通信機(jī)房蒸發(fā)冷卻技術(shù)應(yīng)用探討

0 前言

降本增效是通信運(yùn)營商面臨的一道難題，通信機(jī)房能耗，尤其是空調(diào)能耗約占通信機(jī)房總能耗的40%，通信機(jī)房采用空調(diào)節(jié)能技術(shù)是實(shí)現(xiàn)降本增效的重要措施。目前，基于干空氣能的蒸發(fā)冷卻技術(shù)在民用建筑中已得到了廣泛的應(yīng)用，具有節(jié)能、綠色環(huán)保等諸多優(yōu)良品質(zhì)，符合現(xiàn)代空調(diào)的發(fā)展方向。將蒸發(fā)冷卻技術(shù)應(yīng)用在通信機(jī)房，充分利用干空氣能，在部分地區(qū)替代機(jī)械制冷或作為補(bǔ)冷系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能。

1 通信機(jī)房環(huán)境要求和特點(diǎn)

1.1 通信機(jī)房環(huán)境要求

2019 年4 月1 日實(shí)施的《通信局（站）機(jī)房環(huán)境條件要求與檢測(cè)方法》（YD/T 1821-2018）對(duì)通信機(jī)房溫度、濕度做出了相關(guān)規(guī)定，具體見表1和表2。

對(duì)機(jī)房潔凈度的表述：A 類機(jī)房、B 類機(jī)房、C 類機(jī)房、D 類機(jī)房內(nèi)不應(yīng)有導(dǎo)電、鐵磁性和腐蝕性粒子，其濃度應(yīng)滿足直徑大于0.5 μm 的灰塵粒子濃度小于或等于18 000粒/L。應(yīng)防止對(duì)通信設(shè)備有腐蝕性的氣體和對(duì)人體有害的氣體以及易燃易爆的氣體流入機(jī)房。

表2 無冷熱通道隔離或無進(jìn)風(fēng)口機(jī)房溫濕度要求

1.2 通信機(jī)房環(huán)境特點(diǎn)

a）顯熱大，潛熱少。由于通信機(jī)房內(nèi)沒有特定的濕源，濕量主要是來自工作人員及滲入的室外空氣，因此散濕量較少。通信機(jī)房的熱負(fù)荷90%以上是顯熱負(fù)荷，潛熱負(fù)荷很小。

b）全年不間斷制冷。通信機(jī)房內(nèi)部設(shè)備屬于全年不間斷高負(fù)荷運(yùn)行，即使在冬季，也可能存在需要供冷的情況。

2 通信機(jī)房用蒸發(fā)冷卻現(xiàn)狀

2.1 直接蒸發(fā)冷卻現(xiàn)狀

蒸發(fā)冷卻在現(xiàn)有通信機(jī)房得到了廣泛的工程應(yīng)用，其節(jié)能效果日益顯著，但在實(shí)際應(yīng)用中也發(fā)現(xiàn)一些問題急待改進(jìn)。圖1 是直接蒸發(fā)冷卻技術(shù)原理簡(jiǎn)圖，該系統(tǒng)通過風(fēng)閥調(diào)節(jié)可實(shí)現(xiàn)新風(fēng)+回風(fēng)工況、新風(fēng)工況、新風(fēng)+濕膜工況3種運(yùn)行模式。新風(fēng)通過淋水填料（濕膜）實(shí)現(xiàn)蒸發(fā)降溫，主要耗能設(shè)備為輸配能耗，即風(fēng)機(jī)能耗（水泵能耗較小可忽略不計(jì)），相比于常規(guī)機(jī)械制冷，具有較大的節(jié)能潛力。新風(fēng)冷氣機(jī)是一款較為簡(jiǎn)單的直接蒸發(fā)冷卻產(chǎn)品，該產(chǎn)品4面有淋水填料，提供了較大的填料面積，通過底部引出風(fēng)管把新風(fēng)送入機(jī)房，以便獲得更好、更廉價(jià)的供冷。影響直接蒸發(fā)冷卻效率的關(guān)鍵是淋水填料的性能，淋水填料一旦發(fā)生堵塞會(huì)嚴(yán)重降低蒸發(fā)冷卻效率。研究表明，填料的堵塞明顯與局部流速有關(guān)，總的填料速度越低，堵塞進(jìn)程就會(huì)越慢且越均衡。

通信機(jī)房采用直接蒸發(fā)冷卻技術(shù)給機(jī)房環(huán)境和維護(hù)工作帶來一定壓力，由于新風(fēng)引入機(jī)房，需對(duì)新風(fēng)進(jìn)行過濾處理，如室外環(huán)境質(zhì)量差或過濾網(wǎng)更換不及時(shí)，對(duì)機(jī)房內(nèi)設(shè)備均會(huì)造成不可恢復(fù)性損傷。因此，直接蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)適宜用在室外環(huán)境質(zhì)量較好的地區(qū)。

圖1 直接蒸發(fā)冷卻技術(shù)原理簡(jiǎn)圖

一般來講，直接蒸發(fā)冷卻的送風(fēng)溫差比常規(guī)的機(jī)械制冷送風(fēng)溫差小，因此同等條件下要求的送風(fēng)量就要增大，相應(yīng)的冷風(fēng)在輸送的過程中冷損失就會(huì)變大，所以機(jī)房凈供冷量小于直接蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)的輸出冷量。表3是J.R.Watt根據(jù)實(shí)際工程經(jīng)多年實(shí)驗(yàn)得出的，反映了有效冷量的百分比同室外干濕球溫差的變化關(guān)系。從表3 中可以看出，冷量損失與室外干濕球溫差成正比，而與送風(fēng)溫差成反比，這是因?yàn)樵龃笏惋L(fēng)溫差，所需的風(fēng)量將減少，通風(fēng)冷損失就小。表3同時(shí)給出了推薦的通風(fēng)良好區(qū)、運(yùn)行區(qū)、供冷不均勻區(qū)。對(duì)于通信機(jī)房，室內(nèi)負(fù)荷主要以顯熱為主，可適當(dāng)提高送風(fēng)溫差來降低通風(fēng)冷損失，提高蒸發(fā)冷卻效率。

2.2 間接蒸發(fā)冷卻現(xiàn)狀

為解決新風(fēng)引入機(jī)房所面臨的問題，通信機(jī)房可以采用間接蒸發(fā)冷卻技術(shù)，間接蒸發(fā)冷卻技術(shù)關(guān)鍵器件是空氣-空氣換熱器，其技術(shù)原理圖如圖2 所示，一次空氣和二次空氣通過空氣-空氣換熱器實(shí)現(xiàn)熱量交換，二次空氣可通過高壓微霧進(jìn)行直接蒸發(fā)，降低二次空氣干球溫度以提高系統(tǒng)換熱效率。

空氣-空氣換熱器的優(yōu)劣直接影響換熱效果，目前通信行業(yè)空氣-空氣換熱器多采用薄鋁板，直接對(duì)二次空氣進(jìn)行淋水，但使用一段時(shí)間后發(fā)現(xiàn)鋁表面結(jié)垢嚴(yán)重，導(dǎo)致?lián)Q熱效率低下。為解決空氣-空氣換熱器在使用中遇到的問題，用高分子材料替代薄鋁板，可有效提高換熱效率，延長換熱器使用壽命。

影響間接蒸發(fā)冷卻效率的另一個(gè)因素是淋水密度，換熱器濕通道壁面上的水膜太薄，在表面張力的作用下，液膜會(huì)產(chǎn)生斷裂，不能覆蓋整個(gè)表面，在二次空氣作用下，有些壁面甚至出現(xiàn)“干斑”，干斑處極易形成水垢，導(dǎo)致熱質(zhì)交換效果變差。淋水量過大，濕通道壁面完全濕潤，熱濕交換面積增大，但林水量增大到一定程度時(shí)，熱濕交換效率變化不大，甚至出現(xiàn)降低的趨勢(shì)，這是因?yàn)樗畬?duì)空氣通道的阻塞愈加嚴(yán)重，形成水橋，阻力增加，勢(shì)必引起風(fēng)機(jī)和水泵功耗增加。因此，在對(duì)二次空氣進(jìn)行淋水時(shí)應(yīng)保證淋水的均勻性和淋水量，避免效率衰減。

表3 直接蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)輸出冷量的有效供冷量百分比（單位%）

圖2 間接蒸發(fā)冷卻技術(shù)原理簡(jiǎn)圖

通信機(jī)房用間接蒸發(fā)冷卻和機(jī)械制冷相結(jié)合的空調(diào)系統(tǒng)打破了蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)單獨(dú)運(yùn)行受室外氣象參數(shù)影響的局限性，擴(kuò)大了蒸發(fā)冷卻的使用范圍。該系統(tǒng)在蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)單獨(dú)運(yùn)行無法滿足機(jī)房冷負(fù)荷時(shí)，開啟直膨式壓縮機(jī)或冷水型末端換熱盤管，對(duì)蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)冷以滿足機(jī)房散熱設(shè)備制冷需要。

3 蒸發(fā)冷卻適用性分區(qū)

蒸發(fā)冷卻受氣候條件影響較大，我國建筑熱工設(shè)計(jì)分區(qū)根據(jù)氣候特點(diǎn)分為嚴(yán)寒地區(qū)、寒冷地區(qū)、夏熱冬冷地區(qū)、夏熱冬暖地區(qū)、溫和地區(qū)，即便在同一分區(qū)氣候也有較大差異，而影響蒸發(fā)冷卻效果的主要因素是室外濕球溫度，濕球溫度決定了空氣溫降幅度，因此本文采用夏季空調(diào)室外計(jì)算濕球溫度作為蒸發(fā)冷卻適用性的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)。表4是根據(jù)室外濕球溫度對(duì)蒸發(fā)冷卻進(jìn)行適用性設(shè)計(jì)分區(qū)，給出全國范圍內(nèi)的適用性指導(dǎo)建議。

表4 蒸發(fā)冷卻適應(yīng)性分區(qū)范圍

依據(jù)《中國建筑熱環(huán)境分析專用氣象數(shù)據(jù)集》，統(tǒng)計(jì)烏魯木齊、呼和浩特、鄭州、武漢4 個(gè)典型城市全年蒸發(fā)冷卻適用性時(shí)間占比。烏魯木齊全年最高濕球溫度值低于20℃，呼和浩特、鄭州、武漢濕球溫度值低于20℃的時(shí)間占比分別為98.5%、77.8%、66.9%，蒸發(fā)冷卻在應(yīng)用時(shí)不僅要參考濕球溫度，還要參考干濕球溫差。武漢地區(qū)雖然濕球溫度值低于20℃的時(shí)間占比為66.9%，但武漢地區(qū)相對(duì)濕度較高（相對(duì)濕度越高，空氣越接近飽和），使得蒸發(fā)冷卻溫降幅度受限。不同地區(qū)在使用蒸發(fā)冷卻時(shí)應(yīng)綜合考慮當(dāng)?shù)貧夂蛱匦裕倚韪鶕?jù)通信機(jī)房的環(huán)境要求，對(duì)蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)和應(yīng)用。

4 蒸發(fā)冷卻效率評(píng)價(jià)方法

對(duì)于直接蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)，淋水填料的性能直接影響其使用效果，目前淋水填料主要分為有機(jī)填料、無機(jī)填料和金屬填料3類。有機(jī)填料是由加入了特殊化學(xué)原料的植物纖維紙漿制成，具有較大的比表面積，一般1 m3填料可提供440～660 m2的接觸面積。無機(jī)填料是以玻璃纖維為基材，經(jīng)特殊成分樹脂浸泡，再經(jīng)燒結(jié)處理的高分子復(fù)合材料，無機(jī)填料具有較強(qiáng)的吸水性。金屬填料主要有鋁合金填料和不銹鋼材料2 種，金屬鋁箔填料的比表面積為400～500 m2/m3。

表5 為國家空調(diào)設(shè)備檢驗(yàn)中心對(duì)3 種填料的檢驗(yàn)結(jié)果，從填料的熱工性能看，無機(jī)填料效果最好，但綜合考慮填料的防腐、耐久、防火、除塵及經(jīng)濟(jì)性后，認(rèn)為金屬填料的綜合效能最好，在實(shí)際中應(yīng)用較多。

表5 3種淋水填料的檢驗(yàn)結(jié)果

直接蒸發(fā)冷卻的熱濕交換效率（飽和效率）可表述為：

式中：

tg1——進(jìn)風(fēng)干球溫度（℃）

tg2——出風(fēng)干球溫度（℃）

ts1——進(jìn)風(fēng)濕球溫度（℃）

蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)的溫降幅度ΔT=tg1-tg2與設(shè)備的蒸發(fā)效率η和室外干濕球溫差相關(guān)，從式（1）可以看出干濕球溫差越大，即環(huán)境相對(duì)濕度越小，蒸發(fā)冷卻空調(diào)的降溫效果就越好。

直接蒸發(fā)冷卻空調(diào)的經(jīng)濟(jì)性能評(píng)價(jià)指標(biāo)，即Edec，可表述為：

式中：

E——按常規(guī)制冷模式計(jì)算的直接蒸發(fā)冷卻空調(diào)的能效比

Δtdes——供冷期平均干濕球溫差（℃）

Δtavr——當(dāng)?shù)卦O(shè)計(jì)干濕球溫差（℃）

間接蒸發(fā)冷卻的熱濕交換效率（飽和效率）可表述為：

式中：

tg1'——一次空氣進(jìn)風(fēng)干球溫度（℃）

tg2'——一次空氣出風(fēng)干球溫度（℃）

ts1'——二次空氣進(jìn)風(fēng)濕球溫度（℃）。

5 結(jié)束語

通信機(jī)房采用蒸發(fā)冷卻技術(shù)具有較大的節(jié)能潛力，可為通信運(yùn)營商節(jié)省較大的空調(diào)能耗成本，蒸發(fā)冷卻技術(shù)在具體應(yīng)用時(shí)需結(jié)合機(jī)房環(huán)境溫濕度要求進(jìn)行設(shè)計(jì)。本文分析了通信機(jī)房用蒸發(fā)冷卻常用技術(shù)形態(tài)，同時(shí)指出直接蒸發(fā)冷卻使用過程中填料類型、淋水密度、室外干濕球溫差及送風(fēng)溫差會(huì)對(duì)其效能產(chǎn)生直接影響。間接蒸發(fā)冷卻的核心器件是空氣-空氣換熱器，采用高分子換熱器材質(zhì)，可有效提升換熱效率，延長換熱器壽命。但該技術(shù)因受氣候因素的影響，在產(chǎn)品形式、使用時(shí)間、應(yīng)用形態(tài)上會(huì)出現(xiàn)“地域化”差異，因此蒸發(fā)冷卻在使用時(shí)應(yīng)充分考慮地區(qū)差異性，最大化延長蒸發(fā)冷卻的使用時(shí)間，發(fā)揮蒸發(fā)冷卻的節(jié)能優(yōu)勢(shì)。