機房精密空調設計實例及施工要點

文｜國網信息通信有限公司 郭向東 金廣祥

機房精密空調是一種專門為數據中心機房提供恒溫恒濕環境的空調設備，這類空調主要以工藝過程為對象，著眼于制造滿足工藝過程所要求的室內氣候環境，同時盡量兼顧人體的舒適要求。它的特點是風量大、出風溫度高，對環境控制精密程度較高。如信息機房、程控交換機房等設備的運行環境需專用的空調。因此，在選配機房精密空調和安裝工藝上都有很高的要求。

1 機房精密空調設計實例

（1）項目概述

本項目中新建機房位于辦公樓第16層，空調室外機置于24層樓頂。機房總面積為1300m2，分為主機房、監控室、配電室和鋼瓶間等，其中主機房800m2采用機房精密空調，其他房間采用舒適性空調。由于大樓沒有集中冷卻設備，決定采用風冷直接蒸發冷卻式恒溫恒濕空調。機房精密空調是需要全年制冷的，所以一般只計算機房的冷負荷，而無需計算機房的熱負荷。

（2）冷負荷計算方法

針對數據中心機房的特點，計算冷負荷時采用如下公式：Q=Qj+Qs（+Qx）。

其中：Q為機房總冷負荷（kW）；Qj為機房所在的建筑物的冷負荷（kW）；Qs為機房內設備冷負荷（kW）；Qx為機房內的新風冷負荷（kW），因為本機房內的新風系統是經過預處理的，所以此項未計算在內。

計算Qj時，按照辦公樓的類型來進行概算，辦公樓（全部）一般取值為95～115W/m2。針對本項目，因為機房在16層，屬于大樓的中間層，窗戶數量比較多，按照辦公樓中間偏高值考慮，因此取110W/m2。

計算Qs時主要根據機房內的設備的發熱量，按照機房滿配機柜數量來計算設備發熱量，計算公式：Qs=Pj×n×ξ。

其中：Qs為機房內設備冷負荷（kW）；Pj為每個機柜的耗電量（kW）；n為機柜數量；ξ為設備的散熱系數，網絡設備為0.9～1，如服務器、路由器等，交換設備、計算設備為0.7～0.8，如交換機、小型機等，電腦為0.5～0.6。針對本機房，ξ取1。

冷負荷具體計算結果如表1所示。

表1

（3）空調選型配置

經過以上計算，得出機房的冷負荷，并根據冷負荷進行選型。一般來說，由于機房屬于關鍵部門，所以基本配置按n+1（n≤4）或n+2（4＜n≤8）配置，其中n值以4為界限，確定備用機是1臺或2臺，空調制冷設備應留有15%～20%的余量。

根據以上計算結果，選用某品牌的機房精密空調，風冷下送風型，單機顯制冷量為80kW，風量為25000m3/h，機房為8用2備，總制冷量為640kW，大于總冷負荷計算值。精密空調選用雙壓縮機機型，可以使溫度變化梯度更小，溫度精度更高，同時獨立的雙制冷循環，提高了設備的可靠性。

（4）機房空調驗算

根據冷負荷選配機型后，需要用機房內的換氣次數來驗算一下，這樣做的原因是：機房精密空調與舒適性空調相比，具有大風量、小焓差的特點，在制冷量滿足機房要求的前提下，應保證足夠的風量，才能使空調設備工作在設定點上，同時可以從硬件上保證溫度精度，防止超差。一般要求機房內的換氣次數應不低于40次/hr，經測算本項目中機房內的換氣次數為69次/hr。

（5）選配冷凝器

工廠給定的標準配置的冷凝器是按照室外環境溫度為35℃選配的，由于北京地區夏季氣溫較高，用戶選配的冷凝器都是按照室外環境溫度40℃選配的，選配的具體型號是根據設備廠家提供的數據表得來的。

2 施工要點

空調產品的安裝質量，對于空調設備的長時間可靠運行有著非常重要的意義。而機房精密空調涉及的方面又比較廣泛，包括有搬運、設備就位、制冷管路的焊接、上下水管路和電力等多方面。

（1）室內、外機的位置

空調室內機通常擺放在機房的短邊一側，而且送風方向還要與地板下線槽和機柜平行，這樣有利于空調的送風。本項目中空調擺放在機房的兩端，機柜與氣流方向平行。空調支架采用角鋼制成，并安裝有導流板，同時為防止氣流干擾，支架的兩端也用鋼板全部封閉，支架用膨脹螺栓與地面固定，空調機組與支架之間墊有10mm厚減震橡膠。空調室外機（風冷冷凝器）放置在安全和易于維護的地方，它可水平或垂直安裝，冷凝器之間應保證有一定的間距。根據本項目的實際情況，室外機放置在24層樓頂，水平放置，冷凝器風口向上進行散熱。

（2）制冷管路

每臺空調有4根銅管（雙壓縮機），分別為兩根汽管和兩根液管，都屬于高壓管路。銅管之間采用乙炔焊接的方式，當銅管對接時，采用漲口的方式。相比使用直接接頭的方式減少了一個焊口，也就是說減少了泄漏的幾率。

（3）上下水

機房空調內有加濕器，需要連接上下水管道。如有條件，空調的上水最好取自軟化水，以防止結垢。下水管路不能直接排到室外，不然容易產生凍堵，同時下水管的水平段要有坡度，并在空調下部加裝U型彎頭。本項目的上水管來自同層機房旁邊的洗手間，下水管路連接到下一層的洗手間內。

（4）銅管內部的潔凈處理

為了保證銅管內壁是潔凈的，通常需要在焊接銅管前，用酒精和絲綢、鉛絲清洗銅管內壁，去除油污。在焊接時用水冷卻焊口，以便讓銅管內壁的氧化皮脫落。銅管焊接完畢后，要用干燥氮氣進行吹洗。但是在實際工作中，這些做法不容易檢測，而且效果并不好。針對這種情況，在本工程中使用干洗劑的方法，即用水泵將干洗劑（如R11）通入已焊接好的銅管系統先進行液體清洗，然后再用氮氣吹洗。R11的標準沸點為23.7℃，所以不用擔心會有液體留存在管路中，等到開機調試抽真空時，留存的R11都會以氣體形式抽出。這種方法從根本上解決了銅管內部的清潔問題，減少了工人的工作量，效果顯著。

3 技術疑難

（1）長制冷管路

本機房中水平和垂直方向的制冷管路最長超過了100m，屬于長制冷管路范圍。對于長制冷管路，最關鍵的問題是制冷量是否衰減，在本工程中根據實際情況，采取的辦法是加大制冷管路的管徑來降低阻力，減少損耗。工廠推薦的銅管直徑為16mm（液管）和19mm（汽管），其中大部分的阻力來自汽管，所以加大管徑至19mm（液管）和28mm（汽管），有效降低了管路沿程阻力，開機調試時壓縮機的各項指標都合格，制冷量沒有衰減。

（2）室內外機高度差

幾乎所有的安裝工程都面臨制冷管路超長、空調室內外機超高的問題。一般來講，對于室內外機的高差應為“寧高不低”，這是由機房精密空調的構造和特性決定的。機房精密空調的主機在室內，室外機僅僅為一個冷凝器，連接銅管均為高壓管，一根為汽管，流向室外機，一根為液管，流向室內機。當室外機在上部時，汽管為上升管，液管為下落管，只需解決向上輸送氣體的問題就可以了，而當室外機在下部時，汽管為下落管，液管成為了上升管，對于壓縮機來講，要將液體從低處吸上來，是比較困難的。針對本項目，室外機比空調主機高25m，采用的做法是在垂直汽管上每隔5m做一個U型彎，它是通過兩個90°彎頭實現的，目的是將垂直管臂上的潤滑油存在油彎內，等壓縮機啟動時由氣體帶動進入冷凝器，另外，在室外機的汽管根部加裝了一個單向閥，為的是避免冷凝器內的制冷劑在設備停機時回灌進壓縮機排氣管內。總之，所有做法的目的，都是為了當壓縮機再啟動時，排氣管內不會被液體（制冷劑和潤滑油）堵住，使得壓縮機可以正常工作。

4 問題及解決方案

本機房自2009年投入運行以來，機房精密空調運行狀況良好，沒有出現重大問題。但由于其他空調室外機的逐漸增多，原本就略顯擁擠的場地安裝了大量的空調室外機，造成散熱不暢的問題，在夏季造成多次高壓報警，引起精密空調停機的問題。同時，與之相對應在冬季時也發生過低壓報警的問題。

空調壓縮機工作時，低溫低壓的氣態制冷劑被壓縮機吸入后加壓變成高溫高壓的氣態制冷劑，高溫高壓的氣態制冷劑在室外進行熱交換時放熱變成中溫高壓的液體，中溫高壓的液體再經過節流部件節流降壓后變成低溫低壓的液體，低溫低壓的液態制冷劑在室內進行熱交換時吸熱蒸發后變成低溫低壓的氣體，然后進入壓縮機壓縮，往復循環。在夏季天氣炎熱時，從壓縮機出來的高溫高壓氣態制冷劑由于室外冷凝器散熱不足，氣態制冷劑無法全部相變為中溫高壓的液體，導致系統內高壓氣體積聚，引起高壓報警。

針對本機房所產生的高壓報警，建議采取兩個解決方案。其一是從空調中抽出多余制冷劑，調節高壓在合理范圍內。但這個方案在冬季氣溫低時，空調又會產生低壓報警，此時又需要向空調補充制冷劑，因此，每年的夏季、冬季都需要向空調抽出和補充制冷劑，這就增加了人工維護成本，而且這種辦法大都是在故障發生后采取的措施，增加了IT設備宕機的危險。其二是針對空調室外機散熱不暢的問題，利用自來水給室外機降溫，將水加壓形成水霧給室外機降溫。通過增加一些傳感器，可以將該裝置設為自動模式，保證了空調不會出現高壓報警的故障。其三是要定期清洗室外機，尤其是每年春季飄柳絮之后，要及時清洗表面灰塵及臟物。精密空調空氣過濾網也要及時更換，過濾網太臟易產生低壓告警。