丁 昊，雷 宇，劉艷飛，程 序，王占軍（.中訊郵電咨詢設(shè)計院有限公司鄭州分公司，河南 鄭州 450007；.中國聯(lián)通河南分公司，河南鄭州 450000；.河南奧諾通信科技有限公司，河南鄭州 450000）

0 前言

目前，全國通信運營商的機房樓數(shù)量約為6 800多個，多數(shù)為自有業(yè)務(wù)，這些存量通信機房由于通信設(shè)備裝機周期長、整體設(shè)備功率密度低、缺少統(tǒng)一規(guī)劃等特點，空調(diào)形式主要采用風(fēng)冷直膨式機房專用空調(diào)，且多為定頻空調(diào)，氣流組織較為混亂，節(jié)能措施較少。

近年來，隨著雙碳目標(biāo)的落實與推進，老舊機房低碳化升級改造面臨諸多矛盾，如空調(diào)室外機平臺安裝空間不足、室內(nèi)外機之間的安裝距離超長、室內(nèi)外機高差超限、制冷效率低等。如何解決傳統(tǒng)制冷系統(tǒng)的改造難點成為存量通信機房低碳化升級改造的主要研究方向。

為踐行國家綠色發(fā)展理念，持續(xù)推進基礎(chǔ)設(shè)施節(jié)能減排、落實國家“雙碳”戰(zhàn)略目標(biāo)，一種可以充分利用自然冷源、全年能效比高、集中小型化、安裝距離靈活的氟泵多聯(lián)模塊化空調(diào)應(yīng)運而生。

1 氟泵多聯(lián)模塊化空調(diào)系統(tǒng)原理

1.1 氟泵多聯(lián)模塊化空調(diào)系統(tǒng)介紹

氟泵多聯(lián)模塊化空調(diào)系統(tǒng)主要由室外主機（冷源部分）、室內(nèi)空調(diào)末端和管網(wǎng)3部分組成。

室外主機采用模塊化設(shè)計，可無縫拼接，成倍擴容。室外主機搭載全直流變頻壓縮技術(shù)、變頻氟泵、2套冷卻盤管，可充分利用自然冷源、實現(xiàn)按需供冷。

室內(nèi)末端形式可選用房間空調(diào)、背板空調(diào)、列間空調(diào)、頂置式空調(diào)、機架式空調(diào)等形式或靈活組合，實現(xiàn)供冷側(cè)與用冷需求側(cè)的精準(zhǔn)匹配。

管網(wǎng)可根據(jù)系統(tǒng)規(guī)模或建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)采用環(huán)網(wǎng)設(shè)計，制冷劑通過氟泵動力循環(huán)，解決存量機房中大高差、超長連管安裝的突出矛盾。通過多聯(lián)管路實現(xiàn)冷源池冷量的分區(qū)共享和末端用冷設(shè)備的交叉?zhèn)浞?，同時通過部分負(fù)荷運行提高制冷系統(tǒng)的能效比。

1.2 室外主機的運行原理

氟泵多聯(lián)模塊化空調(diào)具有機械制冷、混合制冷、自然冷卻3 種運行模式，系統(tǒng)可根據(jù)室內(nèi)制冷負(fù)荷和室外環(huán)境溫度變化，自動選擇運行模式，實現(xiàn)自然冷源利用最大化的節(jié)能運行。氟泵多聯(lián)空調(diào)主機的3種運行模式的流程如圖1所示。

圖1 3種運行模式流程圖

a）自然冷卻模式。當(dāng)室外溫度很低（低于12 ℃）時，汽態(tài)冷媒在自然冷卻盤管中可完全冷凝成液體，壓縮機制冷系統(tǒng)不啟用。

b）混合制冷模式。當(dāng)室外溫度較低（12 ℃～20 ℃）時，自然冷卻盤管和壓縮機制冷系統(tǒng)同時運行。汽態(tài)冷媒在自然冷卻盤管中被預(yù)冷、部分冷凝成液體，其余冷媒繼續(xù)通過壓縮機制冷系統(tǒng)進行冷凝。

c）機械制冷模式。當(dāng)室外溫度較高（高于20 ℃）時，采用機械制冷模式，僅開啟壓縮機制冷系統(tǒng)，自然冷卻盤管不啟用。

以上為室內(nèi)回風(fēng)溫度37 ℃、負(fù)載率70%時的測試數(shù)據(jù)，若實際運行時的室內(nèi)機回風(fēng)溫度不同、負(fù)載率不同，各工況切換溫度會隨之變化。另外，為實現(xiàn)更大限度的能效提升，室外機可配置水霧噴淋裝置，通過蒸發(fā)冷卻降低冷凝器進風(fēng)溫度，進而提高夏季或過渡季節(jié)的機械制冷效率。

1.3 氟泵多聯(lián)模塊化空調(diào)管網(wǎng)系統(tǒng)的特點

氟泵多聯(lián)模塊化空調(diào)引入冷凍水系統(tǒng)環(huán)網(wǎng)的設(shè)計理念，可設(shè)置2 套冷媒主管路，平時2 套主管路同時使用，降低冷媒輸配系統(tǒng)能耗。當(dāng)其中1 套環(huán)路故障或需要檢修時，可通過關(guān)斷單側(cè)主管路閥門將系統(tǒng)切換至另一側(cè)主管路帶載運行，滿足在線檢修要求，有效提高系統(tǒng)安全性。

每臺室外主機模塊并聯(lián)在冷媒管環(huán)路上，可實現(xiàn)1～4 臺模塊并聯(lián)組網(wǎng)，并形成微型冷源池。室外主機的壓縮機、風(fēng)機、氟泵等均為變頻組件，系統(tǒng)搭載智能控制平臺，可自動根據(jù)各動力部件的能效曲線，通過優(yōu)化算法實現(xiàn)自動加減載、自動切換工況，最大限度提升全年能效，降低機房PUE。

每臺室內(nèi)制冷末端同樣并聯(lián)在冷媒管環(huán)路上，室內(nèi)側(cè)最大可實現(xiàn)64臺末端并聯(lián)使用，每臺室內(nèi)末端通過電子膨脹閥實現(xiàn)冷媒系統(tǒng)的按需分配，每臺末端風(fēng)機根據(jù)需求自動調(diào)節(jié)風(fēng)量輸出。

系統(tǒng)冷媒通過室外主機搭載的變頻氟泵進行輸送，不但解決長連管（大于300 m）、大高差（大于50 m）場景下的冷媒輸送問題，而且通過室內(nèi)末端電子膨脹閥實現(xiàn)了冷媒流量的精確分配和輸配系統(tǒng)節(jié)能。另外，系統(tǒng)管路可按需預(yù)留接口閥門，滿足統(tǒng)一規(guī)劃、分期建設(shè)的要求，實現(xiàn)投資的精確控制，提高投資利用率。氟泵多聯(lián)模塊化空調(diào)管路流程如圖2所示。

圖2 空調(diào)管路流程圖

2 氟泵多聯(lián)模塊化空調(diào)系統(tǒng)的優(yōu)勢分析

2.1 氟泵多聯(lián)模塊化空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能優(yōu)勢

以某國內(nèi)知名品牌的空調(diào)為例，選取氟泵多聯(lián)模塊化空調(diào)、風(fēng)冷直膨式空調(diào)、智能雙循環(huán)空調(diào)3種常用類型的機房空調(diào)進行能效分析。

以回風(fēng)溫度32 ℃、100%額定冷量輸出為例進行測試，3 種類型空調(diào)在室外環(huán)境溫度從?15 ℃～40 ℃的能效比如圖3所示。

圖3 3種空調(diào)能效比變化圖

根據(jù)上述測試結(jié)果，在額定輸出條件下，3 種空調(diào)在室外高溫環(huán)境下的運行能效差別不大；當(dāng)室外環(huán)境溫度低于15 ℃時，3種空調(diào)的運行能效比均有所提高，但氟泵多聯(lián)空調(diào)能效提升幅度及提升速率遠(yuǎn)超傳統(tǒng)風(fēng)冷直膨式空調(diào)和智能雙循環(huán)空調(diào)。因此，在低溫環(huán)境條件下，氟泵多聯(lián)模塊化空調(diào)利用自然冷源的優(yōu)勢明顯，特別適合北方地區(qū)低碳化升級改造。

根據(jù)場景不同，以典型工況運行為例進行能效分析。

采用冷通道封閉（30 ℃回風(fēng)）時，氟泵多聯(lián)空調(diào)系統(tǒng)運行能效隨負(fù)載率和室外溫度變化如圖4所示。采用熱通道封閉（35 ℃回風(fēng)）時，氟泵多聯(lián)空調(diào)系統(tǒng)運行能效隨負(fù)載率和室外溫度變化如圖5所示。

圖4 氟泵多聯(lián)空調(diào)（30 ℃回風(fēng)工況）能效分析

圖5 氟泵多聯(lián)空調(diào)（35 ℃回風(fēng)工況）能效分析

通過以上2 種應(yīng)用場景的對比可以看出，在相同室外溫度條件下，適當(dāng)降低空調(diào)負(fù)載率或適當(dāng)增大空調(diào)制冷冗余配置，可有效提升系統(tǒng)運行能效；若空調(diào)配置不變，適當(dāng)提高回風(fēng)溫度可以大幅提高氟泵多聯(lián)空調(diào)的系統(tǒng)能效。因此，部分負(fù)荷時，氟泵多聯(lián)模塊化空調(diào)更加節(jié)能，特別適合通信機房低負(fù)荷運行的特點。

2.2 氟泵多聯(lián)模塊化空調(diào)系統(tǒng)的安裝優(yōu)勢

與通信機房最常用的風(fēng)冷直膨式空調(diào)和智能雙循環(huán)空調(diào)對比，氟泵多聯(lián)空調(diào)在安裝高差、管長距離、自然冷源利用、自控水平、環(huán)境適用性等方面均具有一定優(yōu)勢，特別是大高差、長連管等傳統(tǒng)空調(diào)無法解決的場景，氟泵多聯(lián)空調(diào)均能正常使用。常用機房空調(diào)安裝特點對比如表1所示。

表1 3種空調(diào)安裝特點對比

3 氟泵多聯(lián)模塊化空調(diào)在通信機房的應(yīng)用

3.1 應(yīng)用案例介紹

以某市某運營商通信云機房為例，該機房樓為高層長途樞紐樓，共20 層，建筑高度約為95 m。機房樓原有空調(diào)采用風(fēng)冷直膨式空調(diào)，室外機布置在北側(cè)室外機平臺，由于功率密度提升，原有室外機平臺已無剩余空間，室外機平臺熱島效應(yīng)明顯，室外機經(jīng)常出現(xiàn)連鎖性停機保護，傳統(tǒng)機房空調(diào)已無法滿足機房擴容需求。

為解決13層通信云機房空調(diào)擴容改造難題，特引入氟泵多聯(lián)模塊化空調(diào)，將室外機布置在機房樓屋面（20 層），室內(nèi)、外機高差約為35 m，室內(nèi)、外機距離約為120 m。

13 層共布置2 個標(biāo)準(zhǔn)機房，每個標(biāo)準(zhǔn)機房安裝機柜228架，每個機房空調(diào)總顯冷負(fù)荷約為1 030 kW，配置16 臺制冷量為100 kW（顯冷量約90 kW）的房間級多聯(lián)氟泵空調(diào)，每個標(biāo)準(zhǔn)機房的空調(diào)及設(shè)備布置如圖6所示。

圖6 空調(diào)及設(shè)備布置圖

每個標(biāo)準(zhǔn)機房內(nèi)的16 臺空調(diào)共分為4 套系統(tǒng)，每套系統(tǒng)采用4臺末端與4臺室外主機進行組網(wǎng)。

3.2 系統(tǒng)運行能效分析

3.2.1 全年能效理論測算

根據(jù)某市典型年氣象數(shù)據(jù)，以及氟泵多聯(lián)模塊化空調(diào)在30 ℃回風(fēng)、90%負(fù)載率下的理論數(shù)據(jù)，該地區(qū)全年各時段能效比如圖7所示。

圖7 某地區(qū)全年各時段能效比統(tǒng)計圖

根據(jù)加權(quán)平均測算，該區(qū)域的全年能效比約為8.4，即標(biāo)準(zhǔn)機房的空調(diào)系統(tǒng)的PUE因子約為0.12。

3.2.2 監(jiān)控系統(tǒng)實測PUE

根據(jù)項目投產(chǎn)后綜合運營管理平臺的監(jiān)測數(shù)據(jù)，13 層通信云機房近半年的月實測平均PUE 如表2 所示。

表2 2022年5月—2022年10月實測運行PUE統(tǒng)計表

從上述結(jié)果分析，實際運行能效與理論測算數(shù)據(jù)有一定偏差，其主要原因為2022 年5 月—2022 年9 月屬于服務(wù)器上架調(diào)測期，服務(wù)器間斷性運行，但機房空調(diào)長時間無負(fù)荷或超低負(fù)荷試空跑運行；從2022年9 月底開始，上架業(yè)務(wù)集中開服，PUE 運行值大幅下降至1.12。

根據(jù)空調(diào)BA 系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)，以某天晝間為例，其送、回風(fēng)溫度如圖8所示。

圖8 送、回風(fēng)溫度運行曲線

通過運行曲線分析，試運行階段空調(diào)平均送風(fēng)溫度為16～18 ℃，平均回風(fēng)溫度為26～28 ℃，運行工況的送回風(fēng)溫度低于設(shè)計值。

綜上分析，由于當(dāng)前回風(fēng)溫度較低，隨著機房送回風(fēng)溫度的提高，氟泵多聯(lián)模塊化空調(diào)的效率將進一步提高。根據(jù)2022 年10 月上架業(yè)務(wù)集中開服后的運行數(shù)據(jù)，氟泵多聯(lián)模塊化空調(diào)的運行能耗趨勢符合預(yù)期目標(biāo)。

4 結(jié)論

a）結(jié)合存量通信機房現(xiàn)狀，氟泵多聯(lián)模塊化空調(diào)提供了高效節(jié)能、安全可靠、安裝便捷、環(huán)境適應(yīng)性強、占地面積小、末端多樣化的新型制冷解決方案，可有效解決存量通信機房低碳化改造中空調(diào)系統(tǒng)面臨的改造難點。

b）在能效方面，氟泵多聯(lián)模塊化空調(diào)深度挖掘了自然冷源利用和部分負(fù)荷的能效提升潛力，在低溫環(huán)境條件下節(jié)能優(yōu)勢突出，可大幅度提升制冷效率、降低存量通信機房的PUE。

c）在推廣價值方面，氟泵多聯(lián)模塊化空調(diào)系統(tǒng)的推廣應(yīng)用，對降低制冷運行能耗，降低存量通信機房的運行能耗，助力“雙碳”戰(zhàn)略目標(biāo)具有積極示范意義。