冷却塔供冷技术在数据中心的应用

武 义 王秀芳

(1.太原市建筑设计研究院，山西 太原 030002； 2.山西科能电力设计有限公司，山西 太原 030009)

0 引言

近几年，随着云计算等技术的迅速发展，对数据中心建设的势头不减。数据中心基础设备中的高耗能的系统是制冷系统，数据中心要求全年供冷，能耗巨大，冷却塔供冷技术作为一种绿色节能技术，充分利用免费的室外自然冷源在春、秋和冬季可以显著降低数据中心的能源消耗。

1 冷却塔供冷

1.1 供冷原理

建筑在全年均有稳定的散热量，需要全年制冷。当室外湿球温度低于某一定值时，制冷机组停机，空调系统中的冷却塔直接或间接向空调系统提供冷冻水，用作消除室内余热。这种采用冷却塔直接或间接供冷的方式叫做“免费供冷”。

1.2 供冷形式

供冷按冷却水是否直接进入空调设备可分成两大类：冷却塔直供和冷却塔加板式换热器的间接供冷。

1.2.1 冷却塔直供

冷却塔直供是指在原空调水系统中增加旁通管路，将经过冷却塔降温的冷却水直接进入冷水系统进行循环。夏季由制冷机组提供冷冻水，冬季由冷却塔组提供冷冻水，冬季关闭制冷机组，通过打开旁路阀门，使经过冷却塔降温的冷却水直接进入空调末端。冷却塔可采用闭式冷却塔或开式冷却塔。设置开式冷却塔时，冷却水与外界空气直接接触，冷却水会携带从冷却塔上洗涤下来的空气中的灰尘，变成泥浆后进入室内空调水系统，造成盘管被污垢，使其换热效率大幅降低，甚至阻塞盘管，故很少采用。闭式冷却塔冷却水不与空气直接接触，解决了堵塞污染问题，但由于闭式冷却塔造价较高且间接换热效率不高，故也很少采用。

1.2.2 间接供冷

间接冷却是在原冷水系统上增加板式换热器，使冷却水作为一次水，通过板式换热器对冷冻水进行间接降温，冷却水系统和冷冻水系统是独立的,没有连接，采用换热器来实现能量转移。由于冷冻水和冷却水是相互独立的，可以避免冷水系统被腐蚀、污染和堵塞。

2 冷却塔免费供冷的设计和计算

2.1 冷负荷

本文以图1所示的某地铁控制中心为例，空调系统夏季总冷负荷为 11 451 kW，其中数据中心冷负荷5 789 kW，设两台中温离心式冷水机组；办公区冷负荷为5 662 kW，设两台常规离心式冷水机组，四台离心式冷水机组制冷量均为2 989 kW。四台离心式冷水机组两两互为备用。在设备检修或者特殊情况下应保证数据中心供冷需求，可以临时不保证办公区正常供冷。数据中心每台冷却水泵流量为720 m3/h，冷冻水泵流量为600 m3/h，冷水泵、冷却水泵均为两用一备。夏季供冷时冷水供水温度为13 ℃，回水温度为18 ℃，温差5 ℃。办公区每台冷却水泵流量720 m3/h，冷冻水泵流量为600 m3/h，冷水泵、冷却水泵均为两用一备。夏季供冷时冷水供水温度为7 ℃，回水温度为12 ℃，温差5 ℃。设四台冷却塔。

数据中心冷负荷以设备散热量形成的显热负荷热为主导，热源集中且连续，不允许中断。冬季冷负荷与夏季冷负荷相似为5 789 kW，需全年供冷。

2.2 确定板式换热器换热量、冷水泵、冷却水泵和冷却塔开启台数

在冷却塔供冷项目设计时，冷却塔和末端空调器均已按夏季工况确定。因此，冬季供冷时，需要两者匹配，设计时需要计算板式换热器的换热量、确定冷却水泵、冷水泵和冷却塔开启台数。

1)冬季供冷时供水温度的确定,按夏季温度设计,冷冻水供回水温度越高,冷却塔出水温度相应越高,可延长冷却塔供冷时间。

本工程冬季冷负荷为5 789 kW,取冬季空调冷冻水供水温度tL1=13 ℃,回水温度tL2=18 ℃。

由上可知,冬季需要变频运行2台冷水泵即可满足供冷要求。

3)冬季冷却塔供冷时每台板式换热器负担的负荷为5 789×70%=4 053 kW。

4)确定冬季板式换热器温差较小端一、二次水温差Δtx。

板式换热器温差较小端一、二次水温差宜取Δtx=1 ℃～2 ℃。该温差取值太大,则可利用的供冷时间太少。该温差取值太小,则板式换热器的换热面积太大,换热器造价较高。一般取Δtx=1.5 ℃。

5)确定冬季冷却水(冷源)温差Δty。

其中，L2的大小由供冷时冷却水泵运行的台数决定,一次侧流量L2越大,Δty越小。当冷却塔型号已定,Δty越小,所需冷却塔降温幅度越小,可以在室外湿球温度较高的情况下提供冷却,但开启的循环泵越多越耗能;Δty也不宜过大,过大的Δty使满足要求的室外湿球温度tw降低,减少了冷却塔供冷时间。一般以2 ℃为界。

由上式可知运行2台冷却水泵,Δtc=3.58 ℃,满足要求。

6)冷却塔供冷的冷却塔出水温度(一次冷源水供水温度)如下确定。

a.当Δty>(tL2-tL1)时,ty1=tL2-Δtx-Δty。

b.当Δty≤(tL2-tL1)时,ty1=tL1-Δtx。

c.tc1不应小于5 ℃,当tc1计算结果小于5 ℃,应调整Δtx或Δty。

其中，tL1为空调冷冻水最高供水温度,℃;tL2为空调冷冻水最高回水温度,℃;ty1为冷却塔出水温度。即冷源水最高供水温度,℃;Δty为冬季冷却水(冷源水)供回水温差,℃。

由于：

Δty=3.58 ℃<5 ℃。

冷却塔提供的一次冷源水供水温度为:

ty1=tL1-Δtx=13-1.5=11.5 ℃。

7)冷却塔提供的一次冷源水回水温度为:ty1+Δty=11.5+3.58=15.08 ℃。

8)确定冬季冷却塔运行的台数。

根据冷却塔供应一次冷源水供水温度11.5 ℃和冬季冷却水温差3.58 ℃,查文献[5]中冷却塔特性曲线,如图2，图3所示,冷却塔特性曲线流量比50%的室外湿球温度有最高值。

此时的室外湿球温度为tw=8.34 ℃,冷却塔流量比为50%。因此冷却塔的夏季名义流量为:1 440/50%=2 880 m3/h,冬季供冷需要运行4台冷却塔。

3 冷却塔供冷注意事项

1)冷却塔供冷在板式换热器选型时,应使其阻力接近冷水机组冷凝器的阻力,避免因冬季冷却水管路阻力太小,冷却水泵容易过载而烧毁电机。

2)在北方,冷却塔在冬季使用时,室外冷却水管应进行保温处理,在冷却塔集水盘上设置电加热器,在室外冷却水供回水管上设置电伴热,供电负荷按消防负荷考虑。楼宇控制系统应控制电加热器及电伴热的启停,当冷却塔集水盘内水温低于5 ℃时开启电加热器,高于设计值ty1时,关闭电加热器。同时要确保在集水盘内无水时,电加热器不能启动。冷却塔供回水管上应设旁通管及温控电动阀,以控制水温在5 ℃以上。

3)冷却塔发生结冰的部位一般为温度最低的进风口处和填料处,横流塔内大面积的填料暴露在进风口,在半干半湿状态下比较容易冻结。引风式逆流塔轴流风机设在上部,除进风口处小面积不能被水流包围外,填料基本上是被水流以一定速度包围,所以逆流塔不宜结冰,故冷却塔供冷时应选择逆流塔。

4 结语

本文通过数据中心能耗问题,分析了冷却塔供冷的设计过程,为冷却塔供冷时冷却水泵和冷却塔的开启台数及室外最高湿球温度设计值的确定提供了设计依据,为数据中心节能设计提供依据和参考,为冬季冷却水供回水在5 ℃以上提出了有效措施。