運(yùn)用水冷技術(shù)解決通信機(jī)房空調(diào)散熱及噪聲問(wèn)題

王靜鋒，李 菁，龍志國(guó)，鄭明育

（1.中國(guó)電信武漢分公司，湖北 武漢 430030；2.湖北郵電規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司，湖北 武漢 430030）

1 項(xiàng)目背景

某樞紐通信機(jī)樓內(nèi)安裝、部署了大量的數(shù)據(jù)通信、無(wú)線通信、干線通信設(shè)備，整個(gè)大樓為全玻璃幕墻，機(jī)房空調(diào)室外機(jī)全部擺放在東北和西南兩側(cè)陽(yáng)臺(tái)上，通過(guò)打開(kāi)玻璃窗的方式進(jìn)行散熱。近年來(lái)，隨著5G、IDC、云業(yè)務(wù)的快速發(fā)展，通信設(shè)備功率密度越來(lái)越大，單機(jī)柜平均功率密度由最初的3～4 kW/架發(fā)展至5～12 kW/架，個(gè)別核心設(shè)備功率密度更是高達(dá)28.9 kW/架，原有空調(diào)的散熱方式已不能適應(yīng)新形式下的要求[1]。尤其是到夏季，陽(yáng)臺(tái)環(huán)境溫度接近60 kW·h，空調(diào)室外機(jī)的熱量無(wú)法及時(shí)散發(fā)，造成機(jī)房空調(diào)頻發(fā)高壓報(bào)警停機(jī)，機(jī)房溫度快速上升，嚴(yán)重威脅通信設(shè)備的正常運(yùn)行，嚴(yán)重時(shí)只能通過(guò)在機(jī)房放置冰塊加風(fēng)扇的方式緩解機(jī)房高溫，存在巨大的安全隱患，同時(shí)由于空調(diào)壓縮機(jī)長(zhǎng)期在惡劣工況下運(yùn)行，空調(diào)故障率高、能耗高，消耗大量運(yùn)維成本，不符合國(guó)家的節(jié)能減排要求，并且大量室外機(jī)風(fēng)扇運(yùn)轉(zhuǎn)發(fā)出的噪聲也影響到周邊居民的正常生活，導(dǎo)致噪聲投訴不斷，環(huán)保部門(mén)多次上門(mén)要求整改。

2 改造方案

為消除通信設(shè)備運(yùn)行安全隱患，響應(yīng)國(guó)家節(jié)能號(hào)召，降低環(huán)境噪聲污染，公司對(duì)樞紐通信機(jī)樓專(zhuān)用空調(diào)進(jìn)行水冷改造。在大樓新建一套水冷循環(huán)系統(tǒng)，在現(xiàn)有的空調(diào)機(jī)組室外機(jī)高壓管路中，串聯(lián)一臺(tái)水冷殼管式換熱器，將室外機(jī)的熱量由水循環(huán)帶走，送到樓頂冷卻塔進(jìn)行冷卻，空調(diào)的主散熱方式由原來(lái)的風(fēng)冷改造為水冷，風(fēng)冷僅作為水冷系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)的備用的散熱方式。如圖1所示。

圖1 水冷循環(huán)系統(tǒng)

其工作流程如下：空調(diào)冷媒將室內(nèi)熱量吸收后，變?yōu)闅鈶B(tài)，經(jīng)壓縮機(jī)壓縮后變?yōu)楦邷馗邏簹鈶B(tài)，流經(jīng)水冷式殼管式換熱器帶走熱量后，變?yōu)槌馗邏阂簯B(tài)，流經(jīng)室外機(jī)冷凝器，經(jīng)液管回到室內(nèi)膨脹后，進(jìn)入蒸發(fā)器，由液態(tài)吸收熱量蒸發(fā)為氣態(tài)后再次進(jìn)入壓縮機(jī)，形成循環(huán)。而殼管換熱器帶走的熱量經(jīng)回水管進(jìn)入冷卻塔進(jìn)行冷卻，冷卻后的冷水經(jīng)進(jìn)水管送入殼管換熱器內(nèi)，形成循環(huán)，完成風(fēng)冷冷凝器的功能[2]。

在整個(gè)工作回路中，由于串聯(lián)入水冷的殼管換熱器，其散熱能力達(dá)到風(fēng)冷冷凝器的散熱量，風(fēng)冷冷凝器無(wú)需啟動(dòng)。既可降低能耗，又可減少室外風(fēng)機(jī)的開(kāi)啟，降低噪聲，一旦水冷系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，根據(jù)設(shè)定好的壓力風(fēng)冷冷凝器自動(dòng)啟動(dòng)，確保機(jī)房溫度穩(wěn)定。

3 方案實(shí)施

但是在按建設(shè)方案施工進(jìn)行調(diào)試時(shí)發(fā)現(xiàn)了問(wèn)題，當(dāng)機(jī)房空調(diào)從風(fēng)冷方式切換到水冷方式時(shí)，空調(diào)出現(xiàn)低壓告警停機(jī)，多臺(tái)空調(diào)調(diào)試均出現(xiàn)此現(xiàn)象。如補(bǔ)充冷媒使其在水冷方式下能正常工作，空調(diào)一旦從水冷方式切換到風(fēng)冷時(shí)，又會(huì)出現(xiàn)高壓告警停機(jī)。為此建設(shè)、設(shè)計(jì)和施工方進(jìn)行了分析研討，認(rèn)為有以下幾個(gè)方面原因。

（1）本次安裝的殼管換熱器為70 kW，普遍大于空調(diào)原風(fēng)冷冷凝器，當(dāng)采用水冷式殼管換熱器進(jìn)行冷卻時(shí)，高溫高壓氣態(tài)冷媒經(jīng)過(guò)殼管換熱器后迅速變成液態(tài)，此后流經(jīng)原風(fēng)冷冷凝器的管路全部為液態(tài)，導(dǎo)致系統(tǒng)中的冷媒不足。

（2）殼管換熱器安裝在空調(diào)冷凝器下方，落差近2 m，當(dāng)冷媒在殼管換熱器內(nèi)變成液態(tài)后，管路中的壓力還要推動(dòng)液態(tài)冷媒克服冷凝器較長(zhǎng)管路阻力和落差做功，導(dǎo)致進(jìn)入到室內(nèi)機(jī)的高壓管路壓力偏低[3]。

如果補(bǔ)充大量冷媒，確保系統(tǒng)水冷模式下能正常工作的話，一旦水冷系統(tǒng)發(fā)生故障，恢復(fù)到風(fēng)冷運(yùn)行模式時(shí)，又會(huì)因?yàn)槔涿竭^(guò)多空調(diào)出現(xiàn)高壓報(bào)警停機(jī)，無(wú)法在水冷和風(fēng)冷模式自由切換。

經(jīng)過(guò)研究討論，決定變更殼管換熱器的接入方式，將殼管換熱器接到冷凝器后端，壓縮機(jī)壓縮后的高溫高壓的冷媒先經(jīng)過(guò)冷凝器管路后再流經(jīng)水冷式殼管換熱器冷卻降溫，變?yōu)槌馗邏阂簯B(tài)，經(jīng)液管回到室內(nèi)膨脹后，進(jìn)入蒸發(fā)器，由液態(tài)吸收熱量蒸發(fā)為氣態(tài)后再次進(jìn)入壓縮機(jī)，循環(huán)工作。

這樣做的好處就是殼管換熱器前端增加的管路中冷媒為氣態(tài)，與原風(fēng)冷運(yùn)行模式相比，只需補(bǔ)充少量冷媒，便可切換到水冷運(yùn)行模式。正常情況下，空調(diào)室外機(jī)采用水冷運(yùn)行模式，原風(fēng)冷模式作為備用，如果水冷系統(tǒng)發(fā)生故障，高壓管路壓力超過(guò)設(shè)定值，風(fēng)冷冷凝器風(fēng)機(jī)自動(dòng)啟動(dòng)，確保空調(diào)制冷系統(tǒng)正常工作，當(dāng)水冷系統(tǒng)修復(fù)后自動(dòng)恢復(fù)到水冷運(yùn)行模式[4]。

為達(dá)到這種自動(dòng)切換效果，還需要對(duì)空調(diào)冷凝器風(fēng)機(jī)啟停壓力進(jìn)行調(diào)整，通常空調(diào)冷凝器風(fēng)機(jī)啟停以及運(yùn)行速度均由高壓管路壓力控制，壓力達(dá)到1.6 MPa時(shí)風(fēng)機(jī)啟動(dòng)，低于1.4 MPa風(fēng)機(jī)停止運(yùn)行，水冷改造后對(duì)空調(diào)冷凝器風(fēng)機(jī)啟停壓力進(jìn)行調(diào)整，當(dāng)壓力達(dá)到1.8 MPa時(shí)風(fēng)機(jī)啟動(dòng)，低于1.6 MPa風(fēng)機(jī)停止運(yùn)行。

經(jīng)測(cè)試此方案可行，后續(xù)將殼管換熱器全部改接到冷凝器后端，改接完成后，將水冷系統(tǒng)投入運(yùn)行，樓頂冷卻塔的出水溫度設(shè)定為30 ℃，殼管式換熱器進(jìn)出水溫度為30/35 ℃，整個(gè)水冷系統(tǒng)運(yùn)行正常[5]。

4 實(shí)施效果

經(jīng)過(guò)水冷改造后大大改善了空調(diào)室外機(jī)散熱條件，2021年7月份武漢氣溫最高達(dá)37～39 ℃，機(jī)房空調(diào)均運(yùn)行正常，未出現(xiàn)高壓告警停機(jī)，機(jī)房溫度正常。同時(shí)空調(diào)室外機(jī)風(fēng)機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)后環(huán)境噪聲大大降低，由之前的59.6/58.2 dB降為57.6/49.9 dB，一次性通過(guò)環(huán)保部門(mén)噪聲檢測(cè)，達(dá)到城市2類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)，解決了困擾多年的空調(diào)噪聲擾民問(wèn)題。

同時(shí)空調(diào)經(jīng)過(guò)水冷改造后，耗電量大大降低，PUE值明顯下降。以某層樓核心網(wǎng)機(jī)房為例，2020年6月份，機(jī)房設(shè)備用電量251 474 kW·h，空調(diào)用電量193 436 kW·h，PUE值1.77。2021年6月份設(shè)備用電量262 564 kW·h，空調(diào)用電量133 722 kW·h，水泵、冷卻塔等用電按比例均攤5 437 kW·h，在設(shè)備用電與去年同期相比有所增加的情況下，空調(diào)用電減少了近6萬(wàn)kW·h，加上水泵、冷卻塔等用電，PUE值1.53，降幅明顯。

5 結(jié) 論

（1）通過(guò)本次對(duì)樞紐通信機(jī)樓空調(diào)室外機(jī)水冷改造，將空調(diào)室外機(jī)熱量以水冷換熱方式通過(guò)樓頂冷卻塔集中排出，解決了原空調(diào)室外機(jī)平臺(tái)的熱島效益，消除了機(jī)房空調(diào)夏季故障頻發(fā)，機(jī)房出現(xiàn)高溫的現(xiàn)象，保證機(jī)房設(shè)備的安全運(yùn)行。

（2）空調(diào)水冷改造后，原室外機(jī)風(fēng)機(jī)為停機(jī)備用狀態(tài)，相當(dāng)于給空調(diào)室外機(jī)增加了一套散熱系統(tǒng)，大大提高了空調(diào)系統(tǒng)可用性，同時(shí)有效地降低了空調(diào)室外機(jī)噪聲污染。

（3）由于水冷系統(tǒng)散熱效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于風(fēng)冷，機(jī)房空調(diào)耗電量下降明顯，尤其是夏季減少近30%。

（4）對(duì)于這種風(fēng)冷空調(diào)水冷改造，水冷式換熱器到底是安裝在冷凝器前端還是后端需綜合考慮，如果換熱器換熱能力超過(guò)風(fēng)冷式冷凝器，且安裝位置低于冷凝器時(shí)，應(yīng)安裝在冷凝器后端，否則無(wú)法做到在水冷和風(fēng)冷兩種散熱方式之間自由切換。