变频冷机在超低负载下如何安全又节能运行？

使用变频冷机是为了节能，节能的前提是“冷机处于非满载工况下运行”。但如果当冷机负载太低（低于30%以下），冷机不仅无法有效节能，甚至不能正常工作——此时冷机会反复出现剧烈的机组“喘振”现象，“喘振”次数多了，冷机会因自我保护而停机。

本篇将为您解析腾讯数据中心的工程师是如何解决这个问题的。

喘振是怎么回事？

对于离心式冷机来说，压缩机是一个高速旋转的“气泵”。内部结构和离心水泵相似。当压缩机工作时，蒸发器中的冷媒被高速旋转的叶轮吸收后，在叶轮旋转过程中，提升压力和流速，最后从压缩机出口处到达冷凝器中。冷媒在“气泵”前后的压差，我们称为“压头”。原理和水泵增压一样。

图1喘振原理

冷媒刚离开压缩机叶轮时，全压是最高的，此后，流向压力稍低的冷凝器中。假设此时压缩机叶轮转速忽然降低（或者是冷凝器中的压力忽然升高），这时，冷凝器中的压力就比压缩机叶轮出口的压力要高了，那会发生什么样的问题呢？——气体制冷剂从冷凝器倒流，经过压缩机叶轮与壳体的缝隙，回流到蒸发器。这就是“喘振”！

图2喘振发生时冷媒流向示意图

当制冷剂流回到蒸发器之后，冷凝压力下降，蒸发压力上升，压差减小，压缩机开始再次按正确方向工作。但是，随着冷凝压力的升高，蒸发压力下降，机组将再次开始“喘振”！

喘振有哪些危害？

喘振发生时，机组会发出一种剧烈的“嘶叫”声——“嘠！！！”，尖锐刺耳，机器似乎也因快要解体而痛苦难堪。喘振还会伴随着强烈的震动摇摆，对整机结构也非常不利。喘振次数多了，对于高速旋转（每分钟上万转）的叶轮来说，无疑是一种致命的伤害。所以，厂家为了保护主机，但喘振发生时，会对喘振进行计数，频次超过阀值后，主机将自我保护停机。此时，需要人工现场确认复位后，主机才能再次投入工作。

为什么变频离心机轻载下容易喘振？

现在，我们已经知道叶轮转速过低或者是冷凝器压力过高都容易导致喘振。那么，这两种情形都是什么情况下会发生的呢？

叶轮转速过低往往是因为变频离心机在频率下降时造成的。当负载低的时候，离心机将自动进入降频节能工况，使得叶轮转速降低。但如果转速减得太低了，叶轮产生的压头不足以抵御两器（蒸发器和冷凝器）的压差时，冷媒将发生“倒流”，冷机就容易发生喘振。

另外一种原因是冷凝器由于散热不良（散热不良的原因有很多种：比如冷却水温过高、冷却水流量过小、盘管赃堵等等），使得冷凝器内部的冷凝压力过大，也会造成冷机喘振。

如何解决喘振？

通过以上分析，我们知道了负载太轻是运营初期变频冷机产生喘振的原因，如何解决呢？如果我们增大负荷会怎么样？

在腾讯某数据中心空调系统管路结构中，和冷机并联布置的有几套板式换热器（简称板换）。在冬季时，当流经室外冷塔的冷却水回水温度低于末端冷冻水回水温度时，才会启用板换做免费的制冷。但是在夏季的时候，板换是不工作的，如果强制让板换开启，由于冷却水温度比冷冻水温度要高，冷冻水是会被加热的。

如今，因为需要人为增加冷机热负荷，我们尝试了一下开启板换，把冷机负载率提高至避开喘振区。测得冷机平均运行能耗约大于400KW(如图2)，水泵需要多开启1到2台。

图3冷机平均运行能耗

开启板换的解决方案下冷机输出功率存在波动，高于400KW。这种方法虽然解决了冷机喘振问题，但同时又引发了另外一个问题：冷冻水到精密空调末端主供水的两路主管供水温度不一致，存在较大的差异。

这主要与管道中水体流向存在分区有关——冷机和板换本是处于一个并联结构，相等温度的冷冻水回水分别流经冷机和板换后，一路被冷机制冷，另一路被板换加热，导致冷冻水出水温度差值比较大。再因为水流会遵循“阻力最小”的就近原则，两路出水实质上并不会发生混合，而是直接选择各自两侧最近的主供水管，直接去不同的末端区域。

末端回水也一样，哪里最近回到哪里。所以冷机侧的回水更多来自冷机原有的供水，板换侧的回水更多来自板换侧的供水，这将导致冷机回水温度较低，板换回水温度较高。经测试，这种方式最终导致靠近板换侧的主管供水温度高达18度，而靠近冷机侧的只有8度。这对于不同区域的机房IT负载来说，冷量供应不一致，系统存在较大的风险！

解决上述问题的两种方案

①在环网上关闭一侧的供水（或回水），让水流只走一路供（回）水，冷热水会发生混合。但这将使得系统可靠性降低；

②开启中间位置的冷机，并在冷机左右两侧各开启一套板换，让冷机出水都经过两侧板换的热水后做混合，并且通过人工不断微调板换上的水阀开度，最终保证冷冻水两侧主管道的供水温度一致。这种调节方式属纯手动调整，因存在误差累加，运行时间久了，两侧供水温度还是存在误差，它需要运营人员投入较多时间和精力去关注，增加工作量，属于“事倍功半”。

上述的增大冷机负荷的方式，明显是不智能的，难道就没有既节能又安全的解决方案了吗？

新的突破

面对以上困难，空调工程师首先想到了“管道蓄冷”的方法，某栋楼宇因为没有蓄冷罐，不可能在极轻负载下采用“蓄冷罐充放冷”的模式，但是否可以把管道中的这点保有水量当做蓄冷池来使用呢？管道的蓄冷能力有多少呢？工程师开始了以下的方式探索——

首先，尝试停止冷机，只开水泵，让管道中的冷冻水保持流动。经测试，管道中的水每循环一圈，水温上升2度，经过多圈循环后，管道中的水上升至16度，已经接近系统供水温度上限，在这个水温下，微模块A的末端空调送风温度达到24度，接近温度上限。（IT负载已经满载，6台列间空调全开，全部水阀开度90%以上）。

（编辑：核心网）

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