重慶某數據中心冷卻塔冬季供冷能力分析

李佐洋 白雪蓮 任 飛 陳飛龍

（1.重慶大學土木工程學院 重慶 400045；2.重慶云投信息技術有限公司 重慶 400714）

0 引言

數據中心是高能耗設施，有研究推算，數據中心的全球用電量將從2010年的238 太瓦時/年增加到2030年的2967 太瓦時/年，占全球電力供應的19%[1]。數據中心能耗主要由IT 設備能耗、空調系統能耗及其他輔助系統能耗構成，一般的，IT 設備能耗和空調系統能耗分別占數據中心總能耗的45%和40%[2]，如何降低空調能耗是數據中心高效節能運行的關鍵。

由于數據中心具有全年供冷的特點，所以在冬季或過渡季節利用自然冷卻能夠實現良好的節能效果[3]。自然冷卻技術在數據中心的適用性與數據中心所在地的實際氣候特點息息相關，對于室外空氣濕球溫度較低的地區，冷卻塔完全可以滿足數據中心的冷卻要求[4]。Dong 等人采用開式冷卻塔對某數據中心進行自然冷卻，節能率達到19.2%[5]。不過值得注意的是，數據中心冷卻塔自然冷卻技術能否最大程度地利用與系統形式、參數設定等眾多因素有關[6]，在實際應用時需要充分考慮室外氣象條件和冷卻塔換熱能力的變化。本文針對重慶某數據中心，通過現場實測來研究冷卻塔在冬季的實際供冷能力，發現該技術應用中現存的一些問題，為冷卻塔供冷的設計和運行提供參考。

1 現場實測

1.1 工程概況

該數據中心位于重慶市，建筑包括機房樓和動力樓，總建筑面積20990.34m2，空調設計冷負荷12289kW。機房樓共設置10 個IT 機房模塊，共有機柜2098 個。空調末端采用房間級空調的送風方式，機柜按冷熱通道形式布置，冷凍水設計供、回水溫度為12/18℃。采用集中式水冷冷凍水空調系統，冷凍站有3 臺螺桿式冷水機組，4 臺離心式冷水機組，每臺冷水機組連接一臺板式換熱器，板換溫差為2℃，冷卻塔參數如表1 所示。

表1 冷卻塔相關參數Table 1 Relevant parameters of cooling tower

1.2 冷卻塔供冷系統形式

根據冷卻塔冷卻水循環管路與空調末端冷水循環管路是否連通分為冷卻塔直接供冷系統和冷卻塔間接供冷系統[7]。該數據中心采用的為開式冷卻塔加板式換熱器間接供冷的系統形式，運行原理如圖1 所示。針對變化的室外環境條件，相應的可以分為3 種運行工況，不同工況的閥門開閉情況如表2 所示。

圖1 冷卻塔自然冷卻原理圖Fig.1 Free cooling principle of cooling towers

表2 不同工況閥門開閉情況Table 2 Valve opening and closing under different working conditions

1.3 測試方法

本次現場實測時間為2018年12月至2019年1月，測試工況包括機械制冷工況和與自然冷卻工況，測試內容主要分為能耗測試以及空調系統參數測試。該數據中心自帶電力監控系統和BA（Building Automation）系統。電力監控系統可對數據中心各項能耗數據進行逐時監控。BA 系統可對空調系統各項參數以及室外空氣溫濕度進行監控。冷水機組冷卻水流量通過現場安裝超聲波流量計測得，相關測試儀器具體參數如表3 所示。

表3 測試儀器性能參數Table 3 Performance parameters of testing instruments

2 測試結果

2.1 冷卻塔供冷技術節能量分析

數據中心能耗主要包括IT 設備能耗、空調系統能耗及其他輔助系統能耗，其他輔助系統主要包括電力系統和照明，Pt可以用式（1）表示：

式中，Pt為數據中心總能耗，kWh；PIT為IT設備總能耗，kWh；PHVAC為空調系統總耗電量，kWh；PF為輔助系統總耗電量，kWh。

表4 統計了該數據中心在不同工況下的日能耗數據，其中機械制冷工況下的總能耗為99237kWh ， 而完全自然冷卻的總能耗為91247kWh，每天節能量為7990kWh。數據中心所需的制冷量絕大部分來自于IT 設備發熱量，可近似將IT 設備耗電量大小視為空調系統冷負荷，根據表4 中IT 設備能耗可計算得出自然冷卻前后的日累計冷負荷之差為0.013%，另外測試期間室外工況接近一致，可進一步計算節能率為8.05%。可見，應用冷卻塔供冷能夠有效地降低空調系統能耗。根據表5 的各設備功率數據可計算出，冷水機組在空調系統能耗為56%，占比最大，完全自然冷卻工況下冷水機組停用，達到很好的節能效果。

表4 相似日不同工況下數據中心能耗Table 4 Data center energy consumption under similar days and different working conditions

表5 機械制冷工況下空調系統各設備功率Table 5 Power of each equipment in air conditioning system under mechanical refrigeration condition

2.2 空調系統參數測試結果分析

圖2 表示了離心式系統應用部分自然冷卻工況時板式換熱器兩側的進出水溫度隨時間的變化趨勢。可見，冷卻塔出水溫度隨時間在不斷升高，甚至超過了冷凍水回水溫度，此時冷卻水不能對冷凍水回水進行預冷，部分自然冷卻無法應用。測試期間冷卻塔在各工況下提供的冷量以及相關空調參數如表6 所示。可見，完全自然冷卻工況下單套系統冷卻塔實際提供的冷量遠遠小于其額定制冷量，螺桿式系統冷卻塔提供的冷量僅占額定制冷量的49.6%，離心式系統為42.6%，并且與機械制冷工況相比，單套系統冷卻塔所能提供的冷量也變小，需要增開系統數量才能保證末端需求。可見，冷卻塔在冬季存在供冷能力不足問題。

圖2 部分自然冷卻工況下板式換熱器兩側流體溫度Fig.2 Fluid temperature on both sides of plate heat exchanger under partial free cooling conditions

表6 各工況下的冷卻塔實際提供冷量及相關空調參數Table 6 Actual cooling capacity provided by cooling tower s and related air conditioning parameters under different condition

續表6 各工況下的冷卻塔實際提供冷量及相關空調參數

3 討論

3.1 冷卻塔冬夏供冷能力分析

該數據中心冷卻塔均按夏季工況所選型，而冷卻塔供冷往往是在冬季使用，這導致了冬季冷卻塔的供冷能力不足。如圖3 所示，A1（溫度6℃，濕球溫度2.9℃），W1（溫度11℃）代表冬季完全自然冷卻設計工況點；A2（溫度27℃，濕球溫度21.1℃），W2（溫度32℃）代表夏季機械制冷工況設計工況點，A1、W1 之間的溫差與A2、W2 之間溫差相同，冷卻塔在兩種工況下的對流傳熱量相等，但W2、A2 的水蒸氣分壓力之差明顯大于W1、A1 的水蒸氣分壓力之差（即ΔP2>ΔP1），導致冬季冷卻塔的蒸發傳熱量低于夏季，最終導致冷卻塔散熱量變小。當冬季應用機械制冷工況時，可通過提高冷卻塔出水溫度的方式增大冷卻塔散熱量（見圖3 中W1’點）。

圖3 冷卻塔冬夏季蒸發散熱水蒸氣分壓力差對比Fig.3 The differential pressure of water vapor under cooling tower evaporative cooling

3.2 改進技術措施

冷卻塔的散熱過程實質上就是空氣和水的熱濕傳遞過程，文獻[10]利用前蘇聯學者提出的四變量模型，通過MATLAB 編程計算求解得到冷卻塔熱濕傳遞模型，并利用相對冷卻量β（見式（2））評價冷卻塔實際冷卻能力接近額定工況的程度。

式中，β為冷卻塔的相對冷卻量，%；Q1為冷卻塔額定工況條件下的制冷量，kW；Q為冷卻塔實際工況條件下的制冷量，kW。

圖4 為筆者利用冷卻塔熱濕傳遞模型，得到冷卻塔進口水溫為18℃，室外空氣濕球溫度分別為7、9、11℃時，冷卻塔的相對冷卻量β隨水氣比μ的變化曲線，其中水氣比μ的定義式見式（3）。

圖4 冷卻塔相對冷卻量與水氣比的關系Fig.4 Relationship of cooling tower relative cooling capacity and its water air ratio

式中，μ為進入冷卻塔的循環水和干空氣的質量比；W為冷卻塔循環水的質量流量，kg/s；G為進入冷卻塔干空氣的質量流量，kg/s。

測試期間室外空氣濕球溫度與7℃最為接近，選擇圖4 中Twb=7℃曲線，可得到離心式系統和螺桿式系統冷卻塔在應用完全自然冷卻工況時的最大制冷量分別為2018kW 和975kW，計算結果見表7。

表7 冷卻塔冬季供冷能力與額定制冷量對比Table 7 Comparison between cooling capacity and rated cooling capacity of cooling tower in winter

根據計算結果，冬季冷卻塔應用完全自然冷卻工況時的最大制冷量僅為額定制冷量的50%左右，冷卻塔在冬季存在著供冷能力不足的問題，解決該問題有兩條思路：其一是在運行時可以通過加開系統設備數量，但這樣會帶來額外的輸配系統能耗，削弱節能效果。其二是在設計時避免該問題，確定系統供冷量后，對冷卻塔按照冬季自然冷卻工況選型，同時對夏季極端濕球溫度進行校核，但這樣會帶來整個系統初投資的增加；另外IT 設備一般是逐步上架，大部分數據中心在長時間內都有空閑設備，故在管網設計時可以考慮“一機多塔”的形式，即一臺冷水機組連接多組冷卻塔，這樣可以充分利用冗余的設備來進行自然冷卻。

4 結論

筆者針對重慶某數據中心，通過現場實測來研究冷卻塔在冬季的實際供冷能力，量化了冷卻塔供冷技術在該數據中心的節能效果，分析了該技術在應用中存在的問題并提出了相應的改進措施，結論如下：

（1）通過對重慶某數據中心的實測發現，對比機械制冷工況，完全自然冷卻工況下一天的總節能量為7990kWh，節能率為8.05%。

（2）冷卻塔在冬季存在供冷能力不足問題，應用完全自然冷卻時其最大制冷量僅為額定制冷量的50%左右，需要額外增開系統數量來保證末端需求。

（3）針對冬季冷卻塔供冷能力不足的問題提出：在運行方面加開系統設備數量來滿足末端要求，在設計方面對冷卻塔按照冬季自然冷卻工況選型并對夏季極端濕球溫度進行校核。