某数据中心项目空调冷却塔方案选择

郭彦玲

（广东省电信规划设计院有限公司 广州 510630）

0 引言

随着通信和网络技术的飞速发展、数据中心的建设数量和规模迅速增加。据测算，我国数据中心总量已超过40万个，其总能耗占全社会总能耗的1～2%，其中空调系统能耗平均占数据中心总能耗的40%左右[1-3]。数据中心节能，尤其是空调系统节能已经成为日益关注的课题。

大中型数据中心最常见的冷源方式是采用冷冻水作为空调冷源。冷却塔作为水冷空调系统的重要部件，其方案选择直接影响空调系统的整体性能和能耗。本文将针对苏州某具体数据中心项目，对其冷却塔方案选择做出对比分析，并确定合适的冷却塔方案。

1 工程概述

1.1 工程概况

本工程为苏州某数据中心项目，建筑总面积19712m2，建筑总高度21.6m。建筑总层数4层，其中1层为配电房、设备机房等辅助用房，2、3、4层为标准层，功能主要为数据机房和配套动力用房。

经负荷计算，本工程通信设备功耗约为12144kW，加上动力设备发热量及维护结构冷负荷约2500kW，空调系统总冷负荷为14644kW。

1.2 项目自然冷却技术条件

在室外温度较低的冬季和过渡季节，可以直接利用室外低温环境制冷，只需部分开启或无需开启制冷机组，减少能耗，即为自然冷却技术。当冷却塔出水温度低于冷冻水供水温度时，就可以关闭冷水机组，利用室外冷却塔作为冷源，采用自然冷却方式供冷。图1为苏州市全年温度曲线。

图1 苏州市全年温度曲线Fig.1 Annual temperature curve of Suzhou

2 空调冷却塔方案

本项目空调系统采用冷冻水侧自然冷却技术，其相应的冷却塔方案如下。

（1）方案一：闭式冷却塔

选用闭式冷却塔供冷，当冷却塔出水温度达到或低于冷冻水供水温度时，可以关闭冷水机组，利用冷却塔直接供冷。方案一系统流程图如图2所示。

图2 方案一系统流程图Fig.2 System flow chart for scheme 1

（2）方案二：开式冷却塔+板式换热器

选用开式冷却塔+板式换热器供冷，当冷却塔出水温度低于冷冻水供水温度1.5℃～2℃时，可以关闭冷水机组，利用冷却塔出水与冷冻水在板式换热器两侧换热。方案二系统流程图如图3所示。

图3 方案二系统流程图Fig.3 System flow chart for scheme 2

冷却塔稳定运行是整个冷却水系统稳定运行和节能的关键因素，数据中心项目冷却塔技术选型必须兼顾各种工况参数。通常情况下，数据中心项目冷却塔选型应按照冬季自然冷却工况选型，再对夏季制冷工况进行校核。本项目采用水冷冷水机组+自然冷却系统，冬季冷却塔室外设计湿球温度的选择是关键。确定冬季室外设计湿球温度的意义在于，达到该湿球温度和低于该湿球温度时，系统就能够关闭冷水机组，完全自然冷却[4]。

本项目空调系统采用12/18℃的冷冻水，冷却塔逼近度（冷却塔出水温度与湿球温度之差）取为4℃。采用闭式冷却塔自然冷却时，冬季冷却塔供水直接作为冷冻水供冷，供回水温度为12/18℃，冬季室外设计湿球温度取为8℃；采用开式冷却塔+板式换热器自然冷却时，考虑到板式换热器两侧温差，冬季冷却塔出水温度比冷冻水供水温度低1.5℃～2℃，冷却塔供回水温度为10.5/16.5℃，冬季室外设计湿球温度取为6.5℃。经选型计算后，两个冷却塔方案的主要设备配置情况如表1所示。

表1 空调系统主要设备配置表Table 1 Main equipments for different schemes

续表1 空调系统主要设备配置表

3 冷却塔方案比较

为了选择出最适合项目的冷却塔方案，从冷却水性能、经济性、设计运维等方面对两种方案进行分析比较。

3.1 基本性能比较

开式塔和闭式塔是按热水和空气的接触方式分类，其换热原理如图4所示。

开式冷却塔是将循环水喷淋到填料上，风机带动塔内气流循环，通过水和空气的接触进行换热。闭式冷却塔的冷却分为内循环和外循环，内循环与制冷主机对接，将热量带到冷却塔；外循环水不与内循环水相接触，通过塔内的换热盘管吸收内循环水的热量，然后通过和空气的直接接触散热[5-8]。

本项目两种冷却塔方案性能对比如表2所示。

图4 开式冷却塔与闭式冷却塔原理图Fig.4 Schematic diagram of opening cooling tower and closed cooling tower

表2 两种冷却塔基本性能分析Table2 Performance analysis of two system

3.2 经济性比较

方案的经济性比较从初投资和年运行费用两方面进行，初投资比较针对两种空调方案主设备（不包含水处理设备、加湿设备等），年运行费用比较主要针对两种空调方案的年运行电费和自来水费。

在年运行费用计算中，根据数据中心的使用特点，结合当地气象特点，简化计算条件如下：空调系统全年供冷，夏季满负荷运行期按150天，冬季自然冷却时间按苏州市历年平均气温查算，其余时间为过渡季节部分负荷运行时间，部分负荷运行期平均负荷率取90%。根据苏州当时的气候条件，全年有近103天的时间平均气温在10℃以下，全年有近73天的时间平均气温在8.4℃以下（10℃和8.4℃分别为苏州市湿球温度8℃和6.5℃时对应的干球温度）。由此得到方案一冬季自然冷却时间为103天，过渡季节部分负荷运行时间为112天；方案二冬季自然冷却时间为73天，过渡季节部分负荷运行时间为142天。开式冷却塔耗水量按冷却水总循环量的1.5%计算，闭式冷却塔耗水量按冷却水总循环量的0.8%计算；电价按0.82元/kWh；自来水费按3.5元/m3计算。运行费用计算方法如下：

式中，Ni为系统输入总功率，kW；ηi为系统平均负荷率，%；G为冷却塔耗水量，m3/h；re为电价，元/kWh；rw为水价，元/m3；n为系统设计运行天数，天；h为每天设计运行小时数，h/天。

经计算，各方案初投资和运行费用如表3所示。

表3 两种冷却塔方案经济性分析Table 3 Economic analysis of two system

由表3可知，方案一对比方案二，空调系统初投资高出662万元，年运行费用低83.7万元。预计采用闭式方案比开式冷却塔+板式换热器方案增加的初投资，其静态回收期约为7.9年。

3.3 其他方面比较

就本项目而言，两种冷却塔方案均能提供满足要求的冷却水水温，但闭式冷却塔方案冬季自然冷却时间更长，具有一定的节能优势。同时，由于闭式冷却塔出水水质好，冷水机组的换热能效较高，长期运行能耗较低。

设计安装方面，方案一闭式冷却塔占地面积约为方案二开式冷却塔占地面积的1.5倍，本项目设计冷却塔放置于机楼屋面，两方案冷却塔布置面积需求均能满足。另一方面，方案二增加了3台板式换热器，需要多占用位于首层的制冷机房面积约30m2。

4 结论

本文基于苏州市某数据中心项目的运行需求，结合当地气候特点，对空调系统两种不同冷却塔方案的工艺流程和系统配置，从基本性能、经济性、设计安装等方面进行了分析，为空调系统冷却塔方案的确定提供参考。从分析可知，本项目采用方案一闭式冷却塔节能性较好、运行稳定，但初投资较高，投资回收期较长（7.9年）。最终，本项目业主基于水质、节能性等方面的考虑，确定采用闭式冷却塔方案。

本文的分析是建立在项目某些特定参数基础上，如冷冻水供回水温度、苏州地区气候特点、冷却塔4℃逼近度等，且未考虑加湿设备、水处理设备等能耗的影响，但分析过程和结果可以为同类型数据中心自然冷却系统的冷却塔设计提供参考。设计师和业主在进行数据中心水侧自然冷却系统方案选择时，应充分考虑当地气候条件和系统本身特点，因地制宜，选择最合适、最经济的方案。