运用水冷技术解决通信机房空调散热及噪声问题

王静锋，李 菁，龙志国，郑明育

（1.中国电信武汉分公司，湖北 武汉 430030；2.湖北邮电规划设计有限公司，湖北 武汉 430030）

1 项目背景

某枢纽通信机楼内安装、部署了大量的数据通信、无线通信、干线通信设备，整个大楼为全玻璃幕墙，机房空调室外机全部摆放在东北和西南两侧阳台上，通过打开玻璃窗的方式进行散热。近年来，随着5G、IDC、云业务的快速发展，通信设备功率密度越来越大，单机柜平均功率密度由最初的3～4 kW/架发展至5～12 kW/架，个别核心设备功率密度更是高达28.9 kW/架，原有空调的散热方式已不能适应新形式下的要求[1]。尤其是到夏季，阳台环境温度接近60 kW·h，空调室外机的热量无法及时散发，造成机房空调频发高压报警停机，机房温度快速上升，严重威胁通信设备的正常运行，严重时只能通过在机房放置冰块加风扇的方式缓解机房高温，存在巨大的安全隐患，同时由于空调压缩机长期在恶劣工况下运行，空调故障率高、能耗高，消耗大量运维成本，不符合国家的节能减排要求，并且大量室外机风扇运转发出的噪声也影响到周边居民的正常生活，导致噪声投诉不断，环保部门多次上门要求整改。

2 改造方案

为消除通信设备运行安全隐患，响应国家节能号召，降低环境噪声污染，公司对枢纽通信机楼专用空调进行水冷改造。在大楼新建一套水冷循环系统，在现有的空调机组室外机高压管路中，串联一台水冷壳管式换热器，将室外机的热量由水循环带走，送到楼顶冷却塔进行冷却，空调的主散热方式由原来的风冷改造为水冷，风冷仅作为水冷系统发生故障时的备用的散热方式。如图1所示。

图1 水冷循环系统

其工作流程如下：空调冷媒将室内热量吸收后，变为气态，经压缩机压缩后变为高温高压气态，流经水冷式壳管式换热器带走热量后，变为常温高压液态，流经室外机冷凝器，经液管回到室内膨胀后，进入蒸发器，由液态吸收热量蒸发为气态后再次进入压缩机，形成循环。而壳管换热器带走的热量经回水管进入冷却塔进行冷却，冷却后的冷水经进水管送入壳管换热器内，形成循环，完成风冷冷凝器的功能[2]。

在整个工作回路中，由于串联入水冷的壳管换热器，其散热能力达到风冷冷凝器的散热量，风冷冷凝器无需启动。既可降低能耗，又可减少室外风机的开启，降低噪声，一旦水冷系统发生故障时，根据设定好的压力风冷冷凝器自动启动，确保机房温度稳定。

3 方案实施

但是在按建设方案施工进行调试时发现了问题，当机房空调从风冷方式切换到水冷方式时，空调出现低压告警停机，多台空调调试均出现此现象。如补充冷媒使其在水冷方式下能正常工作，空调一旦从水冷方式切换到风冷时，又会出现高压告警停机。为此建设、设计和施工方进行了分析研讨，认为有以下几个方面原因。

（1）本次安装的壳管换热器为70 kW，普遍大于空调原风冷冷凝器，当采用水冷式壳管换热器进行冷却时，高温高压气态冷媒经过壳管换热器后迅速变成液态，此后流经原风冷冷凝器的管路全部为液态，导致系统中的冷媒不足。

（2）壳管换热器安装在空调冷凝器下方，落差近2 m，当冷媒在壳管换热器内变成液态后，管路中的压力还要推动液态冷媒克服冷凝器较长管路阻力和落差做功，导致进入到室内机的高压管路压力偏低[3]。

如果补充大量冷媒，确保系统水冷模式下能正常工作的话，一旦水冷系统发生故障，恢复到风冷运行模式时，又会因为冷媒过多空调出现高压报警停机，无法在水冷和风冷模式自由切换。

经过研究讨论，决定变更壳管换热器的接入方式，将壳管换热器接到冷凝器后端，压缩机压缩后的高温高压的冷媒先经过冷凝器管路后再流经水冷式壳管换热器冷却降温，变为常温高压液态，经液管回到室内膨胀后，进入蒸发器，由液态吸收热量蒸发为气态后再次进入压缩机，循环工作。

这样做的好处就是壳管换热器前端增加的管路中冷媒为气态，与原风冷运行模式相比，只需补充少量冷媒，便可切换到水冷运行模式。正常情况下，空调室外机采用水冷运行模式，原风冷模式作为备用，如果水冷系统发生故障，高压管路压力超过设定值，风冷冷凝器风机自动启动，确保空调制冷系统正常工作，当水冷系统修复后自动恢复到水冷运行模式[4]。

为达到这种自动切换效果，还需要对空调冷凝器风机启停压力进行调整，通常空调冷凝器风机启停以及运行速度均由高压管路压力控制，压力达到1.6 MPa时风机启动，低于1.4 MPa风机停止运行，水冷改造后对空调冷凝器风机启停压力进行调整，当压力达到1.8 MPa时风机启动，低于1.6 MPa风机停止运行。

经测试此方案可行，后续将壳管换热器全部改接到冷凝器后端，改接完成后，将水冷系统投入运行，楼顶冷却塔的出水温度设定为30 ℃，壳管式换热器进出水温度为30/35 ℃，整个水冷系统运行正常[5]。

4 实施效果

经过水冷改造后大大改善了空调室外机散热条件，2021年7月份武汉气温最高达37～39 ℃，机房空调均运行正常，未出现高压告警停机，机房温度正常。同时空调室外机风机停止运转后环境噪声大大降低，由之前的59.6/58.2 dB降为57.6/49.9 dB，一次性通过环保部门噪声检测，达到城市2类标准，解决了困扰多年的空调噪声扰民问题。

同时空调经过水冷改造后，耗电量大大降低，PUE值明显下降。以某层楼核心网机房为例，2020年6月份，机房设备用电量251 474 kW·h，空调用电量193 436 kW·h，PUE值1.77。2021年6月份设备用电量262 564 kW·h，空调用电量133 722 kW·h，水泵、冷却塔等用电按比例均摊5 437 kW·h，在设备用电与去年同期相比有所增加的情况下，空调用电减少了近6万kW·h，加上水泵、冷却塔等用电，PUE值1.53，降幅明显。

5 结 论

（1）通过本次对枢纽通信机楼空调室外机水冷改造，将空调室外机热量以水冷换热方式通过楼顶冷却塔集中排出，解决了原空调室外机平台的热岛效益，消除了机房空调夏季故障频发，机房出现高温的现象，保证机房设备的安全运行。

（2）空调水冷改造后，原室外机风机为停机备用状态，相当于给空调室外机增加了一套散热系统，大大提高了空调系统可用性，同时有效地降低了空调室外机噪声污染。

（3）由于水冷系统散热效果远远优于风冷，机房空调耗电量下降明显，尤其是夏季减少近30%。

（4）对于这种风冷空调水冷改造，水冷式换热器到底是安装在冷凝器前端还是后端需综合考虑，如果换热器换热能力超过风冷式冷凝器，且安装位置低于冷凝器时，应安装在冷凝器后端，否则无法做到在水冷和风冷两种散热方式之间自由切换。