双空调冷却水系统共用冷却塔案例及其分析

杨小之，邵正忠

（中国电信股份有限公司 南京分公司，江苏 南京 210000）

0 引 言

某数据中心地上15层、地下2层，机楼制冷结构为水冷机组配末端水冷空调[1]。数据中心共有12组水冷机组，放置于负1楼与负2楼。冷却塔放置于13楼楼顶外平台与15楼楼顶平台，水冷机组冷却管路完全独立，每组水冷机组对应一组冷却塔。早期机房集中于11楼及以下楼层，冷冻水管的最顶部位于11楼，此时冷冻水循环系统集水器压力为0.85～0.9 MPa，系统设计额定压力为1.0 MPa。后期14楼机房投用，冷冻水循环高度增加13.5 m，机楼单层高度4.5 m，冷冻水循环系统出水压力升至0.95 MPa以上，接近系统设定压力上限[2]。为了降低系统压力，在14楼业务机房建设独立空调系统，使冷冻水系统扬程降低至原高度[3]。

1 设计方案

14楼独立空调系统初始设计方案中，末端为带压缩机的机房精密空调，冷却系统为壳管换热器加冷却塔的形式[4,5]。考虑该机楼已经存在较多冷却塔，因此将新建系统管路接入已有冷却塔，形成双循环水路共用冷却塔的模式，如图1所示。

图1 双循环水路共用冷却塔模式

原空调系统冷却水泵CWP-A1位于负1楼、CWP-A2位于负2楼，水冷机组CH-A1位于负1楼、CH-A2位于负2楼，冷却塔CT-A1位于13楼楼顶外平台、CT-A2位于15楼楼顶平台，新建空调系统壳管换热器HX-B1、HX-B2以及壳管对应水泵CWP-B1、CWP-B2均位于13楼楼顶外平台。其中，HX-B1、HX-B2均为多个壳管换热器并联结构，并非单个壳管换热器，壳管换热器与机房精密空调压缩机一一对应。

新建空调系统冷却部分为双路由在线互备结构，具备两个循环管路。由于夏季冷却塔需求量大，该模型无法保障时刻存在独立冷却塔供新建空调系统使用，因此必须考虑在原有冷却水循环系统与新建空调冷却水循环系统同时在线且共用一组冷却塔的特殊情况下，系统是否仍可正常运行。

2 单系统独立运行测试

在管路改造完成后，对原有水冷机组冷却系统和新建壳管式换热器冷却水循环系统进行单独运行实验，确保4个冷却系统均可独立正常运行。当水泵在不同频率下运行时，冷却塔塔顶分水器液位变化如图2所示。其中机组水泵的额定功率为90 kW，壳管水泵的额定功率为30 kW。

图2 水泵在不同频率下运行时冷却塔塔顶分水器液位变化

需要注意的是，文中所述的冷却塔液位均为冷却塔塔顶分水器液位，该参数能直观反应冷却塔需要处理的冷却水水量。冷却塔塔顶分水器水槽边缘高度为250 mm。

3 双系统联合运行测试

3.1 测试过程

开展双水泵在频率为35 Hz、40 Hz、45 Hz以及50 Hz共用冷却塔的非带载测试，共建立4种运行模式。双冷却水系统共用冷却塔模式中的设备关键参数如表1所示。

表1 双冷却水系统共用冷却塔模式中的设备关键参数

不同的双冷却水循环系统共用冷却塔情形如图3（a）、图3（b）所示。

图3 不同的双冷却水循环系统共用冷却塔情形

3.1.1 模式1

根据图3（a），位于负1楼的机组水泵CWP-A1正常运行，冷却塔CT-A1位于13楼楼顶外平面，此时需要开启与冷却塔同楼层的壳管水泵

CWP-B1。当CWP-A1已经运行时，CWP-B1无法开启，调节CWP-A1的运行频率，相应地改变泵CWP-B1的启动频率，泵CWP-B1始终无法开启。

3.1.2 模式2

根据图3（a），位于13楼楼顶外平面的CWP-B1正常运行，此时需要开启位于负1楼的CWP-A1。经过实际操作，发现CWP-A1能正常开启，但运行一段时间后CWP-B1有可能出现异响和停机情况。该模式下的实验数据如表2所示。由于13层冷却塔对应冷却系统无流量监测装置，因此无法得知其具体数据。冷却塔塔顶分水器水槽边缘高度为250 mm，当冷却塔液位超过250 mm时会有液体流出，记为溢水。

表2 运行模式2的实验数据

3.1.3 模式3

根据图3（b），位于负2楼的机组水泵CWP-A2正常运行，冷却塔CT-A2位于15楼楼顶平面，此时需要开启位于13楼楼顶外平面的壳管水泵CWP-B2。在水泵设定不同频率的情况下，双水路系统均能同时正常运行。运行模式3的实验数据如表3所示。

表3 运行模式3的实验数据

3.1.4 模式4

根据图3（b），位于13楼楼顶外平面的CWP-B2已正常运行，此时需要开启位于负二楼的机组冷却水泵CWP-A2。结果发现CWP-A2能正常开启，但CWP-A2运行后，CWP-B2很快发生异响并停止运行，水泵频率的改变不影响实验结果。

3.2 测试结果

3.2.1 水泵运行情况

测试机组水泵与壳管水泵同时运行的实验结果如表4所示。

表4 测试机组水泵与壳管水泵同时运行的实验结果

3.2.2 冷却塔运行情况

在双泵同时运行实验过程中发现，水泵高频运行情况下，冷却塔会出现顶部溢水情况。机组水泵与壳管水泵同时运行时不同频率下的冷却塔液位如图4所示。

图4 机组水泵与壳管水泵同时运行时不同频率下的冷却塔液位

当机组水泵与壳管水泵均高频运行时，分水器内将完全被水灌满，此时冷却塔液位高度为分水器水槽边缘高度，并出现如图5所示的边缘溢水情况。溢水不仅会造成水资源浪费，而且同时长时间溢水还会引发积水、漏水等情况，必须对该情况进行分析论证。

图5 冷却塔边缘溢水变化情况

整合两个系统各自单独运行和同时运行测得的数据进行对比，结果如图6所示。

图6 水泵在不同频率运行时的冷却塔液位

由图6可知，水泵同时运行时冷却塔实际液位值并不等于两组水泵独立运行时冷却塔液位数值简单的叠加，实际冷却塔处理的水流量大于理论叠加值。

3.3 结果分析

从上述实验中可以发现，双冷却水循环系统能否同时正常运行与多个因素有关。13楼壳管水泵与冷却塔处于平层，当负1楼机组水泵开启后，壳管水泵进水侧管路中的水很容易被抽离，导致图3中B段管路水流量过小，水泵产生负压，水泵叶轮产生“气蚀”现象，壳管水泵无法启动[6]。15楼水泵测试结论原理与14楼相同，当负二楼水泵启动后会瞬间降低13楼壳管水泵进水侧B管路水流量，导致壳管水泵停转。但由于冷却塔与壳管水泵的落差关系，当机组水泵运行平稳后，壳管水泵进水侧管路水流量不会过低，此时再启动壳管水泵，双水循环能同时运行。

4 结 论

通过实验及结果分析，发现水循环系统的运行状态复杂度与不确定性远超理论计算，该数据中心最终未采纳双循环水路共用冷却塔结构，选择为新建空调系统增加冷却塔，实现两个系统的独立运行，并达到降低冷冻水系统压力的目的。通过对多个水循环系统共用同一组冷却塔的研究，给相关建设和改造提供了一定的支持，未来需要继续深入探讨。