冷卻塔供冷技術(shù)在數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用

武 義 王秀芳

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

0 引言

近幾年，隨著云計(jì)算等技術(shù)的迅速發(fā)展，對(duì)數(shù)據(jù)中心建設(shè)的勢(shì)頭不減。數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)備中的高耗能的系統(tǒng)是制冷系統(tǒng)，數(shù)據(jù)中心要求全年供冷，能耗巨大，冷卻塔供冷技術(shù)作為一種綠色節(jié)能技術(shù)，充分利用免費(fèi)的室外自然冷源在春、秋和冬季可以顯著降低數(shù)據(jù)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(wěn)定的散熱量，需要全年制冷。當(dāng)室外濕球溫度低于某一定值時(shí)，制冷機(jī)組停機(jī)，空調(diào)系統(tǒng)中的冷卻塔直接或間接向空調(diào)系統(tǒng)提供冷凍水，用作消除室內(nèi)余熱。這種采用冷卻塔直接或間接供冷的方式叫做“免費(fèi)供冷”。

1.2 供冷形式

供冷按冷卻水是否直接進(jìn)入空調(diào)設(shè)備可分成兩大類(lèi)：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(diào)水系統(tǒng)中增加旁通管路，將經(jīng)過(guò)冷卻塔降溫的冷卻水直接進(jìn)入冷水系統(tǒng)進(jìn)行循環(huán)。夏季由制冷機(jī)組提供冷凍水，冬季由冷卻塔組提供冷凍水，冬季關(guān)閉制冷機(jī)組，通過(guò)打開(kāi)旁路閥門(mén)，使經(jīng)過(guò)冷卻塔降溫的冷卻水直接進(jìn)入空調(diào)末端。冷卻塔可采用閉式冷卻塔或開(kāi)式冷卻塔。設(shè)置開(kāi)式冷卻塔時(shí)，冷卻水與外界空氣直接接觸，冷卻水會(huì)攜帶從冷卻塔上洗滌下來(lái)的空氣中的灰塵，變成泥漿后進(jìn)入室內(nèi)空調(diào)水系統(tǒng)，造成盤(pán)管被污垢，使其換熱效率大幅降低，甚至阻塞盤(pán)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(wèn)題，但由于閉式冷卻塔造價(jià)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(tǒng)上增加板式換熱器，使冷卻水作為一次水，通過(guò)板式換熱器對(duì)冷凍水進(jìn)行間接降溫，冷卻水系統(tǒng)和冷凍水系統(tǒng)是獨(dú)立的,沒(méi)有連接，采用換熱器來(lái)實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)移。由于冷凍水和冷卻水是相互獨(dú)立的，可以避免冷水系統(tǒng)被腐蝕、污染和堵塞。

2 冷卻塔免費(fèi)供冷的設(shè)計(jì)和計(jì)算

2.1 冷負(fù)荷

本文以圖1所示的某地鐵控制中心為例，空調(diào)系統(tǒng)夏季總冷負(fù)荷為 11 451 kW，其中數(shù)據(jù)中心冷負(fù)荷5 789 kW，設(shè)兩臺(tái)中溫離心式冷水機(jī)組；辦公區(qū)冷負(fù)荷為5 662 kW，設(shè)兩臺(tái)常規(guī)離心式冷水機(jī)組，四臺(tái)離心式冷水機(jī)組制冷量均為2 989 kW。四臺(tái)離心式冷水機(jī)組兩兩互為備用。在設(shè)備檢修或者特殊情況下應(yīng)保證數(shù)據(jù)中心供冷需求，可以臨時(shí)不保證辦公區(qū)正常供冷。數(shù)據(jù)中心每臺(tái)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(shí)冷水供水溫度為13 ℃，回水溫度為18 ℃，溫差5 ℃。辦公區(qū)每臺(tái)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(shí)冷水供水溫度為7 ℃，回水溫度為12 ℃，溫差5 ℃。設(shè)四臺(tái)冷卻塔。

數(shù)據(jù)中心冷負(fù)荷以設(shè)備散熱量形成的顯熱負(fù)荷熱為主導(dǎo)，熱源集中且連續(xù)，不允許中斷。冬季冷負(fù)荷與夏季冷負(fù)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(kāi)啟臺(tái)數(shù)

在冷卻塔供冷項(xiàng)目設(shè)計(jì)時(shí)，冷卻塔和末端空調(diào)器均已按夏季工況確定。因此，冬季供冷時(shí)，需要兩者匹配，設(shè)計(jì)時(shí)需要計(jì)算板式換熱器的換熱量、確定冷卻水泵、冷水泵和冷卻塔開(kāi)啟臺(tái)數(shù)。

1)冬季供冷時(shí)供水溫度的確定,按夏季溫度設(shè)計(jì),冷凍水供回水溫度越高,冷卻塔出水溫度相應(yīng)越高,可延長(zhǎng)冷卻塔供冷時(shí)間。

本工程冬季冷負(fù)荷為5 789 kW,取冬季空調(diào)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(yùn)行2臺(tái)冷水泵即可滿足供冷要求。

3)冬季冷卻塔供冷時(shí)每臺(tái)板式換熱器負(fù)擔(dān)的負(fù)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(shí)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(jià)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(shí)冷卻水泵運(yùn)行的臺(tái)數(shù)決定,一次側(cè)流量L2越大,Δty越小。當(dāng)冷卻塔型號(hào)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(kāi)啟的循環(huán)泵越多越耗能;Δty也不宜過(guò)大,過(guò)大的Δty使?jié)M足要求的室外濕球溫度tw降低,減少了冷卻塔供冷時(shí)間。一般以2 ℃為界。

由上式可知運(yùn)行2臺(tái)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(dāng)Δty>(tL2-tL1)時(shí),ty1=tL2-Δtx-Δty。

b.當(dāng)Δty≤(tL2-tL1)時(shí),ty1=tL1-Δtx。

c.tc1不應(yīng)小于5 ℃,當(dāng)tc1計(jì)算結(jié)果小于5 ℃,應(yīng)調(diào)整Δtx或Δty。

其中，tL1為空調(diào)冷凍水最高供水溫度,℃;tL2為空調(diào)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(yùn)行的臺(tái)數(shù)。

根據(jù)冷卻塔供應(yīng)一次冷源水供水溫度11.5 ℃和冬季冷卻水溫差3.58 ℃,查文獻(xiàn)[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(shí)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(yùn)行4臺(tái)冷卻塔。

3 冷卻塔供冷注意事項(xiàng)

1)冷卻塔供冷在板式換熱器選型時(shí),應(yīng)使其阻力接近冷水機(jī)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(guò)載而燒毀電機(jī)。

2)在北方,冷卻塔在冬季使用時(shí),室外冷卻水管應(yīng)進(jìn)行保溫處理,在冷卻塔集水盤(pán)上設(shè)置電加熱器,在室外冷卻水供回水管上設(shè)置電伴熱,供電負(fù)荷按消防負(fù)荷考慮。樓宇控制系統(tǒng)應(yīng)控制電加熱器及電伴熱的啟停,當(dāng)冷卻塔集水盤(pán)內(nèi)水溫低于5 ℃時(shí)開(kāi)啟電加熱器,高于設(shè)計(jì)值ty1時(shí),關(guān)閉電加熱器。同時(shí)要確保在集水盤(pán)內(nèi)無(wú)水時(shí),電加熱器不能啟動(dòng)。冷卻塔供回水管上應(yīng)設(shè)旁通管及溫控電動(dòng)閥,以控制水溫在5 ℃以上。

3)冷卻塔發(fā)生結(jié)冰的部位一般為溫度最低的進(jìn)風(fēng)口處和填料處,橫流塔內(nèi)大面積的填料暴露在進(jìn)風(fēng)口,在半干半濕狀態(tài)下比較容易凍結(jié)。引風(fēng)式逆流塔軸流風(fēng)機(jī)設(shè)在上部,除進(jìn)風(fēng)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(jié)冰,故冷卻塔供冷時(shí)應(yīng)選擇逆流塔。

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)數(shù)據(jù)中心能耗問(wèn)題,分析了冷卻塔供冷的設(shè)計(jì)過(guò)程,為冷卻塔供冷時(shí)冷卻水泵和冷卻塔的開(kāi)啟臺(tái)數(shù)及室外最高濕球溫度設(shè)計(jì)值的確定提供了設(shè)計(jì)依據(jù),為數(shù)據(jù)中心節(jié)能設(shè)計(jì)提供依據(jù)和參考,為冬季冷卻水供回水在5 ℃以上提出了有效措施。