風冷空調在特殊場景下運行可靠性研究和實現

方衛東，李海波，陳 佳

（中國聯通東莞市分公司網絡BG云網運營中心，廣東 東莞 523009）

0 引 言

某運營商一個5G核心局房由辦公樓改造而成，大樓外觀弧形，占地面積11 025.4 m2，分AB區，地上總建筑面積1.2萬m2，總裝機容量1 120機柜。5G核心局房不僅對供電有高可靠要求，同時要求制冷系統停機不能超過2 min，否則機房高溫將導致整個機房服務器宕機，因此需確保空調系統長時間可靠運行。本文對最先投入使用機房空調運行情況進行深入分析討論[1]。

1 5G核心機房空調高壓告警以及制冷量明顯不足分析

一般情況，風冷空調高壓告警主要有以下原因：（1）室外機臟堵，導致散熱不良造成系統高壓；（2）外風機異常，導致換熱不足造成系統高壓；（3）管路堵塞，冷媒集中排到凝器形成高壓；（4）冷媒充注過多，堵塞凝器換熱銅管導致系統壓力高；（5）系統管路超長，阻力大造成高壓；（6）系統不匹配，外機過小散熱量高壓報警；（7）高壓報警部件損壞，系統誤報警。

1.1 歷史報警記錄分析

本機房建設有11臺（9主2備）風冷空調，單臺空調制冷量為100 kW，采用2路電源供電。11臺空調室外機全部放在本機房側陽臺，陽臺寬1 500 mm為弧形。目前機房上架率為60%，實際運行功耗約設計功耗65%。

匯總該機房各空調故障情況、處理時間以及處理辦法如表1所示。從表1中可以看出調整冷媒沖注只是臨時措施，并非解決問題根本手段，且空調高壓報警反復出現[2]。

表1 機房各空調故障情況、處理時間以及處理辦法

1.2 高壓報警故障原因分析

現場室外機產品安裝，背面回風口距離300 mm左右（圖1），不滿足安裝規范要求：最優距離≥600 mm（圖2）。且外機安裝過于集中（圖3），導致產品運行時回風量不足，熱量排不出去，容易形成熱島效應，易產生系統高壓[3]。

圖2 安裝規范要求最優距離

圖3 外機安裝過于集中

樓面陽臺呈弧形，且上面同樣伸出陽臺平面，造成此處為一圓切面凹槽空間，根據伯努利原理，流速越大，壓力越小。當氣流水平沿著墻體表面流動時，靠墻側的氣流會受到外部的壓力，迫使氣流往墻體側擠壓，如圖4所示。

圖4 氣流水平沿著墻體表面流動

當外機散熱時，熱氣流朝前風機四周吹出，由于外部氣流壓力及風機自身吸力的影響，熱氣不能排出到此處凹槽空間，導致整個凹槽處于高溫熱氣空間，如圖5所示。根據現場實際測試溫度，同樣驗證此番理論。實際測試：外環境溫度為24 ℃，室外機回風溫度均在35 ℃以上，且部分溫度達到44 ℃以上。欄桿以外檢測不到任何熱氣流風速，且溫度明顯較低。

圖5 凹槽處于高溫熱氣空間

1.3 制冷效果不良分析

該數據中心機房設計機柜178個機柜，每個機柜負載4 kW，目前已啟用106個機柜，平均功率為2.6 kW，設備總負載：106×2.6=275.6 kW。空調已運行7臺，總制冷量未達到700 kW。

負荷計算：功率及面積法。

式中，Qt為總制冷，kW；Q1為室內設備負荷；Q2環境熱負荷（0.14～0.18 kW/m2×機房面積）；Qt=275.6+500×0.18 kW=365.6 kW。

根據機房實際負載以及空調單機制冷量，實際需要配置空調：Qt×1.3=365.6×1.3 kW=475.28 kW，即現場只需要開啟5臺空調即可滿足要求。

根據現場勘查，空調機組的出風口風速平均為4.6 m/s，出風溫度18.6 ℃，回風溫度28.1 ℃，相對濕度55%，計算制冷量：

式中，C為空氣比熱容，1.005 kJ/kg.℃；M為風量（質量流量）（風速×出風面積×密度（1.2 kg/m3））；T為進出風溫差。

（1）空調制冷量偏低，達到額定90%制冷量。其主要原因:

a.室外機由于安裝位置原因，散熱不良，影響空調性能；

b.之前高壓告警后多次調試冷媒充注量，對制冷效果造成不良影響。

（2）安裝結構

a.現場風機未采用風機下沉式安裝和安裝導風管，風量直接吹向地面，再從四周散開，送風不精準，造成風量的損耗；

b.空調機組漏風，從機組正面及四周明顯感覺到底部支架部分漏風。

2 空調可靠性運行研究與實現

2.1 可靠性運行研究

結合上述分析，需要從空調內部本身和改變外部安裝環境上研究解決風冷空調出現的高壓報警及制冷效果不良的狀況[4]。

（1）空調系統增加儲液罐

作用：避免空調運行過程中冷媒的加注導致的高壓報警停機風險，同時確保夏季或冬季室溫差變化機組正常運行。空調原理如圖6所示。

圖6 空調原理

a.儲存制冷劑中的液體成分，降低冷凝器的負荷；

b.避免凝液在冷凝器中積存過多而使傳熱面積變小，影響冷凝器的傳熱效果；

c.適應蒸發器的負荷變動對供應量的需求在蒸發負荷增大時，供應量也增大，由儲液器的冷媒補給；負荷變小時，需要液量也變小，多余的冷媒儲存在儲液器里；

d.降低了調試過程對制冷劑充注量的精度要求。

（2）調整室外機組安裝位置

根據現場測試分析結果發現，機組高壓報警主要由于室外側回風及排風短路造成，調整外機安裝位置是行之有效方案。方案如下：

a.兩臺室外機為一組，疊加安裝，增加每組之間的空隙，間隙≥2 m（現場2 m）；

b.外機往陽臺外移，在保障能夠維修基礎上，盡可能保證背面回風距離（現場800 mm）。

上述移位作用如下：

a.越靠外側，受到的往內部擠壓力越小，最終會趨于0，室外機往外移可以減少熱氣流回流；

b.背面回風口增大，同樣會使回風風速降低，風速低，負壓效果變弱，風也不容易回流；

c.增加每組之間距離，可以有效降低熱流密度，減少局部熱島效應。

（3）重新灌裝冷媒、提高送風阻力，減少冷量外泄

a.外機及儲液罐安裝后，重新調試空調設備，使機組在正常運行范圍內運行，機組保持最優運行狀況；

b.靜電地板底部增加導風管，直接連通道冷通道區域，降低冷量損耗；

c.空調四周以及整個機房進行嚴密封堵，提升整個靜壓箱密閉性[5]。

2.2 改造效果驗證

改造效果對比如表2所示。

表2 改造效果對比

3 結 論

由于該5 G核心機房大樓由辦公樓改造而來，弧形狀大樓對散熱有一定影響。本文主要對空調高壓故障和制冷量與設計不匹配問題進行分析研究，通過加裝儲液罐、加大背面回風距離和拉開組間距離來解決空調高壓告警，同時加裝導風口和封堵冷氣泄露點來提升空調制冷效果，并驗證方案可行性，達到預定目標。本次改造提高了空調運行可靠性，降低了空調能耗，有助于指導特殊場景空調設計與安裝。