超高层老旧通信枢纽楼空调能力提升改造探索和实践

贾继伟，何炬亮，马 德

（1.中国电信股份有限公司浙江分公司，浙江 杭州 310040；2.中国电信股份有限公司杭州分公司，浙江 杭州 310040；3.华信邮电咨询设计研究院有限公司，浙江 杭州 310000）

0 引 言

从20世纪80年代到21世纪初，全国很多大中型城市纷纷建设了高大的通信枢纽大楼，少则十多层，多则二三十层，有不少都成为了当时城市中的地标性建筑。随着通信技术发展和装机密度的提升，这些枢纽大楼普遍面临着电源、空调能力不足、电源利用效率（Power Usage Effectiveness,PUE）偏高、改造扩容难度大等问题。尤其是超高层的塔楼，一般为筒体结构，外立面多为封闭幕墙，空调形式以集中冷冻水系统为主，改造难度和风险大，限制了大楼的使用发展。

本文探讨的杭州第二枢纽大楼就是典型的此类超高层塔楼建筑，也存在上述空调及电源的典型问题。下面将针对空调系统进行分析和讨论，实际项目中必须同步考虑电源的瓶颈与改造问题。

1 杭州二枢纽楼空调系统概况

杭州第二枢纽大楼（以下简称大楼）位于杭州钱塘江畔，建于1999年；高232 m，共43层，其中地下2层、地上41层，总建筑面积约48 000 m2。大楼分低、中、高3个分区，低区（10层及以下）和中区（11～21层）为机房，高区（22层及以上）为办公。

大楼最初的空调系统（以下简称老系统）是根据20世纪程控交换时代机房设备装机密度设计的，单位面积功率最高约在150 W/m2（相当于单机柜平均功率为0.5 kW左右），最低的不足70 W/m2；各楼层均供冷暖空调。空调冷冻水由地下一层冷冻站供给。低区、中区空调冷冻水供回水温度7/12 ℃；高区一次冷冻水经22层中间转换后，形成9/14 ℃二次冷冻水。空调热水由裙房锅炉房内热交换站供给，一次热水供回水温度95/70 ℃，低区、中区、末端热水供回水温度为60/50 ℃。其中，高区经22层中间转换后，二次热水供回水温度60/50 ℃。

地下冷冻站共配置了8台离心式冷水机组，其中3台550RT（制冷量1 934 kW）机组对应3台600 m³/h冷却塔供低区楼层和附楼，2台500RT（制冷量1 758 kW）机组对应2台500 m³/h冷却塔供中区楼层，3台550RT（制冷量1 934 kW）机组对应3台600 m³/h冷却塔供高区楼层；冷却水供回水温度均为32/37 ℃，冷冻水循环水泵、冷却水循环水泵均为一对一设置，并各设置备用水泵一台。

大楼正式投入使用是在2006年。根据当时技术演进和设备功率密度增长情况，结合新的楼层功能定位，对大楼空调系统进行了一次较大的改造。此次改造一方面对原空调冷冻水系统的管路进行局部调整，取消了中低区机房楼层的供暖；另一方面主要是创新建设了一套覆盖中低区楼层的独立冷却水机房空调系统（以下简称新系统），按两个互通单元设计；每个单元各配置4台冷却水量380 m³/h的闭式冷却塔（3用1备，设于室外平台）和3台600 m³/h的冷却水泵（2用1备，设于地下室），冷却水供回水温度32/37 ℃，散热能力6 000 kW；机房空调末端采用冷却水型机房专用空调。该系统对各层机房装机密度进行了较大提升，最大的互联网数据中心（Internet Data Center，IDC）机房超过了800 W/m2（相当于单机柜平均功率为2.5～3.0 kW）；其他机房除传输和接入机房150 W/m2外，普遍提升至300 W/m2（相当于单机柜平均功率为1.0 kW左右）。

此后各楼层机房均由新系统提供空调制冷能力；老系统主要为办公楼层供冷暖，夏季白天兼作机房空调的后备系统（各机房大多留有老系统的风柜系统或风机盘管），如图1所示。

图1 大楼空调系统示意

2 空调系统运行情况及存在问题

大楼启用后，各机房装机速度很快，超过了规划预期。与此同时，单机柜功率密度也悄然增长。尽管新系统设计时已做了充分扩充和预留，但仍赶不上实际的技术演进和功率增长速度。仅仅5年时间，大楼的冷却水空调新系统已接近设计负荷。

2011年起，大楼逐步进行了规划调整，陆续将IDC机房和IT系统、业务网系统搬离，同时基础网、核心网等枢纽/核心类设备仍源源不断地装入大楼，总负荷屡屡“触碰警戒线”，不见有明显下降。截至2020年，在用主机房共23个，安装总机柜数约1 200个，单机柜平均功率约2.0 kW；其中8个机房装机率不足50%；有5个机房规划改作办公（19～21层），还有6个机房因空调能力不足而无法启用。这种“出入平衡”艰难地维持了10年，对网络发展建设造成了极大的阻碍，对机楼资源造成了浪费。

随着使用时间的增长，新系统的设备、管路、管件、阀门等逐步开始老化和更换，期间亦发生过冷却塔盘管漏水、阀门漏水、主管软接爆裂等多起故障，所幸未造成重大事故。此外，2012年起冷却塔已无法做到6+2备份，改为7+1运行，进一步增加了系统风险老系统年久失修，管路复杂，末端能力受限，难以真正承担机房备用空调的职责。作为全国首套超高层枢纽楼冷却水机房空调系统，面临两难抉择。

3 空调系统改造提升方案探索

假如大楼空调和电源瓶颈能够解决，所有机房均能完全利用，并消除系统单点故障，则共可规划机房34个，安装总机柜数约2 800个（标准层平面图如图2所示），单机柜平均功率按4.5 kW计算，则相当于总能力提升了5倍有余，相当可观。按此规划，机房空调冷却塔散热量缺口至少约12 000 kW。

图2 杭州第二枢纽楼标准层机房平面布置图

根据现场查勘，结合相关部门意见，在2018年初步提出3个方案。

3.1 方案一：利用现有冷冻水系统（老系统）

该方案的思路是对老系统进行改造，充分发挥冷冻站的现有设备能力，将其作为机房空调的备用系统。但现有冷冻水系统设备已购置多年，设备陈旧，长期运行存在故障率较高风险，同时系统设备、管路容量受限，无法满足机房供冷需求。现有中央空调系统管路敷设复杂、空间有限、改造难度大，无施工空间。对系统改造投资高，收益低。经专家组讨论，几乎都不建议采用该方案。

3.2 方案二：扩容冷却水机房空调系统（新系统）

现有冷却水机房专用空调系统2个单元共设置8台闭式冷却塔（当前7+1模式），水泵实际运行在40 Hz，主管路采用DN400管径，都有一定余量。若对每个单元增加1台300 m³/h闭式冷却塔，提高冷却水泵频率，单台流量达到750 m³/h时，单模块水量1 500 m³/h，管路比模阻约为240 Pa/m，水泵扬程仍可满足需求。5台冷塔同时运行，理论可实现每单元8 708 kW散热。这样只需增扩2台闭式冷却塔和部分管路，改造室外机平台就可以实现8+2运行模式，既能解决安全性问题，又能提增少量能力。

但该方案也存在一定风险：一方面，冷却塔接管管路已安装运行多年，在线拆改可能会带来不确定风险；另一方面，该方案对系统能力提升不多，并未从根本上解决空调系统的安全性和容量问题。此外，该系统冷却塔所在方向有新开发楼盘住户，已多次向市长热线投诉噪声问题，冷却塔扩容恐难获批。最终该方案未能实施。

3.3 方案三：新建冷却水机房空调系统（第三系统）

为彻底解决大楼机房空调系统的安全等级及通信设备扩容装机需求，在大楼另一侧按现有冷却水系统（新系统）的模式，再新建一套冷却水机房空调系统（第三系统）。根据大院场地情况，系统共设置 8台350 m³/h 闭式冷却塔（6+2），安装在新建室外钢结构平台上，同时配套设置4台700 m³/h冷却水泵（3+1）。

该方案可从根本上解决大楼空调系统存在的问题，且改造工程不影响现行冷却水机房空调系统的运行。但缺点是施工改造量大，投资较高；改造涉及大量在网机房局部区域设备搬迁改造，风险很大；院内需增加冷却塔平台布置冷却塔设备，管路需架空敷设，影响园区景观，同时需报规划部门审批（据悉获批难度极大）。最终该方案也未能实施。

4 结合核心机楼规划，推进空调系统升级改造

4.1 机楼规划及总体改造方案

2021年，全省启动了核心机楼中长期规划工作，对该大楼的整体功能也作了全新的定位：大楼将继续承担省级核心机楼基础骨干网络枢纽功能，精简其他功能，搬离所有IT系统、业务网、以及核心网系统；腾退中区机房（可改作办公等），收缩至低区机房，提升装机密度；可安装标准机柜1 300个，单机柜平均功率为4.5 kW[1-3]。也就是说，按此规划，只需牢牢确保1～10层低区机房的制冷能力和安全性，在总机房数削减一半的情况下，总可安装机柜数不减反增，更是大大增强总负荷能力。

项目组对先前空调改造方案进行了重新审视，并对现有老系统和新系统都进行了深入查勘，结合原方案一和方案三的思路，提出了全新的空调系统改造方案，如图3所示。

图3 全新的空调系统改造方案

简单地说，该方案利用老系统现有条件（场地、楼内主立管系统、地下冷却水管路系统等），拆除冷冻站中冷水机组等设备进行更新改造，形成一套新的机房用冷冻水空调系统，与原冷却水系统（新系统）形成互备，满足总冷量6 000 kW以上需求，同时兼顾办公需求。

改造涉及主要内容包括：更换地下冷冻站内8台离心式冷水机组（本期建设7台）；更换冷冻水、冷却水泵各11台；更换裙房屋面8台冷却塔及相应冷冻水、冷却水管道改造；新增自然冷却板换及配套设备等[4]。

该方案的实施必须同时结合机楼规划功能调整的推进，即原中区机房退网，空调并入高区空调系统，由原高区主机及锅炉房供冷（暖）；机房均收缩至低区，由原中、低区冷水主机供冷，生产与办公空调完全解耦。

同时，根据核心机楼规划及节能降碳工作要求，本次改造将大楼的PUE由原先的2.0以上降至1.5以内。

4.2 系统改造方案若干问题探讨

4.2.1 冷水机组选型问题

冷水机组的更新改造是本工程的核心内容。当前地下冷冻站的吊装口早已封闭，且有管道和高压线缆阻拦；消防楼梯又比较狭窄，难以通过大型设备。这也是2018年最初提出的方案一被否决的主要原因之一。随着近年空调装备技术进步，可拼装的模块化磁悬浮离心机组的出现很好地解决了这个问题。经参数比对分析，磁悬浮离心式机组在局部负载下的性能系数及适应低温冷却水的性能均优于常规离心制冷机组，因此本项目选用模块化磁悬浮离心机组。

设备容量方面，考虑空调近期负荷和将来的业务发展需求，制冷机组的容量应冗余做大。但为了充分利旧现有冷冻水和冷却水管路，机组必须适配现有冷冻水管径（DN 250）和冷却水管径（进水管DN 300、出水管DN250）。空调水系统水管理想比摩阻在100～300 Pa/m，不超过400 Pa/m。经对比分析，将机组的制冷量扩大到600RT，在管径不变的情况下，冷冻水和冷却水比摩阻变化均不大，仍处于理想区间内[5]。

4.2.2 冷却塔改造问题

老系统原有冷却塔设备安装在附楼楼顶。经现场查勘，冷却塔使用年限长久，填料脆化、冲洗时易破碎，散热效果差；管路布局复杂，且现场未预留维护检修通道，进出困难，维护不便。本次改造对附楼楼顶冷却塔及外部管路进行整体拆除改造，提升高度，增加底架及检修钢平台，便于通风和维护。同时，考虑周边新建住宅楼盘环境问题，本次改造采用静音型冷却塔，并在女儿墙安装消声隔音百叶，以进一步降低噪声影响。

4.2.3 系统及管路问题

基于对老系统主管路品质的初步判断，本项目尽可能利旧原有楼内立管及地下冷却水管。

老系统原为高、中、低区完全独立运行，本次结合大楼规划调整，将中区供回水管路在中低区之间截断（考虑高区管长限制，实际在14楼截断），其低区段与原低区系统管路共同为低区机房供冷，中区管路的中区段与高区二次供回水管路连通，实现高区系统向中区的冷暖供应。

经核算低区系统原有管路加上中区系统改供低区的管路，总计可承担冷负荷能力为8 600 kW，可满足低区4台冷水机组运行需求。原低区系统3台主机，中区系统2台主机，改造后更新的5台主机恰好可以形成4+1冗余模式，满足低区机房制冷需求。

此外老系统原未配置板式换热器。本项目为实现节能降碳的目的，需充分运用冷却塔自然冷源，特增配板换。

4.2.4 机房空调末端及气流组织问题

原各机房空调均采用冷却水房间级专用空调（新系统）。老系统改造后，向低区各层机房提供冷冻水能力，可以满足不同形式末端供冷需要。

当各机柜功率较均衡时，可采用冷冻水型房间级空调，与原冷却水型空调形成备份。此时，靠墙的空调区域应设置挡水坎，并设置导流槽和泄水孔。机房因层高及消防管路限制，只能采用冷通道封闭+架空地板下送风方式，无法采用热通道封闭+吊顶回风方式。

当机柜功率不均衡，存在局部大功率设备时，也可在楼层设置水氟转换器，采用热管列间空调或背板空调。

4.2.5 改造后运行模式

改造后大楼机房空调将形成冷冻水空调（改造后的老系统）与冷却水空调（新系统）同时存在，相互备用的系统级1+1备份关系，平时冷冻水空调系统为主用，冷却水空调系统为辅用。

集中式冷冻水空调在冬季及过渡季节可利用室外自然冷源进行制冷，具有较高的系统制冷系数。在夏季室外气温较高时，开启冷却水空调系统相比冷冻水空调系统可节约冷冻水泵的输送功耗。因此，建议冬季主用冷冻水空调系统，而夏季开启冷却水系统为机房供冷，同时利用夏季作为冷冻水系统的全面检修维护时间段。

5 结 论

杭州二枢纽楼空调系统改造项目自2021年正式启动实施以来，目前已接近尾声。本项目对在运行老旧省级核心机楼空调系统实施近乎全面的改造，其复杂度、难度和风险都相当大。除了上述讨论之外，还有诸如施工场地紧张、操作空间狭小、时间窗口受限、管道探伤、管廊维修、冷冻站布局优化、楼宇设备自控（Building Automation,BA）系统控制、配电改造等一系列问题，对项目管理和设计、施工来说都是不小的挑战。本项目的成功实践，将为同类型超高层通信枢纽楼的空调系统改造提供可行的经验借鉴。