肖奇良

廣東南方電信規(guī)劃咨詢設計院有限公司, 廣東 汕頭 515041

0 引言

通信機樓作為一個建筑主體結(jié)構,生命周期要遠遠大于IT設備,早期投產(chǎn)的存量通信機樓由于投產(chǎn)時間早,機房暖通系統(tǒng)設計遠落后于現(xiàn)有IT設備的運行環(huán)境要求,導致總體PUE(power usage effectiveness)居高不下。然而,存量在線運行的機房大多數(shù)無法實現(xiàn)整體騰退或部分騰退后進行整體改造或圍蔽改造,而上述機房往往又是持續(xù)有IT設備加載需求的重要機房,如何在保證IT設備系統(tǒng)不間斷運行的前提下,實施對機房運行無影響且無風險、高能效、低PUE空調(diào)系統(tǒng)改造十分重要[1]。針對嚴格的節(jié)能壓力,各通信運營商也根據(jù)各自的設備耗能實際情況,制定了有針對性的節(jié)能行動方案。本文旨在通過對現(xiàn)有存量通信機房的空調(diào)系統(tǒng)進行分析,研究切實可行的室外機節(jié)能解決方案。

1 存量機房空調(diào)系統(tǒng)存在的問題

由于信息技術的飛速發(fā)展,機房設備功率不斷提升,機房單位面積空調(diào)制冷需求量成倍增長。傳統(tǒng)機房的空調(diào)系統(tǒng)由于設計初期與現(xiàn)有需求存在較大的偏差,故目前在用的空調(diào)系統(tǒng)在諸多方面存在較大的弊端或隱患。

由于制冷容量需求持續(xù)提升,空調(diào)的散熱量日益增加,特別是室外機安裝位置存在大量的內(nèi)凹陽臺,導致空調(diào)室外機熱島效應嚴重,室外機散熱效率低[2]。通信機樓大多處于鬧市區(qū),特別是有些通信機樓周邊為高檔寫字樓及住宅小區(qū),室外機普遍存在噪聲擾民問題。此外,空調(diào)系統(tǒng)智能化程度較低,無法根據(jù)實際的環(huán)境情況進行靈活控制。

因此,目前空調(diào)系統(tǒng)存在運營成本高、耗電量大、能效比低等問題,節(jié)能壓力巨大。

2 節(jié)能改造原理

2.1 水冷卻技術

在常溫下,空氣的比熱容為1.005 kJ/(kg·K),而水的比熱容為4.2 kJ/(kg·K),水的潛熱為2 260 kJ/kg,所以只要有少量水蒸發(fā),就可以大大降低水和空氣的溫度。蒸發(fā)冷卻是利用水的蒸發(fā)潛熱進行制冷,傳統(tǒng)的冷凍水系統(tǒng)中,溫差5 ℃,每千克的水能提供21 kJ的冷量,而在蒸發(fā)冷卻過程中,每千克的水完全蒸發(fā)后可以提供2 260 kJ的冷量,潛熱能提供的換熱量是顯熱的108倍。

空氣越干,空氣干、濕球溫差越大,利用這個蒸發(fā)冷卻后的溫降可以充分降低室外空氣的溫度,然后利用其冷卻通信機樓內(nèi)部的熱空氣實現(xiàn)對通信機房的有效制冷[3]。

2.2 改造思路

針對存量機房空調(diào)存在的問題,在保證機房正常運行的前提下能夠高效節(jié)能地進行空調(diào)系統(tǒng)優(yōu)化,考慮到水和空氣的物理性能差異,在原風冷冷凝器系統(tǒng)中采用水冷冷凝器系統(tǒng)替換散熱的方式進行空調(diào)系統(tǒng)改造[4]。

采用水冷替換風冷,主要是由于兩者在比熱容方面存在的較大差異。存量機房采用的是空氣風冷卻的方式,空氣的比熱容是1.005 kJ/(kg·K),而水的比熱容是4.2 kJ/(kg·K),大約為空氣比熱的4.12倍。另外,空氣的密度為1.29 kg/m3,水的密度約為1 000 kg/m3。由此可以算出,1 m3水升高1 ℃所需的熱量大于等于3 240 m3空氣升高1 ℃所需的熱量。也就是說在同等制冷量的情況下,采用水進行冷卻和采用空氣進行冷卻相比,空氣冷卻的流體體積約是水冷卻的流體體積的3 240倍,空氣散熱所需的流體流量遠遠大于水的流量。

另外,系統(tǒng)采用水冷冷卻塔的蒸發(fā)冷技術,使得空氣和水直接或間接接觸,因水蒸發(fā)吸收汽化潛熱而使空氣/水的溫度下降,從而提高制冷效率。

2.3 水冷改造方案

水冷改造方案分2種:一種是用新建的水冷冷凝器直接替換掉原來的風冷冷凝器;另一種是在保留原風冷冷凝器的基礎上加裝水冷冷凝器。

存量機房由于需要保證現(xiàn)有在線通信IT設備的正常運行,并考慮一定的冗余配置,故不宜采用直接替換水冷冷凝器的方式,一般采用在原風冷冷凝器的基礎上加裝水冷冷凝器的方式。加裝水冷冷凝器一般有串聯(lián)、并聯(lián)2種安裝方式[5]。

系統(tǒng)并聯(lián)安裝方式:如果原風冷冷凝器與加裝的殼管式冷凝器選擇并聯(lián)安裝方式,需要在并聯(lián)分支管路上安裝換向閥或電磁閥等控制裝置,會增加系統(tǒng)復雜程度。風冷冷凝器的冷媒充注容量與殼管式冷凝器不一樣,若采用并聯(lián)系統(tǒng)發(fā)生運行切換時,冷媒充注量不易相互兼容,而且切換動作發(fā)生時,切換前的原冷凝器內(nèi)部的冷媒被關斷、難以轉(zhuǎn)移進入切換后的并聯(lián)冷凝系統(tǒng),這也會造成切換動作控制操作上的困難。由于以上原因,一般不采用殼管式冷凝器與風冷冷凝器并聯(lián)安裝方式。

水冷殼管式冷凝器可以選擇安裝在風冷冷凝器的前端位置,也可以選擇安裝在風冷冷凝器的后端(見圖1)。如果不選擇配置儲液罐,就需要放大殼管式換熱器的容量,利用殼管式換熱器的富裕能力來容納系統(tǒng)切換帶來的多余冷媒。一般情況下,加裝儲液罐的方案比放大殼管式換熱器能力在成本上有優(yōu)勢。

圖1 空調(diào)系統(tǒng)改造示意

3 應用實例分析

3.1 項目概況

項目計劃對6臺制冷量為80 kW的直膨式風冷機房專用空調(diào)進行水冷冷凝器改造,通過將風冷冷凝器改造為水冷冷凝器,提高系統(tǒng)換熱效率,降低系統(tǒng)能耗,實現(xiàn)節(jié)能降碳的目的。

3.2 系統(tǒng)現(xiàn)狀

項目直膨式風冷機房專用空調(diào)為雙系統(tǒng)配置,每臺空調(diào)室內(nèi)機配置2個空調(diào)室外機,共計12個室外機,室外機安裝位置位于樓層內(nèi)凹陽臺,陽臺對著周邊住宅小區(qū)居民(見圖2)。

圖2 現(xiàn)有風冷空調(diào)工作結(jié)構原理圖

機房內(nèi)產(chǎn)生的熱負荷僅靠室外風冷冷凝器進行散熱,當室外環(huán)境溫度過高時,風冷冷凝器風扇進入全速運行狀態(tài),會導致噪音擾民問題,且由于室外機內(nèi)凹陽臺位置空間有限,風冷冷凝器密集安裝,形成熱島效應,不利于熱量的有效散出,嚴重時會導致空調(diào)高溫報警停機,影響機房正常運行。

3.3 改造方案

針對空調(diào)系統(tǒng)存在的問題,在原有風冷機房空調(diào)設備硬件基礎上,在制冷系統(tǒng)風冷冷凝器到壓縮機之間的冷媒管上串聯(lián)1個水冷殼管式換熱器(見圖3),殼管式換熱器體積不大,可放置于風冷室外機附近,一般可以滿足安裝要求。

3.4 系統(tǒng)配置

機樓原空調(diào)系統(tǒng)配置為6臺制冷量80 kW機房專用空調(diào)(雙系統(tǒng)),每臺空調(diào)機組配置2臺壓縮機及2臺室外風冷冷凝器。在配置水冷殼管式換熱器時,每個壓縮機對應一個換熱器。

殼管式冷凝器根據(jù)室內(nèi)機規(guī)格進行選型,其總散熱量應不小于設備制冷量和制冷消耗功率的總和,并需要考慮一定的冗余量,故每臺殼管式換熱器容量按照40×1.2=48 kW配置,采用換熱量為50 kW的殼管式換熱器,故6臺空調(diào)共配置12臺換熱量為50 kW的殼管式換熱器。

冷卻塔:冷卻水設計溫度采用常規(guī)的32/37 ℃,本次系統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)殼管式換熱器總?cè)萘繛?2臺50 kW,故本次改造新增冷卻塔總散熱量為600 kW。

其計算公式為:

V=Q/(CρΔt)

(1)

式中:V為水流量,m3/h;Q為散熱量,kW;C為比熱容,kJ/(kg·K);ρ為水的密度,kg/m3;Δt為水溫差,℃。

計算可得系統(tǒng)滿載運行所需冷卻水流量為103 m3/h。冷卻塔及冷卻水泵的水流量在計算所需的水流量的基礎上,取安全系數(shù)為1.2,則水流量為120 m3/h,可保證泵的安全運行,滿足系統(tǒng)水流量滿足散熱需求。

水系統(tǒng)群控系統(tǒng):新建一套群控系統(tǒng),通過溫度及壓差控制水泵變頻運行。將冷卻塔和冷卻水泵納入群控系統(tǒng)進行統(tǒng)一控制,冷卻塔根據(jù)設計的出水溫度進行自動的數(shù)量加減載和頻率調(diào)節(jié)。冷卻水泵進行變頻節(jié)能改造,通過供回水壓差,控制水泵運行頻率,系統(tǒng)具備以下群控功能:實時監(jiān)測末端殼管式換熱器的二通閥開啟狀態(tài)和冷凝壓力的情況,為整體系統(tǒng)的節(jié)能調(diào)節(jié)提供依據(jù);末端殼管式換熱器二通閥根據(jù)機組的冷凝壓力進行線性調(diào)節(jié);當末端系統(tǒng)壓機開啟冷凝壓力達到設定開啟值時閥門打開,跟隨系統(tǒng)冷凝壓力的變化進行自動調(diào)節(jié);末端系統(tǒng)壓機關閉后,殼管式換熱器的二通閥隨之關閉。

3.5 方案特點

本次主要針對存量通信機房原有直膨式風冷機房專用空調(diào)的風冷冷凝器,通過系統(tǒng)串聯(lián)殼管式換熱器進行水冷冷凝器改造,改造工程具有以下特點。

1)整改安全性較高,不涉及機房空調(diào)室內(nèi)機部分的改造,無需在機房內(nèi)進行施工改造。

2)可降低風冷冷凝器冷凝負荷,解決室外機安裝部位的熱島效應,同時降低風機噪聲,滿足環(huán)保排放要求。

3)提高空調(diào)機組能效水平,節(jié)能降碳,有效提高機房電能利用效率,降低PUE值。

4)可以盤活機房空間,通過水冷改造,使得空調(diào)系統(tǒng)室外部分能夠有效地散熱,根據(jù)業(yè)務發(fā)展的需求,可以有效地增加空調(diào)制冷容量,使得機房可以滿足目前主流大功率密度設備的散熱需求,解決設備安裝空間要求。

4 結(jié)束語

在內(nèi)、外部需求的雙重驅(qū)動下,機房節(jié)能改造動力在不斷加碼。針對通信運營商的存量通信機房,如果對其進行有效的綠色改造,不僅可以有效提升能效水平,打造綠色運營,達到節(jié)能減碳的目的,還可以有效盤活現(xiàn)有資源,使存量通信機房可以滿足業(yè)務彈性發(fā)展需求。