数据中心机房冷却塔供冷选型与工况分析

Word文档数据中心机房冷却塔供冷选型与工况分析01冷却塔供冷

冷却塔供冷分直接供冷与间接供冷两种，由于直接供冷需室外冷却水直接进入空调末端，水质不佳时极易引起末端堵塞，而影响系统运行，工程中大多数采纳间接供冷系统（开式冷却塔+板式换热器），即与冷水机组并联或串联一台板式换热器。冷水机组与板式换热器并联，湿球温度达到肯定值时，由板式换热器供应全部冷量，关闭冷水机组，使冷却水和冷冻水分别进入板式换热器，冷却塔做为冷源，达到完全自然冷却，但并联形式不能采纳部分自然冷却；冷水机组与板式换热器串联，冷水串联经过板式换热器与冷水机组，过渡季节用冷却塔出水先预冷冷水回水，再进入冷水机组制冷，减小主机能耗，得到可观的部分自然冷却时间，仅额外增加水在板式换热器内的输送能耗。为充分利用部分自然冷却，北方地区数据中心往往选择冷水机组与板式换热器串联这种组合形式，见图1，本文争论也是基于这个系统。

02负荷侧系统设计

2.1冷负荷

数据中心主要由服务器、UPS等散热转化而成的显热负荷，几乎没有潜热负荷，冬夏季冷负荷相差不大，冷却水流量大致在80%~100%内变化；末端干工况运行，冷负荷按显热负荷考虑。

2.2冷水供水温度

数据中心考虑采纳温湿度单独掌握方案，由高温冷水处理显热负荷，新风进行单独的加湿或除湿。冷水供水温度取值，直接受机柜进风温度取值的影响。

ASHARE推举的机柜进风温度宜取20~25℃，允许范围是18~27℃。考虑到空气-水换热器空气侧阻力降的影响，送风温度与冷水供水温差取8℃，可有多种供水温度与送风温度组合，常用的有送风温度20℃，冷水供回水温度为12/18℃；送风温度23℃，冷水供回水温度为15/21℃。

当然送风温度还可进一步提高，负荷侧供水温度也随之上升，冷水机组能效提高，在冷却塔供冷时，冷却塔出水温度相应上升。

03冷源侧系统设计

3.1冷却塔选型

冷却塔的冷却力量是冷却塔供冷的核心，冬季冷却塔的冷却力量急剧下降，即在相同的冷却水供回水温差与流量条件下，冷却塔在冬季比夏季更难于散热。若要获得与夏季相同的换热量和水温降，必需加大冷却塔出水温度与室外湿球温度的差值，靠显热交换获得冷却量。

由于数据中心基本是常年稳定的冷负荷，按夏季工况选择的冷却塔在冬季用作自然冷却时，要求其供应的冷却量要基本不变，因此，数据中心采纳冷却塔供冷时，为了更好节能，应尽量延长自然冷却时间，通常按冬季完全自然冷却工况选型，并对夏季极端湿球温度进行校核，以满意数据中心牢靠性的要求。

一般状况下，北方地区按冬季工况选型的冷却塔都能满意夏季工况，塔型结合夏季工况敏捷配置。

通过冷却塔冷却特性的模拟计算，获得了冷源水供水温度（即冷却塔出水温度）、供回水温差以及不同流量比（实际流量与额定流量之比）下的室外湿球温度值，如图2、3所示。

冷却塔靠近度（即送风温度与冷水供水温度差）越小，冷却效果越好，但过分追求小的靠近度，塔体成分和形状尺寸将会加大，权衡考虑，数据中心工程中冷却塔夏季选型一般取3℃，按此选择冷却塔，在大多数时间运行中容量富余。明显，靠近度不是一个定值，而是由设计人员依据详细项目确定。

图3流量比85%时冷却塔供冷热工曲线

依据图2，当室外湿球温度达到1℃时，假如流量不变且仍要求5℃温降，则冷源侧供水温度达10.5℃，靠近度为9.5℃，板式换热器换热温差取1.5℃，负荷侧冷水供水温度将达到12℃。

由图3，其他条件不变，冷却水量变为85%，在室外湿球温度1℃时，冷却塔出水温度可达到9.5℃。若想获得较低的冷源侧供水温度，则可通过削减冷却水量或减小冷却水进出水温差来实现。

由于在水系统中，水泵能耗约占主机能耗15%~20%左右，远小于主机能耗，应尽量将自然冷却做为主要节能环节，适当考虑水泵输送功率和高效率运行等问题，在保证使用要求的前提下，尽量提高冷水供水温度和冷源侧供水温度，延长自然冷却时间。

冷却水供回水温差tc越小，可以在更高室外湿球温度下使用，获得更多的自然冷却时间；冷却水供回水温差tc也不宜过小，考虑到数据中心冬夏负荷变化不大，冷却塔水量可减小到其额定水量的80%，数据中心项目冷却水供回水温差一般不宜小于4℃。

3.2工况转换点

工况转换点的选择，直接关系到整个供冷系统的供冷时数。依据某品牌逆流冷却塔数据拟合，得出湿球温度与靠近度的数学关系式，及冷却塔出水温度与室外湿球温度的关系式tc1=0.81tw+9.33。冷水供水温度按12℃考虑，考虑冷却塔靠近度及换热器等影响，参考冷却塔供冷特性曲线，由以上分析可知在室外湿球温度1℃时切换为完全自然冷却模式，这也基本与图2、图3吻合。在过渡季节，当冷却塔出水温度小于16℃时，可用于预冷冷水回水，减小冷水机组的负担，依据上述关系式，得到在室外湿球温度8℃时切换为部分自然冷却模式。明显，工况切换点与冷水供水温度有关，假如送风温度设定23℃，冷水供回水温度为15/21℃，冷源水供水温度为13℃，亦可满意机房温度要求，但需重新设定掌握器，按上述原则分析，得到此时工况切换点室外湿球温度为4.5℃，相比12℃冷水供冷，延长了冷却塔供冷时数。依据《中国建筑热环境分析专用气象数据集》，可得到在三种冷水供回水温度组合下，冷却塔供冷两种工况在典型城市的供冷时数表1、表2，用于数据中心节能分析。

3.3冷却水泵

在夏季，冷却水侧需要旁通板式换热器，这样冷却水管网特性曲线会发生较大变化，冷却水泵的工作特性假如不发生大的变化，工作点会向右下方偏移，流量加大使得电机功率增加，简单过载而烧毁电机。对此，冷却水泵应做变频处理，