝器壁面與水膜的顯熱交換。蒸發(fā)式冷凝器主要利用潛熱傳遞熱量以達到冷卻的目的，它的傳熱傳質過程由2個部分組成。

a）熱量通過換熱管內壁傳到外壁，然后被管外壁水膜吸收，傳熱的驅動力來自于制冷劑和水膜的溫差。

b）熱量通過水膜與空氣的熱質交換釋放給空氣，傳熱的驅動力取決于兩者的焓差。

由此可見，蒸發(fā)式冷凝器主要利用流經(jīng)換熱盤管的水膜中部分水的汽化潛熱，這與風冷式和水冷式冷凝器利用顯熱來吸收制冷劑蒸氣的熱量是完全不同的。蒸發(fā)式冷凝空調系統(tǒng)如圖4所示。

圖4 蒸發(fā)式冷凝空調系統(tǒng)

2.2 多聯(lián)共享高效蒸發(fā)式冷凝散熱技術應用

該方案采用多聯(lián)共享高效蒸發(fā)式冷凝散熱機組替代現(xiàn)有8 臺風冷室外機，現(xiàn)有風冷單元式空調系統(tǒng)單臺制冷量為80 kW，則總制冷量為640 kW，能效比按3.2 考慮，則總散熱負荷為840 kW。針對多聯(lián)共享高效蒸發(fā)式冷凝散熱機組替代現(xiàn)有8臺風冷室外機提出3種應用方案。

2.2.1 方案1關鍵器件備份

方案1 系統(tǒng)配置如表3 所示。系統(tǒng)運行時，2 臺蒸發(fā)式冷凝機組同時工作，原空調系統(tǒng)8+1冗余配置，共分為16個獨立的小系統(tǒng)，采用蒸發(fā)式冷凝機組后不改變原系統(tǒng)數(shù)量和形式，而蒸發(fā)式冷凝機組進行風機、噴淋循環(huán)泵等關鍵器件的冗余備份，以保證系統(tǒng)安全可靠。方案1系統(tǒng)管路連接示意圖如圖5所示。

圖5 方案1系統(tǒng)管路連接示意圖

表3 方案1系統(tǒng)配置

2.2.2 方案2機組備份

如表4 所示，該方案選取2 臺WLNC840G16-A 同型號蒸發(fā)式冷凝機組替代原8 臺風冷室外機，系統(tǒng)運行時，蒸發(fā)式冷凝機組采用1 用1 備的模式，系統(tǒng)管路冗余備份。方案2系統(tǒng)管路連接示意如圖6所示。

圖6 方案2系統(tǒng)管路連接示意圖

表4 方案2系統(tǒng)配置

2.2.3 方案3機組2+1備份

方案3 機組2+1 備份如表5 所示。該方案選取3臺WLNC420GB-A 同型號蒸發(fā)式冷凝機組替代原8 臺風冷室外機，系統(tǒng)運行時，蒸發(fā)式冷凝機組采用2 用1備的模式，系統(tǒng)管路冗余備份。方案3 系統(tǒng)管路連接示意圖如圖7所示。

圖7 方案3系統(tǒng)管路連接示意圖

表5 方案3系統(tǒng)配置

2.3 經(jīng)濟性測算

針對機房風冷室外機采用蒸發(fā)式冷凝機組進行替換方案，分析風冷單元式空調系統(tǒng)和蒸發(fā)式冷凝系統(tǒng)全年能耗情況，計算采用蒸發(fā)式冷凝機組系統(tǒng)的節(jié)電百分比并綜合系統(tǒng)投資及施工費用，測算采用蒸發(fā)式冷凝機組后的投資收益。運行能耗分析如表6 所示。投資收益測算如表7所示。

表6 運行能耗分析

表7 投資收益測算

3 系統(tǒng)維護及防垢化

蒸發(fā)式冷凝機組高溫氣態(tài)冷媒經(jīng)換熱管與管外壁水膜之間實現(xiàn)換熱，高溫壁面導致水膜溫度升高，冷卻水雜質極易附著在換熱管外壁面形成垢層，影響換熱。蒸發(fā)式冷凝器表面結垢主要有以下幾個原因。

a）冷卻水與制冷劑蒸氣的溫差較大，換熱管表面的冷卻水蒸發(fā)速度快，形成干點。

b）冷卻水水質硬度高、冷卻水吸附進口空氣中含的有各種雜質。

c）冷卻水溫度過高，導致鈣離子溶解度大幅降低而析出附著。

d）換熱面存在背風面，背風面由于熱量積聚，使得該部分冷卻水溫度高，析出的鈣離子吸附形成結垢。

為避免蒸發(fā)式冷凝器存在結垢的風險，機組設計冷凝溫度為38℃（含）以下，使得冷卻水溫度在35℃以下，保障鈣離子的高溶解度，避免鈣離子在換熱時大量析出；機組采用平面液膜蒸發(fā)式冷凝技術，可使換熱表面全冷卻水覆蓋，并且無背風面，有效防止換熱表面結垢。

降低水質硬度，可通過電化學方式，直接從循環(huán)水中吸取垢質及其他雜質，循環(huán)水使用過程中不斷濃縮的結垢成分得到同步去除，從源頭消除了水結垢產生的危害。圖8 為電化學除垢原理圖，其中惰性陽極表面發(fā)生氧化反應生成活性氧、有效氯等氧化性物質，而陰極表面發(fā)生還原反應產生氫氧根離子，氫氧根離子與Ca（HCO3）2反應產生CaCO3。

圖8 電化學除垢原理

同時機組采用自動排污換水控制技術，通過監(jiān)控水溫、機組運行時長以及水質硬度等參數(shù)，對機組實行自動排污換水控制，在節(jié)約用水的前提下，保障冷卻水系統(tǒng)水質。

4 結束語

蒸發(fā)式冷凝散熱作為一種高效的冷凝散熱方式用于解決運營商通信機房分散風冷單元式空調室外機夏季高壓告警問題具有較好的應用效果，可降低冷凝溫度，提升機組能效。本文提出3 種多聯(lián)共享高效蒸發(fā)式冷凝散熱機組替代現(xiàn)有風冷室外機的方案，分別對其節(jié)能率和經(jīng)濟性進行測算，3 種應用方案節(jié)能率相近，由于方案及設備價格差異，理論投資回收期為15至27個月，此外采用多聯(lián)共享高效蒸發(fā)式冷凝散熱機組在降噪和節(jié)地方面，也具有明顯的優(yōu)勢，蒸發(fā)冷凝散熱技術具有較好的應用前景，最后分析了蒸發(fā)式冷凝器結垢機理及防治措施。