新型機房空調散熱方式解決方案

葉明哲

（中國電信股份有限公司杭州分公司，浙江 杭州310000）

1 風冷機房空調的局限性

風冷空調在實際安裝過程中，容易受到空間的限制，導致氣流短路循環，冷凝器的熱量無法及時散出，導致系統高壓偏高，高壓跳機，影響機房安全。圖1是某地樞紐樓一個典型的空調工況差的情況，由于空調外機安裝在玻璃幕墻內，導致空調無法散熱；另外隨著大型數據中心的建設，普通風冷冷凝器面臨著這么一個問題，冷凝器大規模集中布置，容易出現嚴重的散熱問題，冷凝器如果布置？如果解決高熱問題？這些問題的處理和解決很是讓人頭疼，而在室外散熱受限的條件下，解決機房空調的散熱問題，對運營商的建設和維護部門來說，都是一個必須解決的事情。

圖1 密閉的玻璃幕墻導致風冷冷凝器無法正常使用

對于室外機散熱不良的問題，常規解決方法是對空調外機移位，加強通風，或者增設水噴淋、冷霧系統等方法，這些方法比較簡單，在特定的場合下可以起到一定的效果，但是從長遠和整體的眼光來看，這些解決方法均存在一定的局限性，下面對這些方法進行簡單介紹和對比。

1.1 空調外機移位，并放大空調外機散熱量

機房空調外機安裝不良導致的散熱問題，由于空間的受限，造成氣流短路，風冷型冷凝器的熱量無法散出，熱量無法及時帶走，導致系統高壓偏高，高壓跳機，影響機房安全。

案例1：杭州電信某IDC機房，原先空調安裝在二樓女兒墻內，由于女兒墻較高，加上空調外機布置較密，一到夏季，就導致局部高熱問題，空調出現高壓。解決方案：將二樓女兒墻內空調外機外移到頂樓，同時放大了空調冷凝器的散熱量，從而很好地解決了散熱問題。

案例2：寧波某數據機房隨著數據設備一直擴容機房設備發熱量越來越大。數據機房安裝有4臺機房空調原先還可勉強支撐，今年高溫來臨，機房溫度達到了37℃，設備時有故障發生。分析原因是由于室外機組安裝在走廊上（當時條件不允許裝室外），而走廊是裝有塑鋼窗的，雖然卸掉了窗戶，再用排風扇排風但效果還是不好，散熱不良，機房溫度降不下來，當把室外機組移到塑鋼門窗外后，機房空調制冷能力迅速恢復，機房溫度馬上恢復正常，效果明顯。

優點：該方案解決方法簡單，投資小，易于實施。

缺點：必須要有適合安裝外機的空間和位置，新安裝外機的位置要有良好的通風以利于散熱，該方案只適合小型數據機房，對新建大型數據機房不適用。

1.2 水噴淋系統

采用水噴淋方法，如圖2所示，降低環境溫度和冷凝溫度，確?？照{正常運行，這是目前最常規的做法，也是用的最多的做法。

優點：投資省，見效快，可以確保夏季機房空調的正常運行，且有一定節能作用。

缺點：耗水量大，水噴淋對空調的翅片有一定的破壞作用，導致空調外機的壽命變短，而且系統耗水量較大，該方案只適合部分空調外機散熱的應急手段，對新建大型數據機房不適用。

1.3 冷霧輔助系統

系統主要由高壓水泵、過濾器、高壓噴嘴組成（圖3），采用高壓原理，將水加壓到100公斤水壓以上，通過噴嘴產生水霧，降低環境溫度，改善空調的散熱環境，從而保證空調的正常運行。

優點：由于利用了水蒸發掉潛熱，對水的利用效率非常高，由于是冷卻環境，不直接冷卻冷凝器，故對冷凝器影響較小，冷凝器不容易結垢和腐蝕，耗水率明顯低于水噴淋。

缺點：高壓水泵和噴嘴價格較高，投資較大，需要經常更換過濾器和噴嘴濾芯，相比較水噴淋維護量較大。

圖2 水噴淋設施（外機、水泵和噴頭）

圖3 高壓冷霧系統組成（高壓泵、噴嘴、過濾芯）

1.4 熱氣流封閉（導流罩）＋大功率軸流風機

空調外機安裝封閉擋板或者導流罩，提升冷熱氣流路徑，對部分室外機采用軸流風機強制對流。

案例1：臺州電信某機樓原有部分VRV空調安裝在陽臺上，夏季散熱不好，導致系統高壓，后來進行了排風改造，延長了排風風管，解決了散熱不良問題，圖4為改造后圖片。

圖4 VRV空調外機氣流改造后圖片

圖5 空調外機被封閉在隔音箱內

案例2：杭州電信某模塊局，原先機房建設時周圍是一塊空地，空調外機直接安裝在機房外側地面上，3年后，周圍蓋起來居民樓，間距只有6米，導致居民噪聲投訴，在對外機噪聲整治時安裝了隔音箱，導致空調外機嚴重散熱不良，高壓頻頻，基本無法使用（圖5）。對策：對空調外機安裝了1.6米的排風導風罩后，空調散熱良好（圖6）。

圖6 安裝空調外機排風罩

優點：對空調外機無不利因素，改動小。

缺點：需要根據現場情況制定方案，僅僅適合部分特定場所。

1.5 小結

上述4種解決方案均存在不足，無法解決大規模室外機布置的問題。圖7為杭州某IDC在機房的樓頂和側面均安裝了空調外機，采用上述移機等方案難以解決。

圖7 數量眾多的空調外機

鑒于這個原因，我們提出了三種新的水冷改造解決方案，在確保機房空調正常運行的同時，極大地提高了空調的能效比，很好的起到節能作用。

2 機房空調水預冷系統

2.1 風冷局限性

風冷空調在實際安裝過程中，容易受到空間的限制，導致氣流短路循環，冷凝器的熱量無法及時散出，導致系統高壓偏高，高壓跳機，影響機房安全，杭州電信某IDC就是一個典型案例。該IDC機房設計安裝了140臺100 kW的艾默生和佳力圖機房空調，其中90臺機房空調共180臺室外冷凝器安裝在空間狹小、擁擠密閉的樓層甬道內，圖8、圖9為了建筑的美觀，還在甬道外側安裝了大量的裝飾板，這使得冷凝器無法正常的把熱量排到室外，導致通道內出現嚴重的熱排風回流及熱島聚集效應，空調無法正常使用。

圖8 外機密集安裝情況

圖9 甬道內的空調

2.2 空調實際運行情況

從該數據中心機房空調實際使用情況來看，由于冷凝器安裝密度高，回風面積不足、熱空氣短路，散熱不好，空調耗電量非常大，這加快空調壓縮機的磨損程度，縮短了空調壓縮機使用壽命，維護成本增加；而且環境氣溫超過28℃，該IDC的機房空調就高壓頻繁，嚴重影響機房的安全。2011年4月29日，在室外環境溫度30℃情況下，一個甬道僅安裝四臺空調（8臺外機）的情況下，甬道內溫度達46℃，三樓南機房空調均陸續出現高壓告警，無法正常使用。為了保證機房空調的正常使用，對安裝在南北通道內的冷凝器安裝了水噴淋應急的方法，作為機房空調正常使用的補救措施，但是使用一段時間后，發現水噴淋系統有明顯的副作用，風冷冷凝器出現了一定情況的腐蝕（圖10）、結垢現象，影響力空調外機的壽命，也降低冷凝效率；另外水噴淋采用直排水，導致水資源消耗量較大。

圖10 翅片使用前后對比情況

鑒于上述情況，根據該IDC機房空調的現場安裝條件和空調的數量、功率等情況，經分析討論，提出了該IDC風冷型室外機高熱密度改造處理裝置，即機房空調水預冷優化改造方案。就在在原有風冷空調采用串加水冷殼管式冷凝器的方式進行改造，解決空調在夏季高溫氣候條件下高壓報警現象，提高空調的冷凝換熱量和空調的COP，減少壓縮機和冷凝風機的實際工作時間，降低能耗。

2.3 水預冷工作原理

工作原理如圖11，采用輔助換熱器即殼管式冷凝器，冷水由配套的無風機冷卻塔供應，經過換熱后產生的熱水通過管道回到冷卻塔，完成一個循環，利用水泵實現水路循環。高溫高壓的氟利昂氣體首先經過水冷卻式熱交換器冷凝后，變成中溫中壓的汽液混合物，然后再流經風冷冷凝器進行二次自然冷凝，提高冷凝效果，使風冷冷凝器風機減少或停止工作，以達到節電、節水（噴淋）、減少機器磨損、降低噪音的目的。

圖11 水預冷工作原理

2.4 水預冷方案實施

樓頂安裝無風機冷卻水塔3臺、水處理器2臺，1層平臺安裝水泵3臺（兩組1備）、殼管冷凝器75臺（雙系統冷凝器）、電氣控制柜及水管／閥門等，系統組成如圖12。針對機樓4層平臺75臺原空調風冷室外冷凝器，加裝輔助水冷殼管冷凝器改造。該方案在2011年進行設計，2012年建設并投入運行。

圖12 某IDC水預冷系統圖

2.5 系統特點

（1）風冷冷凝器壓力控制器（調速器）啟動壓力設定為18 kg／cm2，停止壓力設定為17 kg／cm2。當水冷卻系統出現冷卻效果不佳、水泵損壞、水路堵塞后，氟利昂壓力一旦超過18kg／cm2，風冷冷凝器馬上啟動風機進行冷凝。冷凝壓力下降到17 kg／cm2時，風機停止工作；

（2）采用低噪音無風機冷卻塔，不使用冷卻風機，更加節約用電；

（3）水泵設計采用二主一備方式，實際運行采用一主一備方式，運行穩定。

2.6 節能分析和效益估算

（1）節電測試

某IDC水預冷系統建設完工后，已于2013年3月份正式啟用，從系統運行情況來看，由于熱回收系統沒有運轉部件，控制也比較簡單，設備運行基本平穩，對各機房節電情況測試如表1。

表1 水預冷節電情況

從表上看，啟用水預冷系統后，2－2、2－3、3－3這些機房由于主設備負荷增加，造成空調用電增加，其余機房節電非常明顯。

（2）節能情況

從接入水預冷系統且機房負荷不變機房空調運行電流來看，接入前電流為9 959A，接入后下降為8 281 A，電流下降1 678A，節電率為16.85%；考慮到3月份環境平均氣溫為25℃，如果環境溫度為30℃，每個空調屏還可以節電15A電流，電流可以下降1 828 A，節電率可達18.3%，非?？捎^。

綜合節電：目前該IDC空調耗電為16 276A，折合功耗為（16 276×220）×0.8＝2 865kW，節電按18.3%計算，水泵功耗為50kW，

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

節省動力費：341 492×0.8＝27.3萬元每年節電：341 492×8＝2.73×106kWh

考慮該IDC的實際情況，水預冷系統可以使用8個月，故全年可節電動力費為：27.3×8＝218.4萬元。

（3）維護費用

冷卻水系統維護管理主要為水側壓力、溫度等參數抄表管理，看系統是否處于正常運行范圍內，若系統出現異常應及時排除。正常維護委托給數據中心值班人員進行維護，不需要增加任何人工成本。

（4）運行水費

系統循環水量為800m3／h，由于漂水、蒸發散失，需對冷卻塔進行補水，補水量按系統循環水量的1.2%計算，平均每天所需補水量為9.6m3／h×24h＝230m3

每月用水費用為：230m3／天×30天×4.15元／m3（某IDC實際水費價格）＝28 635元

考慮過渡季節室外溫度低，開啟冷卻塔臺數少，因此全年運行水費考慮系統0.7的開機系數，則全年運行水費為：28 635元×8×0.7＝16萬元左右

（5）綜合收益

采用冷卻水系統每年可減少用電273萬度，減少運行電費約218萬元?；静恍枰S護成本，增加了水費約16萬元／年?？紤]2－4樓平臺空調室外冷凝器原水噴淋輔助降溫停用，由原流淌式水耗，變為冷卻蒸發式水耗，節水率達85%以上。

2.7 結論

從使用效果來看，采用機房空調水預冷系統，改善了機房空調性能，機房空調外機的風扇可以停止運行，壓縮機電流大幅下降，機組的能效比得到顯著提高，由于冷凝條件的改善，機房空調使用壽命延長了，機房運行更安全了，綜合收益非常理想。

3 冷凝熱回收系統

如果適當回收冷凝熱并加以利用，比如用這部分熱來加熱自來水，就可以獲得免費熱水，而且采用冷凝熱回收裝置后，可以適當降低機房空調的能耗，并避免了冷凝廢熱排放造成的熱污染，另外也可以降低普通熱水生產過程中使用鍋爐造成的溫室效應，可以說是一舉三得。

3.1 熱回收原理

空調冷凝熱回收系統設計挺簡單的，只是在普通風冷冷凝器的進口前增加一個板式熱交換器（如圖13），冷水通過水流量開關進入熱交換器入口，水流量開關控制冷凝水的溫度和水量，熱回收裝置通過逆流循環吸收壓縮機排出的高溫高壓制冷劑釋放的熱量，降低制冷劑溫度的同時制取45℃～60℃的熱水。

圖13 廢熱回收系統原理圖

3.2 熱回收試點和案例

本次試點所在的IDC是浙江省第一個五星級機房，也是華東地區最大的IDC機房之一。本次工程選取該IDC中心七號IDC機房內的10套機房空調進行冷凝熱回收技術測試，空調總制冷量800 kW，測試的水源為城市自來水，水源經過水質處理后引入到保溫水箱，通過水泵將水打入機組進行循環加熱處理，直到達到需要的水溫后，送到半地下水箱進行保存，圖14為系統設計透視圖、圖15為系統設計平面圖。

圖14 熱回收系統實施平面圖

本次冷凝熱回收節能改造主要核心技術是冷凝熱回收采集器（圖16）實現空調壓縮機在制冷運行中排放出的高溫冷媒蒸汽與被加溫冷水的熱交換，將壓縮機排出的熱量轉換成可利用的熱水（圖17），其實質是一個高效的板式熱交換器。

3.3 節能評估

工程實施后，節能測試情況如下表2。

表2 熱回收節能測試情況

圖15 熱回收系統平面圖

圖16 熱回收采集器

圖17 熱回收采集器內部結構

從使用效果來看，采用機房空調熱回收方案，改善機房空調性能，機房空調外機的風扇可以停止運行，壓縮機電流也有了一定的下降，機組的能效比得到顯著提高，由于冷凝條件的改善，機房空調使用壽命延長了，機房運行更安全了。而且本方案在降低IDC機房空調能耗的同時獲得了免費的熱水，這些熱水數量非常巨大，但由于熱水袋水溫不是太高，故不適合運輸，就地消化比較理想，如可以供給附近的賓館、酒店、浴場等服務行業或者需要大量工藝熱水的制造業，綜合收益會比較理想。

4 機房空調冷卻水系統

隨著數據中心的發展，風冷空調的冷卻面臨著一個難題，大量的室外冷凝器安裝需要非常大的場地，外機集中布置導致外機工作不良，同時銅管過長不僅影響制冷效率，成本高，安裝難度大，而且影響建筑物外觀，特別是現代的電信樞紐樓，越來越多地采用高層設計，在高層建筑中傳統的風冷機房空調外機無法布置，這種情況下，只能選用水冷方案。

4.1 實施案例

浙江省某長途樞紐大樓是比較具有代表性的一幢高層建筑，樓高200多米，建筑面積約80 000 m2，集機房和辦公功能于一體，其中1樓到21樓為機房，無法布置風冷冷凝器，決定采用水冷機房空調系統，原理如圖19。

圖18 水冷空調系統原理圖

為了滿足通信樞紐樓制冷的要求的要求，該長途樞紐大樓1層～21層采用了水冷的專用空調系統（閉式冷卻系統＋外置殼管式水冷冷凝器機房專用空調機組），系統設計了2個相對獨立的單元，每個單元由4臺冷卻水量為BAC閉式冷卻塔和3臺的冷卻水泵組成，樓層水平支管采用聯絡閥聯絡（圖19）。

4.2 系統運行情況

系統安裝8臺每臺冷卻塔標稱冷量為1 500 kW，4臺冷卻塔并聯工作時，冷量為6 000 kW。整個樞紐樓目前安裝單臺冷量為100 kW的機房空調90多臺，散熱量合計11 000 kW以上。專用空調水系統設計長期穩定工作的最高供水溫度為32℃。該專用空調水冷系統從2006年4月投入運行，運行非常穩定，至今已經6個年頭，為通信樞紐樓的正常運行提供了非常好的保障。

4.3 節能分析

系統運行節能情況如表3。各種散熱方式的對比如表4。

表3 機樓二樓水冷系統節能情況

圖19 某通信樞紐大樓機房空調系統示意圖

表4 各種散熱方式對比表

5 結 論

從實際運行情況來看，采用水冷卻是一個發展方向，因為水的比熱容遠遠高于空氣，故水冷卻的效率遠遠大于風冷卻，但是對于水冷卻導致的水系統的設計和維護需要我們關注和重視。