新型机房空调散热方式解决方案

2014-05-10叶明哲

通信电源技术 2014年1期

叶明哲

（中国电信股份有限公司杭州分公司，浙江杭州310000）

1 风冷机房空调的局限性

风冷空调在实际安装过程中，容易受到空间的限制，导致气流短路循环，冷凝器的热量无法及时散出，导致系统高压偏高，高压跳机，影响机房安全。图1是某地枢纽楼一个典型的空调工况差的情况，由于空调外机安装在玻璃幕墙内，导致空调无法散热；另外随着大型数据中心的建设，普通风冷冷凝器面临着这么一个问题，冷凝器大规模集中布置，容易出现严重的散热问题，冷凝器如果布置？如果解决高热问题？这些问题的处理和解决很是让人头疼，而在室外散热受限的条件下，解决机房空调的散热问题，对运营商的建设和维护部门来说，都是一个必须解决的事情。

图1 密闭的玻璃幕墙导致风冷冷凝器无法正常使用

对于室外机散热不良的问题，常规解决方法是对空调外机移位，加强通风，或者增设水喷淋、冷雾系统等方法，这些方法比较简单，在特定的场合下可以起到一定的效果，但是从长远和整体的眼光来看，这些解决方法均存在一定的局限性，下面对这些方法进行简单介绍和对比。

1.1 空调外机移位，并放大空调外机散热量

机房空调外机安装不良导致的散热问题，由于空间的受限，造成气流短路，风冷型冷凝器的热量无法散出，热量无法及时带走，导致系统高压偏高，高压跳机，影响机房安全。

案例1：杭州电信某IDC机房，原先空调安装在二楼女儿墙内，由于女儿墙较高，加上空调外机布置较密，一到夏季，就导致局部高热问题，空调出现高压。解决方案：将二楼女儿墙内空调外机外移到顶楼，同时放大了空调冷凝器的散热量，从而很好地解决了散热问题。

案例2：宁波某数据机房随着数据设备一直扩容机房设备发热量越来越大。数据机房安装有4台机房空调原先还可勉强支撑，今年高温来临，机房温度达到了37℃，设备时有故障发生。分析原因是由于室外机组安装在走廊上（当时条件不允许装室外），而走廊是装有塑钢窗的，虽然卸掉了窗户，再用排风扇排风但效果还是不好，散热不良，机房温度降不下来，当把室外机组移到塑钢门窗外后，机房空调制冷能力迅速恢复，机房温度马上恢复正常，效果明显。

优点：该方案解决方法简单，投资小，易于实施。

缺点：必须要有适合安装外机的空间和位置，新安装外机的位置要有良好的通风以利于散热，该方案只适合小型数据机房，对新建大型数据机房不适用。

1.2 水喷淋系统

采用水喷淋方法，如图2所示，降低环境温度和冷凝温度，确保空调正常运行，这是目前最常规的做法，也是用的最多的做法。

优点：投资省，见效快，可以确保夏季机房空调的正常运行，且有一定节能作用。

缺点：耗水量大，水喷淋对空调的翅片有一定的破坏作用，导致空调外机的寿命变短，而且系统耗水量较大，该方案只适合部分空调外机散热的应急手段，对新建大型数据机房不适用。

1.3 冷雾辅助系统

系统主要由高压水泵、过滤器、高压喷嘴组成（图3），采用高压原理，将水加压到100公斤水压以上，通过喷嘴产生水雾，降低环境温度，改善空调的散热环境，从而保证空调的正常运行。

优点：由于利用了水蒸发掉潜热，对水的利用效率非常高，由于是冷却环境，不直接冷却冷凝器，故对冷凝器影响较小，冷凝器不容易结垢和腐蚀，耗水率明显低于水喷淋。

缺点：高压水泵和喷嘴价格较高，投资较大，需要经常更换过滤器和喷嘴滤芯，相比较水喷淋维护量较大。

图2 水喷淋设施（外机、水泵和喷头）

图3 高压冷雾系统组成（高压泵、喷嘴、过滤芯）

1.4 热气流封闭（导流罩）＋大功率轴流风机

空调外机安装封闭挡板或者导流罩，提升冷热气流路径，对部分室外机采用轴流风机强制对流。

案例1：台州电信某机楼原有部分VRV空调安装在阳台上，夏季散热不好，导致系统高压，后来进行了排风改造，延长了排风风管，解决了散热不良问题，图4为改造后图片。

图4 VRV空调外机气流改造后图片

图5 空调外机被封闭在隔音箱内

案例2：杭州电信某模块局，原先机房建设时周围是一块空地，空调外机直接安装在机房外侧地面上，3年后，周围盖起来居民楼，间距只有6米，导致居民噪声投诉，在对外机噪声整治时安装了隔音箱，导致空调外机严重散热不良，高压频频，基本无法使用（图5）。对策：对空调外机安装了1.6米的排风导风罩后，空调散热良好（图6）。

图6 安装空调外机排风罩

优点：对空调外机无不利因素，改动小。

缺点：需要根据现场情况制定方案，仅仅适合部分特定场所。

1.5 小结

上述4种解决方案均存在不足，无法解决大规模室外机布置的问题。图7为杭州某IDC在机房的楼顶和侧面均安装了空调外机，采用上述移机等方案难以解决。

图7 数量众多的空调外机

鉴于这个原因，我们提出了三种新的水冷改造解决方案，在确保机房空调正常运行的同时，极大地提高了空调的能效比，很好的起到节能作用。

2 机房空调水预冷系统

2.1 风冷局限性

风冷空调在实际安装过程中，容易受到空间的限制，导致气流短路循环，冷凝器的热量无法及时散出，导致系统高压偏高，高压跳机，影响机房安全，杭州电信某IDC就是一个典型案例。该IDC机房设计安装了140台100 kW的艾默生和佳力图机房空调，其中90台机房空调共180台室外冷凝器安装在空间狭小、拥挤密闭的楼层甬道内，图8、图9为了建筑的美观，还在甬道外侧安装了大量的装饰板，这使得冷凝器无法正常的把热量排到室外，导致通道内出现严重的热排风回流及热岛聚集效应，空调无法正常使用。

图8 外机密集安装情况

图9 甬道内的空调

2.2 空调实际运行情况

从该数据中心机房空调实际使用情况来看，由于冷凝器安装密度高，回风面积不足、热空气短路，散热不好，空调耗电量非常大，这加快空调压缩机的磨损程度，缩短了空调压缩机使用寿命，维护成本增加；而且环境气温超过28℃，该IDC的机房空调就高压频繁，严重影响机房的安全。2011年4月29日，在室外环境温度30℃情况下，一个甬道仅安装四台空调（8台外机）的情况下，甬道内温度达46℃，三楼南机房空调均陆续出现高压告警，无法正常使用。为了保证机房空调的正常使用，对安装在南北通道内的冷凝器安装了水喷淋应急的方法，作为机房空调正常使用的补救措施，但是使用一段时间后，发现水喷淋系统有明显的副作用，风冷冷凝器出现了一定情况的腐蚀（图10）、结垢现象，影响力空调外机的寿命，也降低冷凝效率；另外水喷淋采用直排水，导致水资源消耗量较大。

图10 翅片使用前后对比情况

鉴于上述情况，根据该IDC机房空调的现场安装条件和空调的数量、功率等情况，经分析讨论，提出了该IDC风冷型室外机高热密度改造处理装置，即机房空调水预冷优化改造方案。就在在原有风冷空调采用串加水冷壳管式冷凝器的方式进行改造，解决空调在夏季高温气候条件下高压报警现象，提高空调的冷凝换热量和空调的COP，减少压缩机和冷凝风机的实际工作时间，降低能耗。

2.3 水预冷工作原理

工作原理如图11，采用辅助换热器即壳管式冷凝器，冷水由配套的无风机冷却塔供应，经过换热后产生的热水通过管道回到冷却塔，完成一个循环，利用水泵实现水路循环。高温高压的氟利昂气体首先经过水冷却式热交换器冷凝后，变成中温中压的汽液混合物，然后再流经风冷冷凝器进行二次自然冷凝，提高冷凝效果，使风冷冷凝器风机减少或停止工作，以达到节电、节水（喷淋）、减少机器磨损、降低噪音的目的。

图11 水预冷工作原理

2.4 水预冷方案实施

楼顶安装无风机冷却水塔3台、水处理器2台，1层平台安装水泵3台（两组1备）、壳管冷凝器75台（双系统冷凝器）、电气控制柜及水管／阀门等，系统组成如图12。针对机楼4层平台75台原空调风冷室外冷凝器，加装辅助水冷壳管冷凝器改造。该方案在2011年进行设计，2012年建设并投入运行。

图12 某IDC水预冷系统图

2.5 系统特点

（1）风冷冷凝器压力控制器（调速器）启动压力设定为18 kg／cm2，停止压力设定为17 kg／cm2。当水冷却系统出现冷却效果不佳、水泵损坏、水路堵塞后，氟利昂压力一旦超过18kg／cm2，风冷冷凝器马上启动风机进行冷凝。冷凝压力下降到17 kg／cm2时，风机停止工作；

（2）采用低噪音无风机冷却塔，不使用冷却风机，更加节约用电；

（3）水泵设计采用二主一备方式，实际运行采用一主一备方式，运行稳定。

2.6 节能分析和效益估算

（1）节电测试

某IDC水预冷系统建设完工后，已于2013年3月份正式启用，从系统运行情况来看，由于热回收系统没有运转部件，控制也比较简单，设备运行基本平稳，对各机房节电情况测试如表1。

表1 水预冷节电情况

从表上看，启用水预冷系统后，2－2、2－3、3－3这些机房由于主设备负荷增加，造成空调用电增加，其余机房节电非常明显。

（2）节能情况

从接入水预冷系统且机房负荷不变机房空调运行电流来看，接入前电流为9 959A，接入后下降为8 281 A，电流下降1 678A，节电率为16.85%；考虑到3月份环境平均气温为25℃，如果环境温度为30℃，每个空调屏还可以节电15A电流，电流可以下降1 828 A，节电率可达18.3%，非常可观。

综合节电：目前该IDC空调耗电为16 276A，折合功耗为（16 276×220）×0.8＝2 865kW，节电按18.3%计算，水泵功耗为50kW，

每月可节电：（（2 865）×18.3%－50）×24×30＝341 492kWh

节省动力费：341 492×0.8＝27.3万元每年节电：341 492×8＝2.73×106kWh

考虑该IDC的实际情况，水预冷系统可以使用8个月，故全年可节电动力费为：27.3×8＝218.4万元。

（3）维护费用

冷却水系统维护管理主要为水侧压力、温度等参数抄表管理，看系统是否处于正常运行范围内，若系统出现异常应及时排除。正常维护委托给数据中心值班人员进行维护，不需要增加任何人工成本。

（4）运行水费

系统循环水量为800m3／h，由于漂水、蒸发散失，需对冷却塔进行补水，补水量按系统循环水量的1.2%计算，平均每天所需补水量为9.6m3／h×24h＝230m3

每月用水费用为：230m3／天×30天×4.15元／m3（某IDC实际水费价格）＝28 635元

考虑过渡季节室外温度低，开启冷却塔台数少，因此全年运行水费考虑系统0.7的开机系数，则全年运行水费为：28 635元×8×0.7＝16万元左右

（5）综合收益

采用冷却水系统每年可减少用电273万度，减少运行电费约218万元。基本不需要维护成本，增加了水费约16万元／年。考虑2－4楼平台空调室外冷凝器原水喷淋辅助降温停用，由原流淌式水耗，变为冷却蒸发式水耗，节水率达85%以上。

2.7 结论

从使用效果来看，采用机房空调水预冷系统，改善了机房空调性能，机房空调外机的风扇可以停止运行，压缩机电流大幅下降，机组的能效比得到显著提高，由于冷凝条件的改善，机房空调使用寿命延长了，机房运行更安全了，综合收益非常理想。

3 冷凝热回收系统

如果适当回收冷凝热并加以利用，比如用这部分热来加热自来水，就可以获得免费热水，而且采用冷凝热回收装置后，可以适当降低机房空调的能耗，并避免了冷凝废热排放造成的热污染，另外也可以降低普通热水生产过程中使用锅炉造成的温室效应，可以说是一举三得。

3.1 热回收原理

空调冷凝热回收系统设计挺简单的，只是在普通风冷冷凝器的进口前增加一个板式热交换器（如图13），冷水通过水流量开关进入热交换器入口，水流量开关控制冷凝水的温度和水量，热回收装置通过逆流循环吸收压缩机排出的高温高压制冷剂释放的热量，降低制冷剂温度的同时制取45℃～60℃的热水。

图13 废热回收系统原理图

3.2 热回收试点和案例

本次试点所在的IDC是浙江省第一个五星级机房，也是华东地区最大的IDC机房之一。本次工程选取该IDC中心七号IDC机房内的10套机房空调进行冷凝热回收技术测试，空调总制冷量800 kW，测试的水源为城市自来水，水源经过水质处理后引入到保温水箱，通过水泵将水打入机组进行循环加热处理，直到达到需要的水温后，送到半地下水箱进行保存，图14为系统设计透视图、图15为系统设计平面图。

图14 热回收系统实施平面图

本次冷凝热回收节能改造主要核心技术是冷凝热回收采集器（图16）实现空调压缩机在制冷运行中排放出的高温冷媒蒸汽与被加温冷水的热交换，将压缩机排出的热量转换成可利用的热水（图17），其实质是一个高效的板式热交换器。

3.3 节能评估

工程实施后，节能测试情况如下表2。

表2 热回收节能测试情况

图15 热回收系统平面图

图16 热回收采集器

图17 热回收采集器内部结构

从使用效果来看，采用机房空调热回收方案，改善机房空调性能，机房空调外机的风扇可以停止运行，压缩机电流也有了一定的下降，机组的能效比得到显著提高，由于冷凝条件的改善，机房空调使用寿命延长了，机房运行更安全了。而且本方案在降低IDC机房空调能耗的同时获得了免费的热水，这些热水数量非常巨大，但由于热水袋水温不是太高，故不适合运输，就地消化比较理想，如可以供给附近的宾馆、酒店、浴场等服务行业或者需要大量工艺热水的制造业，综合收益会比较理想。

4 机房空调冷却水系统

随着数据中心的发展，风冷空调的冷却面临着一个难题，大量的室外冷凝器安装需要非常大的场地，外机集中布置导致外机工作不良，同时铜管过长不仅影响制冷效率，成本高，安装难度大，而且影响建筑物外观，特别是现代的电信枢纽楼，越来越多地采用高层设计，在高层建筑中传统的风冷机房空调外机无法布置，这种情况下，只能选用水冷方案。

4.1 实施案例

浙江省某长途枢纽大楼是比较具有代表性的一幢高层建筑，楼高200多米，建筑面积约80 000 m2，集机房和办公功能于一体，其中1楼到21楼为机房，无法布置风冷冷凝器，决定采用水冷机房空调系统，原理如图19。

图18 水冷空调系统原理图

为了满足通信枢纽楼制冷的要求的要求，该长途枢纽大楼1层～21层采用了水冷的专用空调系统（闭式冷却系统＋外置壳管式水冷冷凝器机房专用空调机组），系统设计了2个相对独立的单元，每个单元由4台冷却水量为BAC闭式冷却塔和3台的冷却水泵组成，楼层水平支管采用联络阀联络（图19）。

4.2 系统运行情况

系统安装8台每台冷却塔标称冷量为1 500 kW，4台冷却塔并联工作时，冷量为6 000 kW。整个枢纽楼目前安装单台冷量为100 kW的机房空调90多台，散热量合计11 000 kW以上。专用空调水系统设计长期稳定工作的最高供水温度为32℃。该专用空调水冷系统从2006年4月投入运行，运行非常稳定，至今已经6个年头，为通信枢纽楼的正常运行提供了非常好的保障。