華北地區數據中心冬季閉式冷卻塔低負荷防凍節能運行策略

岳仁杰 李斌

摘 ?要：該文主要討論華北地區采用閉式冷卻塔的制冷系統在數據中心投用初期上架率較低、熱負荷較低的情況下冬季運行模式即：充分利用自然冷源、節能減排，使用冷卻塔+精密空調模式直接進行數據中心自然冷卻，對數據中心制冷系統安全（如確保系統備份）、自身防凍（如冷塔投用數量與負荷相匹配、保溫與散熱適度調節、備份與主用快速轉換的措施等）、外界氣溫驟降、負荷突增、設備故障等風險進行討論，并從設計（如系統架構、設備選擇、設備功能組件等）、運行管理方面（如風險管理、應急措施等）采取應對措施。

關鍵詞：低負荷 ?低溫 ?閉式冷卻塔 ?防凍 ?節能

中圖分類號：TK26 ? 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2020）01（c）-0001-03

數據中心制冷系統在設計與建設過程中一般按滿負荷N+1或2N架構進行，數據中心初期上架率較低、熱負荷較低，此時進入冬季運行模式，制冷系統既要保證數據中心制冷安全又要做好自身防凍措施，同時應對外界氣溫驟降、負荷突增、設備故障等的風險。

閉式冷卻塔主要由蒸發換熱盤管、噴淋水系統、引風系統、結構框架4個部分構成。冷卻水在盤管內封閉循環，噴淋水在盤管外形成水膜蒸發吸熱，引風系統將箱體外部溫度濕度均較低空氣引入箱體與盤管、噴淋水換熱，同時帶走噴淋水蒸發后的水蒸氣，從而達到為冷卻水降溫的目的。因為其封閉的冷卻水系統，避免了楊絮、沙塵污染，使制冷系統運行時安全性提高，減少了因水質差造成的冷凝器換熱降效現象，其水質也可以在冬季運行時將冷凍水冷卻水直接連通，使用冷卻塔+精密空調模式（無板換模式）直接進行數據中心自然冷卻，從而起到節能減排的作用。也正因為其封閉的冷卻換熱盤管構造，凍結的風險較大，華北地區數據中心冬季低負荷運行需要采取必要的防凍措施以及相應的應急預案。

1 ?低負荷狀態下冬季閉式冷卻塔的應對措施

1.1 設計時對低溫低負荷運行的考量

在數據中心設計之初，設計人員需要充分考慮初期低負荷狀態下低溫運行的應對措施，并在施工過程中完成。低溫低負荷狀態下要盡量減少冷卻水系統的散熱，主要措施有減少散熱面積、控制通風量、提高冷卻水水溫等。所以會從以下幾個方面進行設計。

（1）選用模塊化、組合式、有溫控箱控制的可變風量、可變噴淋水量的冷卻塔。閉式冷卻塔主要部件之一為換熱盤管，大多數冷卻塔由多個單獨的散熱模塊組合而成。可以通過控制換熱盤管模塊的大小（盤管排數、直徑、總換熱面積等），給換熱模塊設計獨立進出水控制閥門，為冷卻塔小模塊運行提供可能。通風量是冷卻塔散熱能力的重要考核指標，通風量越大，換熱能力越強。低負荷運行的情況下需要做到風量可調，如使用變頻控制系統控制風扇轉速從而實現風量調節，也可以使用多風機組合，改變風機投用數量實現冷卻塔風量的調節。同理，噴淋水的循環水量也可以如此調節。

（2）冷卻塔噴淋水集水盤需要有電加熱及溫控箱設計。當噴淋水循環量為零時，噴淋水無法通過熱交換得到充足的熱量，在集水盤中不斷散熱，會造成結冰現象。結冰后，首先會對設備本身造成損壞如脹裂集水盤、凍裂噴淋泵;其次會造成需要噴淋水降溫時卻無水可用的后果。電加熱可以設定在3℃加熱，8℃停止，既確保運行安全又避免電加熱的頻繁啟停。

（3）冷卻塔相關水系統管道需要增加電伴熱、保溫及自動溫控箱設計。冷卻塔相關水系統管道有冷卻水管道、噴淋水管道、補水管道以及排水、排污管道。冷卻水管道在室外面積較大，在低負荷運行時有些冷卻塔模塊會被棄用，冷卻水管道很可能無水循環流動，長時間（3～4個月）在低溫條件下散熱，管內水容易凍結。噴淋水在閉式冷卻塔低負荷運行時也為間歇性運行，噴淋泵、噴淋水管道長時間停用，內部水均有凍結風險。由于冷卻塔冬季低負荷運行時蒸發量很小，補水也是間歇性的，長時間無流動無室溫自來水的熱量補充，很容易凍結。另外，在冬季冷卻塔清洗、排污過程中，排水、排污管路溫度很低、散熱很快，管道內的積水及閥門處的死水很容易發生凍結，造成管路、閥門等位置的損壞。所以以上管道均應增加電伴熱、保溫及自動溫控箱。溫控箱設定點宜設置在室外溫度低至3℃時自動送電運行。

（4）冷卻水系統有補熱功能。冷卻水系統補熱功能可以通過使用市政供暖熱源經過板換實現，也可以通過自備小鍋爐或者管道上直接增加電加熱單元等方法實現。這樣做首先可以實現工程冬季竣工、無負荷狀態下管道沖洗、設備調試期間防止水凍結的功能;其次可以提高冷卻水水溫實現低負荷下冬季冷卻水防凍的功能。

1.2 運行管理需采取的措施與方案

（1）充分評估現有熱負荷，使之與閉式冷卻塔換熱盤管模塊相匹配，多余的備用模塊進行泄水操作。

①負荷與流量最低要求。在低溫季節到來前，需對數據中心內負荷進行計算：可以根據設計手冊進行理論計算之后根據實際用電量、機柜使用率等實際運行數據進行復核調整，得到最真實的負荷值。此負荷為冷卻水的熱源，確保冷卻水在循環過程中不凍結。根據某品牌閉式冷卻塔廠家數據，當實際負荷不低于單模塊銘牌散熱量的5%，流量不低于銘牌循環水量80%、管內最小水流速不小于0.5m/s時，冷卻水在換熱盤管內不會凍結。此數據根據廠家設備不同有所不同，其與內部換熱盤管回路形式（單回路、雙回路、多回路）、盤管材質（銅、不銹鋼、鍍鋅鋼管）、盤管樣式（光管、波紋管、內壁麻面）及管徑等有關。運行過程中需嚴格按照廠家提供數值運行。

②考慮運行安全因素決定運行單元。因數據中心安全性的高標準要求，需要盡量保證2N個或N+1個完整的制冷單元同時運行達到基本的備份要求，防止因設備故障造成的運行生產事故。所以，在負荷達到或超過單模塊10%的狀態下需要將負荷分配到兩個不同的制冷單元運行。在負荷過低的情況下進行綜合評估，是采用輔熱設備增加負荷還是在蓄冷罐儲冷時長內恢復其他單元。

③備用設備的泄水作業。根據負荷評估結果結合運行安全需求，確定需要運行的冷卻塔模塊數量，對不使用的冷卻塔模塊進行泄水作業，防止凍結。具體步驟為：第一，根據負荷評估及安全運行需求確認需要運行的冷卻塔模塊編號，并對其進行詳細檢查，確保最佳狀態的模塊投運。第二，根據作業指導書，對作業人員進行安全交底及作業培訓。制定應急預案，同時安排專人監測操作過程及系統運行狀態，防止出現誤操作影響系統安全運行。第三，對需泄水模塊斷電（噴淋泵與風機等）、掛警示牌。第四，關閉模塊進出水總閥、在模塊排污閥連接排水管，打開排氣閥、排污閥進行泄水。第五，將空壓機出氣口連接至排氣閥，打開泄水閥，對盤管進行反復吹掃，至無連續水滴落下為止。第六，對于全部模塊泄水的冷卻塔將集水盤泄水、噴淋管道泄水，并關閉集水盤電加熱。第七，關閉排污閥、放氣閥、收拾工具，做確認檢查，作業完成。

（2）檢查電加熱、電伴熱系統狀態。在入冬前需要檢查輔熱系統、冷卻系統相關管道電伴熱等是否正常。

（3）對冷卻塔進行必要的改造。使用橡塑保溫對冷卻塔四壁進行包裹，在冷卻塔進風口使用橡塑板、塑料薄膜或棉門簾做成可開啟可調節風口。

實際測量數據為：室外溫度2.4℃，濕度65%的狀態下。

①未經過處理的不運行冷卻塔內部溫度為2.6℃，濕度為63.1%，經過保溫處理的不運行冷卻塔內部溫度為4.3℃，濕度為60.9%。

②未經過處理的運行冷卻塔（盤管內水流動，不開啟風機和噴淋）進出水溫度為12.7℃/11.8℃，同負荷經過保溫處理的運行冷卻塔（盤管內水流動，不開啟風機和噴淋）進出水溫度為12.7℃/12.3℃。

③未經過處理的運行冷卻塔（盤管內水流動，僅開啟噴淋泵，不開啟風機）進出水溫度為12.7℃/6.8℃。同負荷經過保溫處理的運行冷卻塔（盤管內水流動，僅開啟噴淋泵，不開啟風機）進出水溫度為12.7℃/8.9℃。

④未經過處理的運行冷卻塔（盤管內水流動，同時開啟啟噴淋泵和風機）進出水溫度為12.7℃/4.9℃。同負荷經過保溫處理的運行冷卻塔（盤管內水流動，同時開啟啟噴淋泵和風機）進出水溫度為12.7℃/6.2℃。

根據測量結果可知，無論在哪種運行模式下，經過保溫處理的冷卻塔的散熱能力都受到限制，降低了冷卻塔盤管凍結的風險。

（4）運行過程中嚴格控制冷卻水水溫、循環水量。運行過程中嚴格監控水流量不低于單模塊的80%，監測冷卻塔出水溫度不低于5℃，低于此值啟動應急預案。為達到此目標可以進行以下作業。

①適度提高冷卻水水溫。根據運行經驗，在運行過程中，適當降低精密空調設定值，并增加空調開啟的臺數在供冷量不變時會提高冷卻水溫度。如果將冷卻水溫度由設計值12℃提升至14℃，在不過分影響安全運行的情況下，可以大大提高冷卻水防止凍結的能力，同時還延長了自然冷卻模式運行的時間。

②閉式冷卻塔作為干式冷卻器使用。在低負荷狀態下，換熱盤管優先在干式狀態下運行，不開啟噴淋系統，只通過風機變頻器調節冷卻塔通風量，依靠干冷器原理進行散熱，可以有效減少散熱量，確保冷卻水不凍結。

③噴淋泵進行點噴觀察。當通風量達到最大，水溫仍持續升高時，噴淋泵投用。投用過程可以點動噴淋泵，立刻停止，防止冷卻水水溫驟降。同時調整通風量，加大噴淋量，使散熱量與負荷平衡，達到出水水溫恒定。

（5）檢查BA系統的報警功能。使用低負荷運轉方案前，冷卻水溫低溫報警、高溫報警、流量報警應該進行檢查，并根據冬季運行方案進行報警值修訂。

2 ?閉式冷塔冬季低負荷運行應急預案

2.1 氣溫驟降或負荷減少

當在穩定運行時，氣溫驟降或負荷減少會將之前的運行平衡打破。此時可以通過以下方案進行調整。

（1）依靠換熱模塊自身調節：通過減少噴淋水量、降低通風量，降低循環水量來進行調節（不低于80%）。

（2）啟用前期的冷卻塔保溫改造措施，限制冷卻塔散熱能力。

（3）將冷卻水輔熱設備投運，同時開啟集水盤電加熱、冷卻水管道電伴熱等設備，提高冷卻水溫度。

（4）在模塊機房內，人為增加假負載，加大散熱量。

2.2 負荷驟增

當在穩定運行時，投用服務器激增會將之前的運行平衡打破。此時可以通過以下方案進行調整。

（1）依靠換熱模塊自身容量調節：加大噴淋水量，增大通風量，增加循環水量。

（2）投用新換熱模塊。啟用已泄水的備用散熱模塊。啟用過程中需要注意兩點：①盤管自身低溫，需提前預熱，否則冷卻水灌水期間有凍結風險。實際測量，盤管內重新注水過程約為4min，但后續整個制冷單元需要補水系統繼續補水30min完成穩壓。②盤管排氣作業必須徹底，防止盤管內氣體進入水系統影響運行安全。應先只打開進水閥、排氣閥，讓冷卻水進入盤管，待排氣閥不排氣體并出現連續水流時，再關閉排氣閥，打開冷卻水回水閥。

2.3 運行過程中結冰

（1）進風口結冰。在噴淋運行、通風量較大的情況下，噴淋水在進風口容易遇冷凍結，形成冰簾、冰墻，造成通風量減少，嚴重影響散熱效果，造成水溫升高。進風口結冰時建議人工敲除，根據溫度、負荷等運行狀況來定時巡查、定時敲除。在保證不影響出水溫度的情況下，冷卻塔模塊間也可以輪換進行關閉風機只運行噴淋泵或者風機反轉的方法進行除冰。

（2）換熱盤管外部周圍結冰。當噴淋水溫度（運行經驗為3℃）較低、通風量較低、氣溫較低的情況下，換熱盤管周圍和集水盤上方會想成冰簾，此時可以適當地提高冷卻水溫度，增加塔內溫度起到融冰的作用。也可以調整集水盤電加熱啟停溫度，增加集水盤噴淋水溫度達到融冰的效果。必要時可以由專業電工補充集水盤電加熱棒的數量以提高噴淋水溫度。

（3）集水盤結冰。當集水盤電加熱棒容量較低或故障，氣溫持續低溫的情況下，集水盤會出現結冰現象，這時候就會影響噴淋水量，進而影響冷卻塔散熱，嚴重時還會造成噴淋水泵抽空，損壞過濾器及噴淋泵。可由專業電工補充電加熱棒數量，也可以使用20℃的自來水接入集水盤中進行融冰。

（4）盤管內冷卻水結冰。在BA報警失效、冷卻塔散熱較大、運維人員疏忽的情況下，會出現盤管內冷卻水凍結現象。此時需啟用設備故障預案，并使用較多的電加熱棒加熱集水盤內噴淋水，使用熱水噴淋盤管解凍。解凍后觀察盤管是否開裂，漏水量是否大于系統補水量，以確定后續運行方案。

2.4 運行過程中設備故障

（1）冷塔自身故障。運行過程中，冷卻塔風扇、噴淋泵等故障。此時應通過改變室內精密空調數量，分配故障制冷單元與正常制冷單元的負荷，保證故障制冷單元冷卻水不凍結，并督促廠家迅速維修。如為盤管內冷卻水凍結甚至凍裂，需按2.2節的（2）和2.3節中的（4）投用備用冷塔模塊。

（2）冷卻水泵故障。如管路設計中可以進行備用泵替換需使用備用泵。如無備用泵需舍棄整個制冷單元，由其他運行的制冷單元承擔全部負荷。確認廠家維修時間，密切關注盤管內冷卻水水溫，如在冷卻水水溫低于5℃時，需執行泄水作業。同時按2.2節的（2）和2.3節中的（4）投用備用制冷單元。

（3）管路系統故障。需迅速隔離，按本節（2）啟用備用制冷單元。

3 ?未采用乙二醇溶液作為防凍劑的說明

在有些冬季把冷塔作為冷源的制冷系統中，運維人員為了防凍會在冷卻水系統中加入乙二醇作為防凍劑使用。但是在閉式冷塔+室內精密空調機（無板換）的運行系統中，未能采用，主要有以下因素進行考慮：（1）乙二醇溶液比熱容比水低，載冷量低，會造成冷卻塔、精密空調機等換熱設備的降效。（2）乙二醇溶液有一定的腐蝕性，室內精密空調機表冷器盤管壁較薄，會降低其使用壽命。（3）乙二醇溶液有一定滲透性，對于由絲扣連接的精密空調機進出水口增加了滲漏的隱患。（4）冷凍水和冷卻水系統連通后，系統水量大大增加，需要添加的乙二醇劑量也大大增加，成本過大。

4 ?結語

數據中心的設計逐步成熟，冷卻塔作為數據中心冬季冷源進行自然冷的形式被大家普遍接受。該文在此主要介紹和簡要分析了采用閉式冷卻塔+精密空調系統的制冷形式在數據中心投用初期熱負荷較低的情況下冬季運行管理，從設計、運行兩方面采取措施應對制冷系統自身防凍、氣溫驟降、負荷突減、突增、設備故障等風險，確保數據中心制冷安全。

參考文獻

[1] 王百坡，楊善樂.閉式冷卻塔冬季防凍問題探討[J].南方農機，2017（11）：95-96.

[2] 折建利，黃翔，劉凱磊，等.冷卻塔自然供冷系統在蘭州某數據中心應用的測試分析[J].暖通空調，2016，46（10）：18-22.

[3] 李婷婷，黃翔，折建利，等.數據中心采用冷卻塔供冷系統形式的初探與展望[J].潔凈與空調技術，2017（3）：1-4.