風(fēng)冷式熱管背板空調(diào)系統(tǒng)在DC化改造中的應(yīng)用

孫 紅，朱 斌，李 軍

（1.中國電信股份有限公司泰州分公司，江蘇 泰州 225300；2.中國電信股份有限公司江蘇分公司，江蘇 南京 210037）

1 現(xiàn)階段傳統(tǒng)機(jī)房設(shè)備現(xiàn)狀及存在的問題

1.1 機(jī)房機(jī)柜局部熱島

機(jī)房主要是高功耗核心通信設(shè)備（高端路由器、OTN、交換機(jī)及NFV 一體化服務(wù)器柜等），機(jī)房散熱大，有些高密度設(shè)備的機(jī)柜造成了局部熱島，影響了機(jī)房運(yùn)行能效。耗能且降低核心通信設(shè)備的能力。

1.2 機(jī)房PUE值高

機(jī)房層高4.3 m，無架空地板，原空調(diào)系統(tǒng)為風(fēng)冷精密空調(diào)加風(fēng)管送風(fēng)到列間，再加兩臺(tái)柜機(jī)輔助降低機(jī)房環(huán)境溫度；單機(jī)架最大負(fù)載約為80 A 54 V，約合4.3 kW。存在問題：原空調(diào)系統(tǒng)不能滿足制冷需求，存在局部熱島問題，前期進(jìn)行了其中一臺(tái)老舊精密空調(diào)的更換，并且安裝了新風(fēng)系統(tǒng)，在機(jī)房外氣溫較低的情況下直接引進(jìn)新風(fēng)，可以保證機(jī)房整體的環(huán)境溫度，但無法解決該區(qū)域局部熱島的問題。由于機(jī)房存在局部熱島問題，只能將空調(diào)出風(fēng)溫度降到很低，保證機(jī)房環(huán)境溫度低于一般機(jī)房溫度，才能保證局部區(qū)域的設(shè)備不會(huì)宕機(jī)，因此該機(jī)房電源使用效率（Power Usage Effectiveness，PUE）較高,高達(dá)1.9。PUE為數(shù)據(jù)中心總設(shè)備能耗與設(shè)備能耗之比。

2 針對高耗能機(jī)柜局部熱島和PUE值偏高的措施

經(jīng)過現(xiàn)場勘查，機(jī)柜過道間隔空間較大，適合安裝熱管背板換熱器。4樓樓頂較為空曠，因此可以將風(fēng)冷式雙冷源機(jī)組放置于樓頂。取電可以在機(jī)房內(nèi)原空調(diào)電柜取電，原空調(diào)電柜中有100 A、70 A空開空余[1]。

針對該機(jī)房的局部區(qū)域熱島問題和PUE高問題，海陵核心機(jī)房內(nèi)對14臺(tái)局部溫度過高機(jī)架安裝“風(fēng)冷型熱管背板”。采用制冷熱管背板復(fù)合雙冷源機(jī)組+熱管背板換熱系統(tǒng)，該產(chǎn)品是充分利用室外自然冷源降低機(jī)組能耗的高效節(jié)能系統(tǒng)，由兩部分組成，一部分為室外雙冷源制冷機(jī)組，在一套制冷系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)常規(guī)壓縮機(jī)制冷、熱管系統(tǒng)制冷兩套循環(huán)系統(tǒng)，一體化設(shè)計(jì)。在室外側(cè)10 ℃時(shí)可完全利用自然冷源，采用特有的蒸發(fā)冷凝技術(shù)，提高蒸發(fā)溫度，能效比高（壓縮制冷模式COP可達(dá)4.0，熱管制冷模式COP可達(dá)13.5）[2]。另一部分為室內(nèi)熱管背板空調(diào)，安裝在通信設(shè)備的熱風(fēng)側(cè)，通過冷媒管與殼管式換熱器相連，蒸發(fā)側(cè)吸收熱量、冷凝側(cè)排出熱量，由冷媒的相態(tài)變化及自然重力原理實(shí)現(xiàn)熱量的轉(zhuǎn)移而制冷，系統(tǒng)在機(jī)房內(nèi)部（除背板風(fēng)扇外）基本無耗能元件。

3 針對高耗能機(jī)柜局部熱島和PUE值偏高的改造后的節(jié)能效果

3.1 改造前空調(diào)運(yùn)行能耗

考慮機(jī)房內(nèi)裝有新風(fēng)系統(tǒng)，在1、2、12月3個(gè)月直接引進(jìn)新風(fēng)，所以剔除該3個(gè)月的運(yùn)行時(shí)間，其余9個(gè)月的空調(diào)能效比平均值約為1.73，則改造前全年用電量計(jì)算列于表1。

表1 改造前風(fēng)冷精密空調(diào)能耗

3.2 改造后空調(diào)運(yùn)行能耗

改造后空調(diào)運(yùn)行能耗=臺(tái)數(shù)×單機(jī)設(shè)備功率（kW）×運(yùn)行系數(shù)×運(yùn)行時(shí)間（h）={臺(tái)數(shù)背板風(fēng)機(jī)功率×運(yùn)行系數(shù)×運(yùn)行時(shí)間（h）+臺(tái)數(shù)×空調(diào)機(jī)組功率×運(yùn)行系數(shù)×運(yùn)行時(shí)間}

室外空調(diào)機(jī)組在10 ℃及以下環(huán)境溫度時(shí)，運(yùn)行熱管制冷模式，制冷壓縮機(jī)啟動(dòng)運(yùn)行。空調(diào)機(jī)組運(yùn)行參數(shù)如表2所示。泰州地區(qū)月平均的干球溫度分布，見圖1，其中1月、2月、3月及11月、12月溫度均在10 ℃以下，此期間空調(diào)機(jī)組以熱管模式運(yùn)行，運(yùn)行功率僅為3.7 kW。其余月份空調(diào)機(jī)組以壓縮機(jī)模式運(yùn)行[3]。

圖1 泰州地區(qū)月均干球濕度

表2 空調(diào)機(jī)組運(yùn)行參數(shù)（kW·h）

考慮機(jī)房內(nèi)裝有新風(fēng)系統(tǒng)，在1月、2月、12月3個(gè)月直接引進(jìn)新風(fēng)，所以剔除該3個(gè)月的運(yùn)行時(shí)間，則改造后空調(diào)年用電量81 648.52 kWh，詳細(xì)能耗計(jì)算如表3所示。

表3 改造后空調(diào)年能耗量

目前機(jī)房PUE值為1.35。

4 推廣應(yīng)用情況、經(jīng)濟(jì)效益

4.1 經(jīng)驗(yàn)分析和推廣建議

隨著綜合機(jī)房DC化改造的推進(jìn)，大量的較小型的老舊機(jī)樓的單機(jī)架功率過大，局部過熱現(xiàn)象越來越嚴(yán)重，而此類機(jī)樓無法采用冷水機(jī)組制冷，普通的風(fēng)冷型機(jī)房空調(diào)又無法充分利用自然冷源，導(dǎo)致機(jī)房PUE居高不下[4]。可推廣使用此類風(fēng)冷式熱管背板空調(diào)，既可以降低機(jī)房PUE值，又可解決局部熱島問題，精確節(jié)能。建議作為“老舊機(jī)房空調(diào)改造的首選方案”，少量熱點(diǎn)機(jī)架溫度調(diào)節(jié)的“首選方案”；新建機(jī)房的空調(diào)可選方案之一。

江蘇電信持續(xù)進(jìn)行風(fēng)冷型熱管背板的推廣，在蘇州東渚科技城四樓機(jī)房、泰州泰興中心局三樓數(shù)據(jù)機(jī)房、泰州靖江中心局三樓綜合機(jī)房、泰州靖江城南局二樓綜合機(jī)房、無錫江陰濱江三樓西側(cè)數(shù)據(jù)機(jī)房、無錫江陰濱江三樓西側(cè)數(shù)據(jù)機(jī)房5個(gè)機(jī)房進(jìn)行風(fēng)冷型熱管背板的建設(shè)，涉及470架機(jī)架。

4.2 近幾年經(jīng)濟(jì)效益

2016—2020年應(yīng)用經(jīng)濟(jì)效益如表4所示，其中應(yīng)用起止時(shí)間維2017年9月到2018年10月，合計(jì)14個(gè)月，累積節(jié)約總額32.6萬元，月均經(jīng)濟(jì)效益0.74萬元。

表4 2016—2020年應(yīng)用經(jīng)濟(jì)效益 （萬元）

5 針對高耗能機(jī)柜局部熱島和PUE值偏高的創(chuàng)新

5.1 機(jī)柜級精確換熱技術(shù)

采用機(jī)柜級精確換熱技術(shù)，徹底解決3機(jī)房內(nèi)熱島效應(yīng)，同時(shí)提升了空調(diào)的進(jìn)風(fēng)溫度至30 ℃，從而達(dá)到節(jié)能效果的最大化。

在機(jī)房內(nèi)熱島現(xiàn)象嚴(yán)重的機(jī)架（同時(shí)也是散熱量最大的）后側(cè)安裝機(jī)柜級精確換熱空調(diào)，進(jìn)風(fēng)溫度在30 ℃以上，而排風(fēng)溫度卻只有18 ℃左右，排出熱量的同時(shí)，送到后排機(jī)柜的空氣為20 ℃左右的冷空調(diào)，減輕后排的制冷壓力，而普通空調(diào)的進(jìn)風(fēng)溫度在25 ℃左右，排風(fēng)溫度在15～20 ℃，眾所周知，空調(diào)進(jìn)風(fēng)溫度每升高1 ℃，制冷量可提高3%～5%，同時(shí)也就能更大地利用制冷量。

5.2 均負(fù)荷熱耦合設(shè)計(jì)

蒸發(fā)冷凝器采用均負(fù)荷熱耦合設(shè)計(jì)解決了常規(guī)熱管復(fù)合制冷系統(tǒng)中前后蒸發(fā)器分別對應(yīng)不同壓縮機(jī)系統(tǒng)，因負(fù)荷不均衡造成的多次壓縮機(jī)使用時(shí)長不一致，以及整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行可靠性相對較差的問題。

在常規(guī)熱管復(fù)合制冷系統(tǒng)中，每臺(tái)主機(jī)分別有獨(dú)立的兩路供液管，分別供給給末端的前蒸發(fā)器系統(tǒng)和后蒸發(fā)器系統(tǒng)，兩路供液來自于蒸發(fā)冷凝器的冷凝側(cè)，其蒸發(fā)側(cè)也為獨(dú)立的兩套系統(tǒng)。由于前后蒸發(fā)器進(jìn)風(fēng)溫度工況不同，會(huì)造成其工作溫度不同，從而造成其對應(yīng)的主機(jī)側(cè)壓縮機(jī)的運(yùn)行工況不同，即運(yùn)行負(fù)荷不同。與外蒸發(fā)器系統(tǒng)對應(yīng)的壓縮機(jī)的負(fù)荷較內(nèi)蒸發(fā)器對應(yīng)壓縮機(jī)負(fù)荷大，如此，負(fù)荷的不均衡性會(huì)造成壓縮機(jī)的壽命、可靠性不均衡，如果能消除這種不均衡性，則系統(tǒng)的運(yùn)行壽命和可靠性均會(huì)增加。

在本應(yīng)用所設(shè)計(jì)的熱管復(fù)合制冷系統(tǒng)中，對蒸發(fā)冷凝器進(jìn)行了均負(fù)荷熱耦合設(shè)計(jì)：即將系統(tǒng)設(shè)計(jì)成內(nèi)外蒸發(fā)器與主機(jī)側(cè)任一制冷循環(huán)都有熱交換，也即末端內(nèi)外蒸發(fā)器的熱負(fù)荷被主機(jī)內(nèi)的所有壓縮機(jī)共同平均分擔(dān)，這樣每臺(tái)主機(jī)的各個(gè)壓縮機(jī)就處于均負(fù)荷狀態(tài)運(yùn)行[5]。

5.3 機(jī)柜級精確制冷技術(shù)+氟氟換熱技術(shù)的應(yīng)用

系統(tǒng)中采用機(jī)柜級精確制冷技術(shù)+氟氟換熱技術(shù)，將室外風(fēng)冷機(jī)組壓縮機(jī)運(yùn)行模式名義工況COP提升到4.0以上。

在空調(diào)領(lǐng)域，風(fēng)冷式壓縮機(jī)組的名義工況COP一般小于3.0。在本應(yīng)用熱管復(fù)合空調(diào)系統(tǒng)中，采用機(jī)柜級精確換熱技術(shù)+氟氟換熱技術(shù)，將空調(diào)末端的蒸發(fā)溫度提升到20 ℃以上，主機(jī)蒸發(fā)溫度提升到17 ℃以上，機(jī)組壓縮機(jī)模式名義工況COP提升到4.0以上，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過行業(yè)內(nèi)風(fēng)冷式壓縮制冷機(jī)組的能效比值。

5.4 冷媒液池集液分配技術(shù)的應(yīng)用

采用冷媒液池集液分配技術(shù)，實(shí)現(xiàn)多主機(jī)系統(tǒng)的靈活備份。

機(jī)房空調(diào)領(lǐng)域直接蒸發(fā)空調(diào)系統(tǒng)一般有多臺(tái)主機(jī)和多臺(tái)末端組成，為保證制冷系統(tǒng)持續(xù)不間斷的運(yùn)行，主機(jī)側(cè)應(yīng)有備份設(shè)置，以備當(dāng)某一臺(tái)機(jī)組故障時(shí)系統(tǒng)仍能有足夠的冷量提供。在數(shù)據(jù)中心領(lǐng)域直接蒸發(fā)空調(diào)系統(tǒng)中，各個(gè)主機(jī)分別與所冷卻的末端通過管路直接相連，備份方式只能局限于交叉?zhèn)浞莼?N備份，其備份方式不夠靈活，不能滿足客戶對備份形式的多樣化需求。在本應(yīng)用熱管復(fù)合空調(diào)系統(tǒng)中采用冷媒液池集液分配技術(shù)，將室外主機(jī)蒸發(fā)冷凝器的冷凝側(cè)出液管集中到所設(shè)置的冷媒液池里，冷媒在液池內(nèi)匯集后再由管路將液體冷媒輸送到末端進(jìn)液管，由此將主機(jī)側(cè)連成了一個(gè)大系統(tǒng)，可以對主機(jī)側(cè)靈活進(jìn)行各種備份能力的配置。

5.5 側(cè)出液結(jié)構(gòu)的應(yīng)用

末端系統(tǒng)的主管分液采用側(cè)出液結(jié)構(gòu)，保證了末端系統(tǒng)的分液均勻性。

在數(shù)據(jù)中心常規(guī)熱管制冷系統(tǒng)中，位于末端空調(diào)上部的分液主管的出液口位于主管的底部，這樣的設(shè)計(jì)方式在管路有起伏或者冷凝液量不十分充足時(shí)，會(huì)造成位于分液主管后面的末端分配不到液體或者分配到的液體量過少，造成末端之間的分液量不均，部分末端制冷效果不佳。

在本應(yīng)用的制冷熱管復(fù)合空調(diào)系統(tǒng)中，將分液主管的出液口位于主管的側(cè)面，分液支管一端接于主管出液口，另一端水平伸出并連接到末端空調(diào)入口，此設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了集管液管到各個(gè)末端的均勻分液，保證整個(gè)系統(tǒng)的有效運(yùn)行。

5.6 混合制冷模式的應(yīng)用

根據(jù)末端互為備份的兩片蒸發(fā)器的運(yùn)行溫度不同，通過壓縮機(jī)制冷和熱管制冷同時(shí)運(yùn)行的混合制冷模式，提高室外自然冷源的利用溫度至15 ℃以上，延長自然冷源利用時(shí)間。

在機(jī)房空調(diào)領(lǐng)域，自然冷源的利用溫度大多在2 ℃左右，一般不超過10 ℃。本系統(tǒng)可以將自然冷源利用溫度提升到15 ℃以上，具體方法為：每個(gè)末端里面有前后兩片蒸發(fā)器，機(jī)柜排出的熱風(fēng)分別穿過前蒸發(fā)器和后蒸發(fā)器，被冷卻到23 ℃左右排出到機(jī)房空間，因?yàn)榍昂髢善舭l(fā)器的進(jìn)風(fēng)溫度工況不同，所以蒸發(fā)器內(nèi)冷媒的運(yùn)行溫度不同，前蒸發(fā)器運(yùn)行溫度大于后蒸發(fā)器，根據(jù)熱管溫度驅(qū)動(dòng)原理，前蒸發(fā)器相對于后蒸發(fā)器可在更高的環(huán)境溫度下利用自然冷源。因此，在過渡季節(jié)，把為末端的前蒸發(fā)器提供冷源的室外主機(jī)運(yùn)行熱管模式，為末端后蒸發(fā)器提供冷源的主機(jī)運(yùn)行壓縮機(jī)模式，在保證末端冷源充足的前提下最大限度地利用自然冷源。