中国工业合作协会机房技术专业委员会                  
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机房精密空调设计实例及施工要点       郭向东、金广祥


A Case and Engineering Key Point of

Computer Room Air Conditioning (CRAC) unit

姓名:郭向东、金广祥

Name: Guoxiangdong  Jin guangxiang

单位:国网信息通信有限公司

State GridInformation & Telecommunication CO.,LTD


摘要:

本文结合一个工程实例说明在机房精密空调设计及施工过程中应着重考虑的关键点,以及机房精密空调在使用过程中出现的问题及解决办法。机房精密空调在设计时应根据现场实际环境,充分考虑空调管路过长及室、内外机安装高度差过大的问题。同时,本文针对精密空调在运行过程中出现的高、低压报警故障进行了分析,并给出解决办法。

关键词:精密空调 设计 施工 关键问题

ABSTRACT: Combining with a project case, this article states the key point whichshould be taken into consideration when the process of the computer room airconditioning (CRAC) unit design and construction, and the problems andsolutions in use process of CRAC. Design of CRAC should be based on the actualenvironment, fully considering overlong air-conditioner pipeline and the heightdifference problem of inside and outside machine’sinstallation. Meanwhile, this article analyzes the high and low voltage alarmfault in the operation process of the accurate air conditioning, and provides solution.

KEY WORDS: accurate air conditioning, design, construction, key issues


机房精密空调是一种专门为数据机房提供恒温恒湿环境的空调设备,这类空调主要以工艺过程为对象,着眼于制造满足工艺过程所要求的室内气候环境,同时尽量兼顾人体的舒适要求。它的特点是风量大、出风温度高,对环境控制精密程度较高。如信息机房、程控交换机房等设备的运行环境需专用的空调。因此,在选配机房精密空调和安装工艺上都有很高的要求。

一、机房精密空调设计实例

1、项目概述

本项目中新建机房位于办公楼第16层,空调室外机置于24层楼顶。机房总面积为1300平方米,分为主机房、监控室、配电室和钢瓶间等,其中主机房800平方米采用机房精密空调,其他房间采用舒适性空调。由于大楼没有集中冷却设备,决定采用风冷直接蒸发冷却式恒温恒湿空调。机房精密空调是需要全年制冷的,所以一般只计算机房的冷负荷,而无需计算热负荷。

2、冷负荷计算方法

针对数据机房的特点,计算冷负荷时采用如下公式:

Q=Qj+Qs(+Qx)

其中:Q为机房总冷负荷,kw

Qj为机房所在的建筑物的冷负荷,kw

Qs为机房内设备冷负荷,kw

Qx为机房内的新风冷负荷,kw,因为本机房内的新风系统是经过预处理的,所以此项未计算在内。

计算Qj时,按照办公楼的类型来进行概算,办公楼(全部)一般取值为95~115w/m2。针对本项目,因为机房在16层,属于大楼的中间层,窗户数量比较多,按照办公楼中间偏高值考虑,因此取110 w/m2。

计算Qs时主要根据机房内的设备的发热量,按照机房满配机柜数量来计算设备发热量,计算公式如下:Qs=Pj×n ×ξ

其中:Qs为机房内设备冷负荷,kw

Pj为每个机柜的耗电量,kw。

n为机柜数量。

ξ为设备的散热系数,网络设备为0.9-1,如服务器、路由器等,交换设备、计算设备为0.7-0.8,如交换机、小型机等,电脑为0.5-0.6。针对本机房,ξ取1。

冷负荷具体计算结果:

项     目

机     房

面积(m2)

800

建筑物冷负荷Qj=0.11×面积(kw)

88

单体机柜耗电量Pj(kw)

2.5

机柜数量n

197

设备冷负荷Qs=Pj×n ×1(kw)

493

总冷负荷Q=Qj+Qs(kw)

581

3、空调选型配置

经过以上计算,得出机房的冷负荷,并根据冷负荷进行选型。一般来说,由于机房属于关键部门,所以基本配置按n+1(n≤4)或n+2(4<n≤8)配置,其中n值以4为界限,确定备用机是1台或2台,空调制冷设备应留有15%-20%的余量。

根据以上计算结果,选用某品牌的机房精密空调,风冷下送风型,单机显制冷量为80kw,风量为25000m3/h,机房为8用2备,总制冷量为640kw,大于总冷负荷计算值。精密空调选用了双压缩机机型,可以使温度变化梯度更小,温度精度更高,同时独立的双制冷循环,提高了设备的可靠性。

4、机房空调验算

根据冷负荷选配了机型后,需要用机房内的换气次数来验算一下,这样做的原因是:机房精密空调与舒适性空调相比,具有大风量、小焓差的特点,在制冷量满足机房要求的前提下,应保证足够的风量,才能使空调设备工作在设定点上,同时可以从硬件上保证温度精度,防止超差。一般要求机房内的换气次数应不低于40次/hr,经测算本项目中机房内的换气次数为69次/hr。

5、选配冷凝器

工厂给定的标准配置的冷凝器是按照室外环境温度为35℃选配的,由于北京地区夏季气温较高,用户选配的冷凝器都是按照室外环境温度40℃选配的,选配的具体型号是根据查设备厂家提供的数据表得来的。

二、施工要点

空调产品的安装质量,对于空调设备的长时间可靠运行有着非常重要的意义。而机房精密空调涉及的方面又比较广泛,包括有搬运、设备就位、制冷管路的焊接、上下水管路和电力等多方面。

1、室内、外机的位置

空调室内机通常摆放在机房的短边一侧,而且送风方向还要与地板下线槽和机柜平行,这样有利于空调的送风。本项目中空调摆放在机房的两端,机柜与气流方向平行。空调支架采用角钢制成,并安装有导流板,同时为防止气流干扰,支架的两端也用钢板全部封闭,支架用膨胀螺栓与地面固定,空调机组与支架之间垫有10mm厚减震橡胶。空调室外机(风冷冷凝器)放置在安全和易于维护的地方,它可水平或垂直安装,冷凝器之间应保证有一定的间距。根据本项目的实际情况,室外机放置在24层楼顶,水平放置,冷凝器风口向上进行散热。

2、制冷管路

每台空调有4根铜管(双压缩机),分别为2根汽管和2根液管,都属于高压管路。铜管之间采用乙炔焊接的方式,当铜管对接时,采用涨口的方式。相比使用直接接头的方式减少了1个焊口,也就是说减少了泄漏的几率。

3、上下水

机房空调内有加湿器,需要连接上下水管道。如有条件,空调的上水最好取自软化水,以防止结垢。下水管路不能直接排到室外,不然容易产生冻堵,同时下水管的水平段要有坡度,并在空调下部加装U形弯头。本项目的上水管来自同层机房旁边的洗手间,下水管路接到了下一层的洗手间内。

4、铜管内部的洁净处理

为了保证铜管内壁是洁净的,通常需要在焊接铜管前,用酒精和丝绸、铅丝清洗铜管内壁,去除油污。在焊接时用水冷却焊口,以便让铜管内壁的氧化皮脱落。铜管焊接完毕后,要用干燥氮气进行吹洗。但是在实际工作中,这些做法不容易检测,而且效果并不好。针对这种情况,在本工程中使用干洗剂的方法,即用水泵将干洗剂(如R11)通入已焊接好的铜管系统先进行液体清洗,然后再用氮气吹洗。R11的标准沸点为23.7℃,所以不用担心会有液体留存在管路中,等到开机调试抽真空时,留存的R11都会以气体形式抽出。这种方法从根本上解决了铜管内部的清洁问题,减少了工人的工作量,效果显著。

三、技术疑难

1、长制冷管路

本机房中水平和垂直方向的制冷管路最长超过了100米,属于长制冷管路范围。对于长制冷管路,最关键的问题是制冷量是否衰减,在本工程中根据实际情况,采取的办法是加大制冷管路的管径来降低阻力,减少损耗。工厂推荐的铜管直径为16mm(液管)和19mm(汽管),其中大部分的阻力来自汽管,所以加大管径至19 mm(液管)和28mm(汽管),有效降低了管路沿程阻力,开机调试时压缩机的各项指标都合格,制冷量没有衰减。

2、室内外机高度差

几乎所有的安装工程都面临制冷管路超长、空调室内外机超高的问题。一般来讲,对于室内外机的高差应为“宁高不低”。这是由机房精密空调的构造和特性决定的。机房精密空调的主机在室内,室外机仅仅为一个冷凝器,连接铜管均为高压管,一根为汽管,流向室外机,一根为液管,流向室内机。当室外机在上部时,汽管为上升管,液管为下落管,只需解决向上输送气体的问题就可以了,而当室外机在下部时,汽管为下落管,液管成为了上升管,对于压缩机来讲,要将液体从低处吸上来,是比较困难的。针对本项目,室外机比空调主机高25米,采用的做法是在垂直汽管上每隔5米做一个U型弯,它是通过2个90°弯头实现的,目的是将垂直管臂上的润滑油存在油弯内,等压缩机启动时由气体带动进入冷凝器,另外,在室外机的汽管根部加装了一个单向阀,为的是避免冷凝器内的制冷剂在设备停机时回灌进压缩机排气管内。总之,所有做法的目的,都是为了当压缩机再启动时,排气管内不会被液体(制冷剂和润滑油)堵住,使得压缩机可以正常工作。

四、问题及解决方案

本机房自2009年投入运行以来机房精密空调运行状况良好,没有出现重大问题。但由于24层楼顶其他空调室外机的逐渐增多,原本就略显拥挤的场地安装了大量的空调室外机,造成散热不畅的问题,在夏季造成多次高压报警,引起精密空调停机的问题。同时,与之相对应在冬季时也发生过低压报警的问题。

空调压缩机工作时,低温低压的气态制冷剂被压缩机吸入后加压变成高温高压的气态制冷剂,高温高压的气态制冷剂在室外进行热交换时放热变成中温高压的液体,中温高压的液体再经过节流部件节流降压后变成低温低压的液体,低温低压的液态制冷剂在室内进行热交换时吸热蒸发后变成低温低压的气体,然后进入压缩机压缩,往复循环。在夏季天很热时,从压缩机出来的高温高压气态制冷剂由于室外冷凝器散热不足,气态制冷剂无法全部相变为中温高压的液体,导致系统内高压气体积聚,引起高压报警。

针对本机房所产生的高压报警,建议采取2个解决方案。其一是从空调中抽出多余制冷剂,调节高压压力在合理范围内。但这个方案在冬季气温低时,空调又会产生低压报警,此时又需要向空调补充制冷剂。因此,每年的夏季、冬季都需要向空调抽出和补充制冷剂,增加人工维护成本。而且这种办法大都是在故障发生后采取的措施,增加了IT设备宕机的危险。其二是针对空调室外机散热不畅的问题,利用自来水给室外机降温,将水加压形成水雾给室外机降温。通过增加一些传感器,可以将该装置设为自动模式,保证了空调不会出现高压报警的故障。

其次,要定期清洗室外机,尤其是每年春季飘柳絮之后,要及时清洗表面灰尘及脏物。精密空调空气过滤网也要及时更换,过滤网太脏易产生低压告警。


参考文献

1、黄逸素、林秀诚、叶志瑾编著《采暖、空调、制冷手册》,机械工业出版社

2、王如竹、丁国良等著《最新制冷空调技术》,科学出版社

3、蒋能照、余有水等编《氟利昂制冷机》,上海科学技术出版社

4、李佐周主编《制冷与空调设备原理及维修》,高等教育出版社

5、邢振禧主编《空气调节技术与应用》,高等教育出版社