通信机房风冷专用空调长管路下的系统设计

2020-04-23赵路平

建筑热能通风空调 2020年2期

赵路平

中国移动通信集团设计院有限公司上海分公司

风冷机房专用空调，按照规范定义属于计算机和数据处理机房用单元式空气调节机的一种[1]，规范中规定了机组制冷量的试验方法，其中有一条试验条件需要特别说明下，即试验条件中规定了室内外机组的冷媒管连接管长为5～7.5 m[2]。笔者咨询了多个机房空调厂家，机组测试时也是按照冷媒管长5～7.5 m的范围内进行测试并作为机组名义工况下的参数，同时各厂家也会给出推荐的管长应用范围，多数如下：单程冷媒管最大物理管长为60 m，当冷凝器在室内机上方时，室内机与室外机安装的垂直最大距离为20 m，在下时，垂直最大距离为5 m。且在此范围内制冷量满足规范中规定的不小于名义制冷量的95%。对于通信建筑多数在推荐的应用范围内，然不排除有些项目受制于建筑本身制约，尤其是一些老旧机房空调替换和扩容项目会不得不超出厂家推荐的管长范围，此时就不得不考虑超长条件下对空调冷量的影响。从制冷原理分析，机组的制冷衰减量随着管长的增加而增大，当应用管长超过60 m时，由于制冷衰减量不得而知且不可忽视，这给空调设计人员带来很大的难度。通信机房不同于常规民用建筑，对空调的依赖和要求更高，如果对此因素考虑不足，很有可能造成设备选型的制冷量不足，影响电子设备正常运行，严重者可能造成较大经济损失或者公共场所秩序混乱。因此，对于风冷机房专用空调在冷媒管超长管路下的设计和选型，显得很有必要研究和思考。

1 项目概况

上海某通信机房建筑楼层共5层，二层为通信电子设备间，建筑面积约2000 m2，其余4层为办公楼层，二层层高7 m，三、四、五层高为4 m。设计为风冷机房专用空调，室外风冷冷凝器布置于建筑屋顶，内机布置于二层各电子设备间，机组示意图见图1所示。由于建筑内没有空调管路井可用，只能从建筑的屋顶经建筑外立面再进入机房，导致部分空调管长超出厂家的推荐范围，经测算，冷媒管单程物理管长在70～80 m范围内。经咨询多个设备厂家，均表示冷媒管长虽然超出了推荐的应用范围，但机组也能正常运行，至于冷量衰减多少，目前行业内很少能准确提供。与此同时，由于现场安装空间受限和预算制约，作为设计人员也不能无条件无依据的选型较大冷量的机组。如果按照计算冷负荷选取，有可能冷媒管超长制冷量衰减较大，导致实际制冷量不足。基于面临的问题，笔者查阅相关文献和咨询相关专业人员，形成了如下的分析和解决思路。

图1 机房专用空调示意图

2 冷媒管路超长条件下问题分析

机房专用空调冷媒管超长时，主要产生两个问题，一是制冷量衰减，二是压缩机润滑油回油困难。

1）制冷量衰减

从制冷循环的角度，可分析出冷量衰减的原因主要体现在两方面：一方面是冷媒管过长时，冷媒液管的沿程阻力损失增大，加上与外界的换热升温，将会造成部分冷媒提前汽化，导致进入蒸发器中液态冷媒减少，引起制冷量下降。另一方面冷媒管过长时，冷媒汽管的压降也会增加，导致压缩机的排气压力升高，从而使压缩机的压比增大，容积效率降低，制冷效率降低，制冷量减少[3]。借助压焓图，能更加直观的看出制冷量减少，见图2所示，ABDE为标准管长的制冷循环，aBde为超长管长的制冷循环，在室外换热量一定的条件下，单位质量的冷媒制冷量由AB减小为aB，且A点的干度小于a点，意味着用于制冷的液态冷媒量减少，两者叠加后总的制冷量更加减少。

图2 冷媒管管长变化的压焓图

2）压缩机润滑油回油

除冷量衰减外，冷媒管过长时，压缩机润滑油回油的问题也不容忽视。据了解，目前行业各厂家的标准机组多数都不配置油分离器，润滑油的流动是伴随着冷媒一起循环流动。当冷媒管较长时，润滑油的循环路径越长，对压缩机越不利，尤其是当机组停机时，汽管中的油滴在重力作用下沉积到底部水平管或者压缩机出口。当系统再次启动时，压缩机排气口冷媒带动油滴经过整个循环管路才能再次回到压缩机内，路径较长时很有可能造成压缩机缺油而损坏，故润滑油回油的问题也是机组安全运行的重要因素之一。在没有油分离器的情况下，目前厂家推荐的做法是在汽管上加装存油弯，汽管垂直高度上每隔5～10 m内设置一个存油弯。存油弯的工作原理：当系统停止运行后，汽管中的油滴分段暂存在存油弯中，当系统再次运行时，存油弯中的油滴在冷媒的带动下，循环流动再次回到压缩机内。同不设置存油弯相比，润滑油的循环路径缩短了相当于垂直高度的距离，可减少了回油困难。如果有选择的情况下，建议设置设置油分离器，回油效果更优。

3 超长管路下系统机组容量选型和管路的设计

经以上分析，可知工程设计人员主要面临着该如何把握冷媒管超长衰减量的问题。笔者查阅了相关设计规范，如《数据中心设计规范》GB50174，《通信建筑工程设计规范》YD5003等，《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》GB 50736等均未提及超长条件下机组容量选型该如何考虑[4-6]。《计算机和数据处理机房用单元式空气调节机》GBT19413也没有规定设备厂家需要提供冷媒管长度对冷量衰减的修正系数。故不妨换个思路来考虑这个问题，多联机的系统形式和工作原理，同风冷机房专用空调相似，主要区别在于多联机的压缩机在室外机侧，从前面的分析可知，冷量的衰减主要取决于冷媒循环流动中的沿程阻力。对于相同管长条件下，无论压缩机在室外机侧还是在室内机侧，汽管和液管的管长并没有发生变化，冷量的衰减应该呈现相似的规律，这为借鉴多联机的衰减系数提供了可能性。依据《多联机空调系统工程技术规程》JGJ174中的相关说明，多联机行业冷媒管最大管长能达到150 m，垂直高差50 m[7]。他们是如何解决超长引起冷量衰减的问题，从规范《多联式空调（热泵）机组》GB/T 18837-2002到2015的升版内容对比，新版增加了冷媒管长修正的相关规定[8-9]，其目的就是为满足实际工程设计需要，期望制造商提供机组性能衰减与连接管长的修正数据。基于多联机冷媒管超长修正从无到有的过程来看，笔者相信风冷机房专用空调相关规范的再升版也会提出相关规定，不妨先借鉴多联机的设计方法，应用到风冷机房专用空调上。

3.1 多联机设计方法借鉴

《多联式空调（热泵）机组》GB/T 18837-2015中明确的规定厂家需给出不同长配管下机组制冷量修正系数，见图3所示。《多联机空调系统工程技术规程》JGJ174中也明确提出了机组容量选型应考虑室内外机温度，室内外机负荷比，冷媒管管长和高差，融霜的修正。对比风冷机房专用空调，由于是一对一的室内外机，以及机房专用空调常年处于制冷工况，故室内外机负荷比和融霜无需考虑，则剩下另外两个因素，即室内外机温度，冷媒管长和高差需要考虑。

对于温度修正系数来说，机房专用空调试验工况室外侧空气温度为35 ℃[10]，从全国热工分区来看，严寒地区，寒冷地区，夏热冬冷地区，夏热冬暖地区和温和地区的夏季空调室外计算温度多数都低于35 ℃，少数地区在35～36 ℃范围内，极个别的高出36 ℃，如重庆36.5 ℃，浙江丽水36.8 ℃，吐鲁番40.3 ℃[6]。综合来看，全国大部分地区几乎无需考虑修正，个别地区可根据实际情况考虑修正。

图3 冷媒管长度对机组制冷量的修正系数

对于管长的修正则属于共性存在问题，不妨借鉴多联机管长的修正系数，多联机和机房专用空调修正系数理论上是不完全相同的，如前所述由于两者系统形式和运行特性十分接近，呈现出来趋势是相似的，修正系数也是比较接近的。尤其对于当前缺少设计参考和依据的条件下，有较大的参考意义和价值。同时，笔者查阅对比了某多联机厂家不同型号的机组给出的管长修正系数，多数都要高于规范GB/T 18837-2015给出的参考值，为了保证选取的机组容量足够可靠，取最不利的修正系数图，即图3作为设计参考依据。

另本项目经过多次与厂家沟通，厂家做了大量模拟计算，最终给出的80 m管长修正系数值是0.895，60 m管长修正系数为0.948。对比图3查得80 m修正系数为0.868和60 m为0.896，两者对比来看，多联机的衰减系数更大些，从设计的角度来讲偏差基本能够接受且采用多联机的修正系数机组制冷容量保障性更高。对于不同项目在应用时，也可依据实际情况，在此修正系数图的基础上，对实际修正系数可进行适当调整。

3.2 系统管路设计

除了管路超长冷量衰减外，连接室内外机的冷媒管路设计布置也需要注意，如下三个方面尤其要关注：冷媒管径选择，润滑油回油，压缩机运行。

冷媒管管径选型一般厂家会推荐一个范围值，对于超长管路可适当取较大的冷媒管径，这样可以减少沿程阻力损失，对冷量衰减进行适当补偿。但也不能不加限制的增大，冷媒管径太大，流速会降低，不利于压缩机润滑油的回油，因此要兼顾考虑。

根据分析，润滑油回油需要设置存油弯，具体见图4所示。

图4 机房专用空调冷媒管路示意图

压缩机运行主要考虑当机组停机时，一方面冷凝器中冷媒液体在重力作用下，反向流动积聚到压缩机出口管路上，再次启机时，将会引起压缩机排气口高压报警，故可在冷凝器入口设置单向阀，防止冷媒液体倒流；另一方面冷媒液体在重力作用下流入到蒸发器内，再次启机时很有可能造成液体来不及蒸发进入到压缩机内产生液击风险，故可在蒸发器入口设置电磁阀，防止冷媒液体进入蒸发器内。单向阀和电磁阀都一般不属于设备厂家标准配件，对于超长管路是需要设计人员额外提出需求配置，见图4所示。另外，也可在冷凝器汽液管上分别设置反向U形弯，汽管上的U形弯和单向阀的功能相同，起到双重保护的作用。液管上的U形弯作用是系统停机时，减少作用在各部件的静压，如视液镜，膨胀阀等，延长使用寿命。但是多设计一个U形弯对系统来讲，就多增加一个局阻部件，冷量衰减就会更多，对于设计人员，可根据项目实际情况，权衡利弊，选择是否设置。