维谛精密空调风改水系统冬季运行问题及应对措施讨论-维谛UPS电源维谛蓄电池
摘要：针对北方地区风冷维谛精密空调水冷改造在冬季运行时，冷却塔及管路防冻问题进行分析，同时对北方地区改造后的水冷维谛空调系统在冬季运行时，水温过低引起的维谛精密空调低压告警风险进行了讨论。从冷却塔设计选型、热水旁通及BA系统水温监测方面提出水冷系统低温运行时的解决思路。
关键词：风冷维谛空调、水冷改造、冷却塔、冬季防冻、低压保护
背景：风冷直膨式维谛精密空调机组由于其分布式布置的特点，系统配置和部署较为灵活，因此在运营商枢纽机楼或银行、金融行业应用广泛，但由于空间限制，多数情况下风冷维谛精密空调室外机只能采取叠放的方式放置在各层的半封闭阳台上。或者随着运行年限的增加，换热器翅片脏堵或腐蚀老化，换热效率下降。以上两种情况是造成夏季维谛精密空调系统高压的主要原因。
由于排热不畅，维谛精密空调冷凝温度上升，维谛空调机组性能下降，单位冷量输出所需能耗增加，加之机楼维谛精密空调数量众多，整体能耗数值惊人，甚至引起配电容量过载，威胁机房运行安全。
2017年4月，《工信部关于加强“十三五”信息通信业节能减排工作的指导意见》将“到2020年新建大型、超大型数据中心的能耗效率（PUE）值达到1.4以下”定为主要工作目标。各大运营商对此相应积极，对其所属数据中心进行排查整改，解决维谛空调系统高压运行顽疾的同时，优化其运行PUE。
1.改造方案对比分析
风冷维谛精密空调水冷改造：通过将水—氟换热器串联或并联到原风冷系统中，部分或完全替代风冷冷凝器，由于水—氟换热器换热效果比风—氟换热器好，且冷却水水温通常低于夏季环境温度，水—氟传热系数明显高于风—氟传热系数，换热充分，压缩机排出的气态制冷剂能及时冷凝为液态，从而避免冷凝压力的急剧升高，缓解维谛空调高压风险。
集中式冷凝器：采用了V字型换热盘管的集中式冷凝器，增加了换热面积，与传统冷凝器相比，其换热更加充分，高压气态氟利昂蒸汽得到充分冷却，从而缓解了系统高压。
高压微雾或喷淋系统：通过设置高压细水雾系统对冷凝盘管进行喷淋，通过水的蒸发来实现冷凝盘管的强化换热，由于水蒸发为相变换热，因此换热效果强化明显。
强排风机组件：阳台上布置的冷凝器多因通风不畅，热气流聚集，引起冷凝器冷却气流高温，从而传热温差降低，传热效果恶化，通过设置强排风机，将聚集的散热散发到外围环境，改善冷凝器散热。
上述几种改造方案都具有一定的局限性，需针对于不同项目，结合现场条件和项目规模及当地水文气象条件来选取适当的改造方案，几种改造方案优缺点及适应场合如下表所示：
表1：各种改造方案优缺点比较
上述几种改造方案中，风冷系统水冷改造应用较广，也取得了较好的效果，极大程度上缓解了夏季维谛精密空调系统的运行高压，同时具有一定的节能成果。根据相关项目统计，风冷系统水冷改造年均节能15~22%，投资回收期约3~6年。
2.风改水方案描述
针对风冷维谛空调水冷改造的案有两种：一种是用新的水冷冷凝器（板式换热器或壳管式换热器）直接替换原来的风冷冷凝器；另一种是在保留原风冷的基础上加装水冷系统（串联或并联）。加装的水冷换热器可直接就近现有风冷冷凝器安装，也可以单独在同楼层就近选取空房间放置新的水冷换热器。改装后，夏季及过渡季节水冷换热器作为主用，风冷换热器为辅助换热器，当气温降低时，为防止冬季运行带来的冻结
风险切换为风冷形式运行。
水冷换热器作为主用换热器，风冷冷凝器为辅助换热器，通过原风冷冷凝器压力传感器来调节冷凝压力（壳管换热器后置时需调整压力传感器触点位置）。
配置储液瓶来容纳风冷---水冷互相切换时液态冷媒的迁移容量，也可适当放大壳管型号来替代储液瓶。改造前的制冷循环如下图：
改造完成后的制冷循环示意图：
（a）壳管式换热器后置方案
（b）壳管式换热器前置方案
设定切换压力动作点为20～23bar，回差设置5～7bar，当压缩机高压压力上升到20～23bar，压力开关接通风冷冷凝器的工作电源，风冷冷凝器启动运行，压缩机高压压力下降到设定的回差值，风冷系统自动恢复停机。
3.风改水方案冬季运行主要问题
风冷空调系统进行水冷改造后，水冷冷凝器（壳管式换热器）作为主用冷凝器，通过每个壳管换热器配置的流量控制阀（电子式或自立式）来控制进出冷凝器的冷却水流量，实现冷凝压力的调节。由于北方地区冬季室外湿球温度较低，会对冷却塔及整个冷却水系统产生影响，概括起来有以下主要问题：
（1）冷却塔冬季防冻问题
北方地区冬季室外湿球温度较低，而不管是开式冷却塔还是闭式冷却塔，都是利用水的蒸发来对冷却水进行降温，在我国三北（东北、西北、华北）地区，冷却塔在冬季运行时，由于低温低湿空气的影响，循环水温度比夏季要大大降低。运行中或停运的冷却塔及其循环水系统都可能发生冰冻危害，严重影响冷却塔的效率、结构安全和使用年限。当日平均气温在-10℃以下时，通常称为冷却塔的冬季运行期。
（2）冬季空调运行低压问题
制冷装置运行时，冷凝压力对系统性能有很大影响。当冷凝压力（或冷凝温度）偏高，压缩比增大，压缩机的容积效率减小，造成制冷量减小，耗功率增大。排气温度升高，冷凝压力越高，其不利影响程度越大。冷凝压力偏高的现象主要出现在夏季，这时应尽可能降低冷凝压力，以保证系统运行的经济性和可靠性。但是，对于全年运行的机房精密空调设备，在冬季运行时，又有可能出现冷凝压力过低的现象。冷凝压力过低时，膨胀阀前后压差太小，膨胀阀容量减小导致系统制冷剂供液能力不足，蒸发器缺液，系统制冷量大幅度下降，空调机组低压保护。因此，必须将冷凝压力控制在合理范围内，否则会使制冷装置频繁的低压报警或吸气压力低报警等故障。
即，冷凝温度约为工况温度（环境温度或者冷却水温）与换热温差之和，水冷时，温差可选小，风冷时温差适当选大。常见制冷剂低温工况时冷凝温度和压力对照表如下：
表2：常见制冷剂低温工况冷凝温度和冷凝压力对照表
通常，采用R22工质的维谛精密空调机组的冷凝低压告警阈值为2.4bar（绝对压力），少数厂家维谛精密空调最高可达6bar，采用R410A工质的维谛空调的冷凝低压告警值为3.7bar（绝对压力）。在北方低温工况下，风冷维谛空调机组为避免冷凝温度过低引起低压保护，风冷维谛精密空调会通过室外风机降转速来控制冷凝温度在38~40℃。而水冷直膨式机房维谛空调机组则通过电子流量调节阀来控制进出冷凝器的冷却水流量来实现冷凝压力的调节。从表中数据来看，R410A工质压力相对较高，R22和R407C热物性接近，但是，通常R410A工质冷凝压力阈值对应下的温度与R22或R407C工质冷凝压力阈值对应下的温度接近，在北方，室外温度较低时，水温在不低于5℃的前提下，机组一般不会出现低压情况，但仍然需要考虑两种情况：
1）维谛精密空调系统在部分负载下运行，当壳管式换热器未配置流量调节阀或流量调节阀不能正常调节时，进、出壳管换热器的冷却水始终以最大流量进行，部分负载下，相当于换热面积增加，制冷剂工质进出口温差增大，特殊情况下会出现过度冷却情况，造成冷凝压力低于设定阈值。
2）管道系统保温不充分时，管道井内强对流冷空气会将管道内的冷却水温度进一步降低，从而低于设计温度，造成冷凝低压。
4.冬季运行应对策略
为避免冷却水系统冬季运行风险，可以从冷却塔设备、冷却塔运行策略及末端管路设置方面入手，通过设备侧防冻、冷却塔启停及管路优化设计来避免冬季运行风险，具体如下：
（1）冷源设备侧
常年运行或部分时间段运行的场合防冻有两部分:喷淋水系统和内部循环水系统(软化水)。喷淋水系统的防冻问题通常在积水盘内增加电加热器，一般在喷淋水低于5℃时开启，8℃以上停掉。温度探头将信号传递至控制柜，自动控制电加热器的启停。电加热器的功率选择依据循环水量和外界气温确定。
内部循环水系统的防冻可以加乙二醇溶液或者增加电加热设备。乙二醇溶液的冰点温度要求选在当地历史最低温度以下。对于较大的冷却系统场合，可以考虑挖水池将喷淋水入其内，能够节约因电加热运行的耗电费用。
以上防冻措施具体做法如下：
1）.设热水旁路水管：在冷却塔的进水管上接旁路水管通到集水池，使旁路回水与集水池中原有冷水混合，调节池水温度，使池水温度上升，达到防冻的目的。引入旁路水管要求在机组启动时先开循环水泵，使少量的循环水在管线中流动，不经填料散热，直接进入集水池，加热管道和集水池中的水。这样做的好处在于防止无热负荷和热负荷很小的循环水经过填料后结冰，从而起到保护停用的冷却塔和对应的管线免受冻害的作用。同样，在机组停运时，先停冷却塔后停循环水泵，也是为了避免发生上述同样的结冰问题。此外，调节阀门开度的大小，直接影响进入运行的冷却塔循环水量，属于变相的热水旁路调节法。
2）.设置蒸汽伴热;北方地区蒸汽取用方便、冷凝潜热大、温度易于调节，因此，蒸汽伴热也是一种有效的保温及防冻化冰措施，被广泛应用于各种工程建设中。其工作原理是利用伴热媒体散发的热量，通过直接或间接的汽水热交换来补充被伴热体的热损失，达到升温、保温或防冻的要求。用于冷却塔防冻的蒸汽伴热，是从蒸汽管路引一支蒸汽管至冷却塔的集水池，在集水池底部做盘管，蒸汽通过管路进入集水池中蒸汽盘管，通过汽水换热，使池水升温，达到防冻的目的。
3）.使用电加热处理:当环境温度只有0℃左右，可以考虑在管路上或循环水箱上加电加热器或其它热源，来提高闭式冷却塔的表面温度，从而达到防冻的目的。
4）.在冷却塔的进风口设挡水板:在冷却塔进风口一侧塔壁，有相当一部分水沿塔壁流下，在进风口处结冰。为防止这种情况发生，在塔壁内侧设置挡水板，与塔壁成30~45度角，使冷水不沿塔壁入池内，防止进风口一侧塔壁结冰。
5）.在冷却塔的进风口悬挂挡风板:冬季运行时，在冷却塔的进风口处悬挂挡风板，防止冷空气侵入塔内，避免了该区域水流受到外界冷空气侵袭，维持了进风口温度，进而消除进风口处的挂冰现象。挡风板的安装和拆卸应根据当地的气候条件、风力风向，以及冷却塔内部结冰情况及时调整，既可安装迎风面半圈，也可仅安装上层部位或者全塔安装。淋水装置处的气温应控制在0℃以上，池水温度在10~15℃以上，并且不出现大量的结冰现象为宜。根据挡风板的生产工艺，挡风板的高度一般不超过3m，宽度不大于0.88m。挡风板的结构应便于机械和人工安装、拆卸。
6）.采用“防冰环”:所谓“防冰环”就是在冷却塔配水系统的外围、进风口内上侧加设环形防冻喷水管，在管子的下部均匀连接若干支管，向塔内喷射热水，这样在冷却塔进风口处形成一道热水幕帘，阻碍冷风进入，同时切割进风口处的冰帘、冰柱，防止其增大。“防冰环”的热水来自循环水给水管。具体的做法是：从循环水给水管上引出两根防冻管，分别沿塔内壁向相反方向做环管，各负担二分之一塔的喷水量，并在结合处各自将管封堵。同时从“防冰环”的下端引出若干支管，沿塔的周围均匀分布，形成喷水管。喷水管一般为分段的圆弧管，各管段不相通。“防冰环”中的水流量由加装在该管上面的温控阀来控制。
（2）运行策略控制
常年运行的场合防冻问题常年运行的密闭式冷却塔，配有电控系统，可能会因主系统的负荷变化带来冷却塔运行台数的变化，此时需要考虑防冻的问题冬季基本不用的场合防冻措施如果在冬季密闭式冷却塔不需要运行。停机时，须将喷淋水和内部循环水排空。内部循环水建议采用大于4公斤以上压力的压缩空气强制排空，但是，换热盘管采用碳钢管时不建议采用排空的方式来防冻。
（3）管路设计优化
尽管在我国北方大部分地区，冬季运行的水冷维谛精密空调系统运行压力低于维谛空调所设定的低温低压阈值，但极端情况下，如我国东北地区极低温工况，或未设置末端流量控制阀并处于部分负荷运行工况时，由于冷却介质温度过低或冷却介质流量过大，造成低压，可通过主管道侧和末端设备侧两种方式来缓解。
1）主管道侧温度调节
通过冷却水供、回水主管道间设置热水旁通支路，通过调节旁通热水流量来实现出水水温的控制，最终实现进、出壳管换热器的冷却水水温满足设计要求，保证冷凝压力高于低压设定阈值。一般需要设置BA系统，根据出水水温来调节旁通阀的开度，系统图如下图所示。
2）末端管路侧温度调节
末端环路上增加旁通支管，并设置电动三通阀，根据冷凝压力来调节旁通流量的大小，进而改变进、出壳管换热器冷却水流量的大小，实现冷凝器换热量的调节，进而改变系统冷凝压力，避免低压保护。极端情况下可以完全关闭水冷系统，通过调节冷凝器风机的转速来进一步调节冷凝压力。
5.结论
随着运行年限的增加以及受到维谛精密空调室外平台空间的限制，风冷维谛空调系统频繁出现高压报警及冷量不足的情况，在对其进行水冷改造后，可获得显著的节能效果及从根本上改善因散热不良引起的维谛精密空调高压问题，但同时也带来的系统冬季运行的问题。通过优化设备选型和系统设计来规避冷却水维谛空调系统冬季运行的问题，主要有：
1）大部分情况下，冬季运行时，可将冷却塔停运并排空冷却水管路中的循环水，冬季完全采用原风冷冷凝器，并通过风冷冷凝器自带的压力开关来调节冷凝压力。
2）当冬季冷却塔仍需运行时，冷却塔可采用内部热循环（热水旁通与积水盘存水混合或热水旁通加热盘管）、设置维谛UPS电源外部热源（电加热、蒸汽预热）及设置挡水板的方式来防止冷却塔冻结。
3）冬季极端条件运行时，可通过设置冷却塔进、出水主管道旁通或末端管路旁通来调节冷却水系统水温或末端分支流量，来实现冷凝压力的调节，避免冷凝压力过低。
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