存量通信機房空調室外機節能改造應用

肖奇良

廣東南方電信規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構,生命周期要遠遠大于IT設備,早期投產的存量通信機樓由于投產時間早,機房暖通系統設計遠落后于現有IT設備的運行環境要求,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無法實現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有IT設備加載需求的重要機房,如何在保證IT設備系統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空調系統改造十分重要[1]。針對嚴格的節能壓力,各通信運營商也根據各自的設備耗能實際情況,制定了有針對性的節能行動方案。本文旨在通過對現有存量通信機房的空調系統進行分析,研究切實可行的室外機節能解決方案。

1 存量機房空調系統存在的問題

由于信息技術的飛速發展,機房設備功率不斷提升,機房單位面積空調制冷需求量成倍增長。傳統機房的空調系統由于設計初期與現有需求存在較大的偏差,故目前在用的空調系統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提升,空調的散熱量日益增加,特別是室外機安裝位置存在大量的內凹陽臺,導致空調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,特別是有些通信機樓周邊為高檔寫字樓及住宅小區,室外機普遍存在噪聲擾民問題。此外,空調系統智能化程度較低,無法根據實際的環境情況進行靈活控制。

因此,目前空調系統存在運營成本高、耗電量大、能效比低等問題,節能壓力巨大。

2 節能改造原理

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,就可以大大降低水和空氣的溫度。蒸發冷卻是利用水的蒸發潛熱進行制冷,傳統的冷凍水系統中,溫差5 ℃,每千克的水能提供21 kJ的冷量,而在蒸發冷卻過程中,每千克的水完全蒸發后可以提供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部的熱空氣實現對通信機房的有效制冷[3]。

2.2 改造思路

針對存量機房空調存在的問題,在保證機房正常運行的前提下能夠高效節能地進行空調系統優化,考慮到水和空氣的物理性能差異,在原風冷冷凝器系統中采用水冷冷凝器系統替換散熱的方式進行空調系統改造[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,系統采用水冷冷卻塔的蒸發冷技術,使得空氣和水直接或間接接觸,因水蒸發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、并聯2種安裝方式[5]。

系統并聯安裝方式:如果原風冷冷凝器與加裝的殼管式冷凝器選擇并聯安裝方式,需要在并聯分支管路上安裝換向閥或電磁閥等控制裝置,會增加系統復雜程度。風冷冷凝器的冷媒充注容量與殼管式冷凝器不一樣,若采用并聯系統發生運行切換時,冷媒充注量不易相互兼容,而且切換動作發生時,切換前的原冷凝器內部的冷媒被關斷、難以轉移進入切換后的并聯冷凝系統,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勢。

圖1 空調系統改造示意

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,提高系統換熱效率,降低系統能耗,實現節能降碳的目的。

3.2 系統現狀

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

圖2 現有風冷空調工作結構原理圖

機房內產生的熱負荷僅靠室外風冷冷凝器進行散熱,當室外環境溫度過高時,風冷冷凝器風扇進入全速運行狀態,會導致噪音擾民問題,且由于室外機內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,嚴重時會導致空調高溫報警停機,影響機房正常運行。

3.3 改造方案

針對空調系統存在的問題,在原有風冷機房空調設備硬件基礎上,在制冷系統風冷冷凝器到壓縮機之間的冷媒管上串聯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 系統配置

機樓原空調系統配置為6臺制冷量80 kW機房專用空調(雙系統),每臺空調機組配置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。

殼管式冷凝器根據室內機規格進行選型,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的32/37 ℃,本次系統空調系統殼管式換熱器總容量為12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,取安全系數為1.2,則水流量為120 m3/h,可保證泵的安全運行,滿足系統水流量滿足散熱需求。

水系統群控系統:新建一套群控系統,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進行統一控制,冷卻塔根據設計的出水溫度進行自動的數量加減載和頻率調節。冷卻水泵進行變頻節能改造,通過供回水壓差,控制水泵運行頻率,系統具備以下群控功能:實時監測末端殼管式換熱器的二通閥開啟狀態和冷凝壓力的情況,為整體系統的節能調節提供依據;末端殼管式換熱器二通閥根據機組的冷凝壓力進行線性調節;當末端系統壓機開啟冷凝壓力達到設定開啟值時閥門打開,跟隨系統冷凝壓力的變化進行自動調節;末端系統壓機關閉后,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的風冷冷凝器,通過系統串聯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,不涉及機房空調室內機部分的改造,無需在機房內進行施工改造。

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,滿足環保排放要求。

3)提高空調機組能效水平,節能降碳,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,使得空調系統室外部分能夠有效地散熱,根據業務發展的需求,可以有效地增加空調制冷容量,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 結束語

在內、外部需求的雙重驅動下,機房節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,達到節能減碳的目的,還可以有效盤活現有資源,使存量通信機房可以滿足業務彈性發展需求。