冷卻塔供冷技術在數據中心的應用

武 義 王秀芳

(1.太原市建筑設計研究院，山西 太原 030002； 2.山西科能電力設計有限公司，山西 太原 030009)

0 引言

近幾年，隨著云計算等技術的迅速發展，對數據中心建設的勢頭不減。數據中心基礎設備中的高耗能的系統是制冷系統，數據中心要求全年供冷，能耗巨大，冷卻塔供冷技術作為一種綠色節能技術，充分利用免費的室外自然冷源在春、秋和冬季可以顯著降低數據中心的能源消耗。

1 冷卻塔供冷

1.1 供冷原理

建筑在全年均有穩定的散熱量，需要全年制冷。當室外濕球溫度低于某一定值時，制冷機組停機，空調系統中的冷卻塔直接或間接向空調系統提供冷凍水，用作消除室內余熱。這種采用冷卻塔直接或間接供冷的方式叫做“免費供冷”。

1.2 供冷形式

供冷按冷卻水是否直接進入空調設備可分成兩大類：冷卻塔直供和冷卻塔加板式換熱器的間接供冷。

1.2.1 冷卻塔直供

冷卻塔直供是指在原空調水系統中增加旁通管路，將經過冷卻塔降溫的冷卻水直接進入冷水系統進行循環。夏季由制冷機組提供冷凍水，冬季由冷卻塔組提供冷凍水，冬季關閉制冷機組，通過打開旁路閥門，使經過冷卻塔降溫的冷卻水直接進入空調末端。冷卻塔可采用閉式冷卻塔或開式冷卻塔。設置開式冷卻塔時，冷卻水與外界空氣直接接觸，冷卻水會攜帶從冷卻塔上洗滌下來的空氣中的灰塵，變成泥漿后進入室內空調水系統，造成盤管被污垢，使其換熱效率大幅降低，甚至阻塞盤管，故很少采用。閉式冷卻塔冷卻水不與空氣直接接觸，解決了堵塞污染問題，但由于閉式冷卻塔造價較高且間接換熱效率不高，故也很少采用。

1.2.2 間接供冷

間接冷卻是在原冷水系統上增加板式換熱器，使冷卻水作為一次水，通過板式換熱器對冷凍水進行間接降溫，冷卻水系統和冷凍水系統是獨立的,沒有連接，采用換熱器來實現能量轉移。由于冷凍水和冷卻水是相互獨立的，可以避免冷水系統被腐蝕、污染和堵塞。

2 冷卻塔免費供冷的設計和計算

2.1 冷負荷

本文以圖1所示的某地鐵控制中心為例，空調系統夏季總冷負荷為 11 451 kW，其中數據中心冷負荷5 789 kW，設兩臺中溫離心式冷水機組；辦公區冷負荷為5 662 kW，設兩臺常規離心式冷水機組，四臺離心式冷水機組制冷量均為2 989 kW。四臺離心式冷水機組兩兩互為備用。在設備檢修或者特殊情況下應保證數據中心供冷需求，可以臨時不保證辦公區正常供冷。數據中心每臺冷卻水泵流量為720 m3/h，冷凍水泵流量為600 m3/h，冷水泵、冷卻水泵均為兩用一備。夏季供冷時冷水供水溫度為13 ℃，回水溫度為18 ℃，溫差5 ℃。辦公區每臺冷卻水泵流量720 m3/h，冷凍水泵流量為600 m3/h，冷水泵、冷卻水泵均為兩用一備。夏季供冷時冷水供水溫度為7 ℃，回水溫度為12 ℃，溫差5 ℃。設四臺冷卻塔。

數據中心冷負荷以設備散熱量形成的顯熱負荷熱為主導，熱源集中且連續，不允許中斷。冬季冷負荷與夏季冷負荷相似為5 789 kW，需全年供冷。

2.2 確定板式換熱器換熱量、冷水泵、冷卻水泵和冷卻塔開啟臺數

在冷卻塔供冷項目設計時，冷卻塔和末端空調器均已按夏季工況確定。因此，冬季供冷時，需要兩者匹配，設計時需要計算板式換熱器的換熱量、確定冷卻水泵、冷水泵和冷卻塔開啟臺數。

1)冬季供冷時供水溫度的確定,按夏季溫度設計,冷凍水供回水溫度越高,冷卻塔出水溫度相應越高,可延長冷卻塔供冷時間。

本工程冬季冷負荷為5 789 kW,取冬季空調冷凍水供水溫度tL1=13 ℃,回水溫度tL2=18 ℃。

由上可知,冬季需要變頻運行2臺冷水泵即可滿足供冷要求。

3)冬季冷卻塔供冷時每臺板式換熱器負擔的負荷為5 789×70%=4 053 kW。

4)確定冬季板式換熱器溫差較小端一、二次水溫差Δtx。

板式換熱器溫差較小端一、二次水溫差宜取Δtx=1 ℃～2 ℃。該溫差取值太大,則可利用的供冷時間太少。該溫差取值太小,則板式換熱器的換熱面積太大,換熱器造價較高。一般取Δtx=1.5 ℃。

5)確定冬季冷卻水(冷源)溫差Δty。

其中，L2的大小由供冷時冷卻水泵運行的臺數決定,一次側流量L2越大,Δty越小。當冷卻塔型號已定,Δty越小,所需冷卻塔降溫幅度越小,可以在室外濕球溫度較高的情況下提供冷卻,但開啟的循環泵越多越耗能;Δty也不宜過大,過大的Δty使滿足要求的室外濕球溫度tw降低,減少了冷卻塔供冷時間。一般以2 ℃為界。

由上式可知運行2臺冷卻水泵,Δtc=3.58 ℃,滿足要求。

6)冷卻塔供冷的冷卻塔出水溫度(一次冷源水供水溫度)如下確定。

a.當Δty>(tL2-tL1)時,ty1=tL2-Δtx-Δty。

b.當Δty≤(tL2-tL1)時,ty1=tL1-Δtx。

c.tc1不應小于5 ℃,當tc1計算結果小于5 ℃,應調整Δtx或Δty。

其中，tL1為空調冷凍水最高供水溫度,℃;tL2為空調冷凍水最高回水溫度,℃;ty1為冷卻塔出水溫度。即冷源水最高供水溫度,℃;Δty為冬季冷卻水(冷源水)供回水溫差,℃。

由于：

Δty=3.58 ℃<5 ℃。

冷卻塔提供的一次冷源水供水溫度為:

ty1=tL1-Δtx=13-1.5=11.5 ℃。

7)冷卻塔提供的一次冷源水回水溫度為:ty1+Δty=11.5+3.58=15.08 ℃。

8)確定冬季冷卻塔運行的臺數。

根據冷卻塔供應一次冷源水供水溫度11.5 ℃和冬季冷卻水溫差3.58 ℃,查文獻[5]中冷卻塔特性曲線,如圖2，圖3所示,冷卻塔特性曲線流量比50%的室外濕球溫度有最高值。

此時的室外濕球溫度為tw=8.34 ℃,冷卻塔流量比為50%。因此冷卻塔的夏季名義流量為:1 440/50%=2 880 m3/h,冬季供冷需要運行4臺冷卻塔。

3 冷卻塔供冷注意事項

1)冷卻塔供冷在板式換熱器選型時,應使其阻力接近冷水機組冷凝器的阻力,避免因冬季冷卻水管路阻力太小,冷卻水泵容易過載而燒毀電機。

2)在北方,冷卻塔在冬季使用時,室外冷卻水管應進行保溫處理,在冷卻塔集水盤上設置電加熱器,在室外冷卻水供回水管上設置電伴熱,供電負荷按消防負荷考慮。樓宇控制系統應控制電加熱器及電伴熱的啟停,當冷卻塔集水盤內水溫低于5 ℃時開啟電加熱器,高于設計值ty1時,關閉電加熱器。同時要確保在集水盤內無水時,電加熱器不能啟動。冷卻塔供回水管上應設旁通管及溫控電動閥,以控制水溫在5 ℃以上。

3)冷卻塔發生結冰的部位一般為溫度最低的進風口處和填料處,橫流塔內大面積的填料暴露在進風口,在半干半濕狀態下比較容易凍結。引風式逆流塔軸流風機設在上部,除進風口處小面積不能被水流包圍外,填料基本上是被水流以一定速度包圍,所以逆流塔不宜結冰,故冷卻塔供冷時應選擇逆流塔。

4 結語

本文通過數據中心能耗問題,分析了冷卻塔供冷的設計過程,為冷卻塔供冷時冷卻水泵和冷卻塔的開啟臺數及室外最高濕球溫度設計值的確定提供了設計依據,為數據中心節能設計提供依據和參考,為冬季冷卻水供回水在5 ℃以上提出了有效措施。