通信機房風冷專用空調長管路下的系統(tǒng)設計

趙路平

中國移動通信集團設計院有限公司上海分公司

風冷機房專用空調，按照規(guī)范定義屬于計算機和數(shù)據(jù)處理機房用單元式空氣調節(jié)機的一種[1]，規(guī)范中規(guī)定了機組制冷量的試驗方法，其中有一條試驗條件需要特別說明下，即試驗條件中規(guī)定了室內外機組的冷媒管連接管長為5～7.5 m[2]。筆者咨詢了多個機房空調廠家，機組測試時也是按照冷媒管長5～7.5 m的范圍內進行測試并作為機組名義工況下的參數(shù)，同時各廠家也會給出推薦的管長應用范圍，多數(shù)如下：單程冷媒管最大物理管長為60 m，當冷凝器在室內機上方時，室內機與室外機安裝的垂直最大距離為20 m，在下時，垂直最大距離為5 m。且在此范圍內制冷量滿足規(guī)范中規(guī)定的不小于名義制冷量的95%。對于通信建筑多數(shù)在推薦的應用范圍內，然不排除有些項目受制于建筑本身制約，尤其是一些老舊機房空調替換和擴容項目會不得不超出廠家推薦的管長范圍，此時就不得不考慮超長條件下對空調冷量的影響。從制冷原理分析，機組的制冷衰減量隨著管長的增加而增大，當應用管長超過60 m時，由于制冷衰減量不得而知且不可忽視，這給空調設計人員帶來很大的難度。通信機房不同于常規(guī)民用建筑，對空調的依賴和要求更高，如果對此因素考慮不足，很有可能造成設備選型的制冷量不足，影響電子設備正常運行，嚴重者可能造成較大經(jīng)濟損失或者公共場所秩序混亂。因此，對于風冷機房專用空調在冷媒管超長管路下的設計和選型，顯得很有必要研究和思考。

1 項目概況

上海某通信機房建筑樓層共5層，二層為通信電子設備間，建筑面積約2000 m2，其余4層為辦公樓層，二層層高7 m，三、四、五層高為4 m。設計為風冷機房專用空調，室外風冷冷凝器布置于建筑屋頂，內機布置于二層各電子設備間，機組示意圖見圖1所示。由于建筑內沒有空調管路井可用，只能從建筑的屋頂經(jīng)建筑外立面再進入機房，導致部分空調管長超出廠家的推薦范圍，經(jīng)測算，冷媒管單程物理管長在70～80 m范圍內。經(jīng)咨詢多個設備廠家，均表示冷媒管長雖然超出了推薦的應用范圍，但機組也能正常運行，至于冷量衰減多少，目前行業(yè)內很少能準確提供。與此同時，由于現(xiàn)場安裝空間受限和預算制約，作為設計人員也不能無條件無依據(jù)的選型較大冷量的機組。如果按照計算冷負荷選取，有可能冷媒管超長制冷量衰減較大，導致實際制冷量不足。基于面臨的問題，筆者查閱相關文獻和咨詢相關專業(yè)人員，形成了如下的分析和解決思路。

圖1 機房專用空調示意圖

2 冷媒管路超長條件下問題分析

機房專用空調冷媒管超長時，主要產(chǎn)生兩個問題，一是制冷量衰減，二是壓縮機潤滑油回油困難。

1）制冷量衰減

從制冷循環(huán)的角度，可分析出冷量衰減的原因主要體現(xiàn)在兩方面：一方面是冷媒管過長時，冷媒液管的沿程阻力損失增大，加上與外界的換熱升溫，將會造成部分冷媒提前汽化，導致進入蒸發(fā)器中液態(tài)冷媒減少，引起制冷量下降。另一方面冷媒管過長時，冷媒汽管的壓降也會增加，導致壓縮機的排氣壓力升高，從而使壓縮機的壓比增大，容積效率降低，制冷效率降低，制冷量減少[3]。借助壓焓圖，能更加直觀的看出制冷量減少，見圖2所示，ABDE為標準管長的制冷循環(huán)，aBde為超長管長的制冷循環(huán)，在室外換熱量一定的條件下，單位質量的冷媒制冷量由AB減小為aB，且A點的干度小于a點，意味著用于制冷的液態(tài)冷媒量減少，兩者疊加后總的制冷量更加減少。

圖2 冷媒管管長變化的壓焓圖

2）壓縮機潤滑油回油

除冷量衰減外，冷媒管過長時，壓縮機潤滑油回油的問題也不容忽視。據(jù)了解，目前行業(yè)各廠家的標準機組多數(shù)都不配置油分離器，潤滑油的流動是伴隨著冷媒一起循環(huán)流動。當冷媒管較長時，潤滑油的循環(huán)路徑越長，對壓縮機越不利，尤其是當機組停機時，汽管中的油滴在重力作用下沉積到底部水平管或者壓縮機出口。當系統(tǒng)再次啟動時，壓縮機排氣口冷媒帶動油滴經(jīng)過整個循環(huán)管路才能再次回到壓縮機內，路徑較長時很有可能造成壓縮機缺油而損壞，故潤滑油回油的問題也是機組安全運行的重要因素之一。在沒有油分離器的情況下，目前廠家推薦的做法是在汽管上加裝存油彎，汽管垂直高度上每隔5～10 m內設置一個存油彎。存油彎的工作原理：當系統(tǒng)停止運行后，汽管中的油滴分段暫存在存油彎中，當系統(tǒng)再次運行時，存油彎中的油滴在冷媒的帶動下，循環(huán)流動再次回到壓縮機內。同不設置存油彎相比，潤滑油的循環(huán)路徑縮短了相當于垂直高度的距離，可減少了回油困難。如果有選擇的情況下，建議設置設置油分離器，回油效果更優(yōu)。

3 超長管路下系統(tǒng)機組容量選型和管路的設計

經(jīng)以上分析，可知工程設計人員主要面臨著該如何把握冷媒管超長衰減量的問題。筆者查閱了相關設計規(guī)范，如《數(shù)據(jù)中心設計規(guī)范》GB50174，《通信建筑工程設計規(guī)范》YD5003等，《民用建筑供暖通風與空氣調節(jié)設計規(guī)范》GB 50736等均未提及超長條件下機組容量選型該如何考慮[4-6]?！队嬎銠C和數(shù)據(jù)處理機房用單元式空氣調節(jié)機》GBT19413也沒有規(guī)定設備廠家需要提供冷媒管長度對冷量衰減的修正系數(shù)。故不妨換個思路來考慮這個問題，多聯(lián)機的系統(tǒng)形式和工作原理，同風冷機房專用空調相似，主要區(qū)別在于多聯(lián)機的壓縮機在室外機側，從前面的分析可知，冷量的衰減主要取決于冷媒循環(huán)流動中的沿程阻力。對于相同管長條件下，無論壓縮機在室外機側還是在室內機側，汽管和液管的管長并沒有發(fā)生變化，冷量的衰減應該呈現(xiàn)相似的規(guī)律，這為借鑒多聯(lián)機的衰減系數(shù)提供了可能性。依據(jù)《多聯(lián)機空調系統(tǒng)工程技術規(guī)程》JGJ174中的相關說明，多聯(lián)機行業(yè)冷媒管最大管長能達到150 m，垂直高差50 m[7]。他們是如何解決超長引起冷量衰減的問題，從規(guī)范《多聯(lián)式空調（熱泵）機組》GB/T 18837-2002到2015的升版內容對比，新版增加了冷媒管長修正的相關規(guī)定[8-9]，其目的就是為滿足實際工程設計需要，期望制造商提供機組性能衰減與連接管長的修正數(shù)據(jù)?；诙嗦?lián)機冷媒管超長修正從無到有的過程來看，筆者相信風冷機房專用空調相關規(guī)范的再升版也會提出相關規(guī)定，不妨先借鑒多聯(lián)機的設計方法，應用到風冷機房專用空調上。

3.1 多聯(lián)機設計方法借鑒

《多聯(lián)式空調（熱泵）機組》GB/T 18837-2015中明確的規(guī)定廠家需給出不同長配管下機組制冷量修正系數(shù)，見圖3所示。《多聯(lián)機空調系統(tǒng)工程技術規(guī)程》JGJ174中也明確提出了機組容量選型應考慮室內外機溫度，室內外機負荷比，冷媒管管長和高差，融霜的修正。對比風冷機房專用空調，由于是一對一的室內外機，以及機房專用空調常年處于制冷工況，故室內外機負荷比和融霜無需考慮，則剩下另外兩個因素，即室內外機溫度，冷媒管長和高差需要考慮。

對于溫度修正系數(shù)來說，機房專用空調試驗工況室外側空氣溫度為35 ℃[10]，從全國熱工分區(qū)來看，嚴寒地區(qū)，寒冷地區(qū)，夏熱冬冷地區(qū)，夏熱冬暖地區(qū)和溫和地區(qū)的夏季空調室外計算溫度多數(shù)都低于35 ℃，少數(shù)地區(qū)在35～36 ℃范圍內，極個別的高出36 ℃，如重慶36.5 ℃，浙江麗水36.8 ℃，吐魯番40.3 ℃[6]。綜合來看，全國大部分地區(qū)幾乎無需考慮修正，個別地區(qū)可根據(jù)實際情況考慮修正。

圖3 冷媒管長度對機組制冷量的修正系數(shù)

對于管長的修正則屬于共性存在問題，不妨借鑒多聯(lián)機管長的修正系數(shù)，多聯(lián)機和機房專用空調修正系數(shù)理論上是不完全相同的，如前所述由于兩者系統(tǒng)形式和運行特性十分接近，呈現(xiàn)出來趨勢是相似的，修正系數(shù)也是比較接近的。尤其對于當前缺少設計參考和依據(jù)的條件下，有較大的參考意義和價值。同時，筆者查閱對比了某多聯(lián)機廠家不同型號的機組給出的管長修正系數(shù)，多數(shù)都要高于規(guī)范GB/T 18837-2015給出的參考值，為了保證選取的機組容量足夠可靠，取最不利的修正系數(shù)圖，即圖3作為設計參考依據(jù)。

另本項目經(jīng)過多次與廠家溝通，廠家做了大量模擬計算，最終給出的80 m管長修正系數(shù)值是0.895，60 m管長修正系數(shù)為0.948。對比圖3查得80 m修正系數(shù)為0.868和60 m為0.896，兩者對比來看，多聯(lián)機的衰減系數(shù)更大些，從設計的角度來講偏差基本能夠接受且采用多聯(lián)機的修正系數(shù)機組制冷容量保障性更高。對于不同項目在應用時，也可依據(jù)實際情況，在此修正系數(shù)圖的基礎上，對實際修正系數(shù)可進行適當調整。

3.2 系統(tǒng)管路設計

除了管路超長冷量衰減外，連接室內外機的冷媒管路設計布置也需要注意，如下三個方面尤其要關注：冷媒管徑選擇，潤滑油回油，壓縮機運行。

冷媒管管徑選型一般廠家會推薦一個范圍值，對于超長管路可適當取較大的冷媒管徑，這樣可以減少沿程阻力損失，對冷量衰減進行適當補償。但也不能不加限制的增大，冷媒管徑太大，流速會降低，不利于壓縮機潤滑油的回油，因此要兼顧考慮。

根據(jù)分析，潤滑油回油需要設置存油彎，具體見圖4所示。

圖4 機房專用空調冷媒管路示意圖

壓縮機運行主要考慮當機組停機時，一方面冷凝器中冷媒液體在重力作用下，反向流動積聚到壓縮機出口管路上，再次啟機時，將會引起壓縮機排氣口高壓報警，故可在冷凝器入口設置單向閥，防止冷媒液體倒流；另一方面冷媒液體在重力作用下流入到蒸發(fā)器內，再次啟機時很有可能造成液體來不及蒸發(fā)進入到壓縮機內產(chǎn)生液擊風險，故可在蒸發(fā)器入口設置電磁閥，防止冷媒液體進入蒸發(fā)器內。單向閥和電磁閥都一般不屬于設備廠家標準配件，對于超長管路是需要設計人員額外提出需求配置，見圖4所示。另外，也可在冷凝器汽液管上分別設置反向U形彎，汽管上的U形彎和單向閥的功能相同，起到雙重保護的作用。液管上的U形彎作用是系統(tǒng)停機時，減少作用在各部件的靜壓，如視液鏡，膨脹閥等，延長使用壽命。但是多設計一個U形彎對系統(tǒng)來講，就多增加一個局阻部件，冷量衰減就會更多，對于設計人員，可根據(jù)項目實際情況，權衡利弊，選擇是否設置。

4 結論

本文通過對通信機房空調設計中遇到的問題，進行分析總結，為后續(xù)設計人員提供一些思路，同時也提出了可供參考的設計方法，并形成如下結論：

1）從制冷循環(huán)的角度，系統(tǒng)地分析了冷媒管路在超長條件下，系統(tǒng)運行會產(chǎn)生哪些問題和弊端，并提出了相應的解決措施。

2）從多聯(lián)機設計方法類比的角度，提出了風冷機房專用空調系統(tǒng)超長管路下的設計選型方法，以及可供參考使用的超長管路下機組冷量的修正系數(shù)圖。

3）在實際項目設計過程中，從節(jié)能減排的角度考慮，設計方案應盡量縮短冷媒管長。對于某些不得不采用超長管長的項目，在沒有相關修正系數(shù)可用時，本文提出修正方法也不失為一種設計依據(jù)補充。