【技术分析】数据中心冷却塔供冷应用分析

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，工程中大多数采用间接供冷系统（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，湿球温度达到一定值时，由板式换热器提供全部冷量，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，但并联形式不能采用部分自然冷却；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，本文讨论也是基于这个系统。

图1   冷却塔供冷系统原理图

对于民用建筑，冬季冷负荷总量远小于夏季冷负荷，且随着室外气温降低，冬季冷负荷也相应减少，在采用冷却塔供冷时，其实际流量可大幅减小，以实现较低的出水温度，保证冬季供冷需求。但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

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。冷却塔逼近度越小，冷却效果越好，但过分追求小的逼近度，塔体成分和外形尺寸将会加大，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。显然，逼近度不是一个定值，而是由设计人员根据具体项目确定。

图2  流量比100%时冷却塔供冷热工曲线

图3  流量比85%时冷却塔供冷热工曲线

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。根据某品牌逆流冷却塔数据拟合，得出湿球温度与逼近度的数学关系式，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，考虑冷却塔逼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，根据上述关系式，得到在室外湿球温度8℃时切换为部分自然冷却模式。显然，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℃，亦可满足机房温度要求，但需重新设定控制器，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。根据《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如果不发生大的变化，工作点会向右下方偏移，流量加大使得电机功率增加，容易过载而烧毁电机。对此，冷却水泵应做变频处理，适应管网特性曲线变化。

3.4 冷却塔防冻

在北方地区，冷却塔在冬季运行时，室外冷却水管应进行保温，其集水盘、室外冷却水管及补水管等需设置电伴热设施，且按消防负荷供电，同时冷却塔供回水管上需设置旁通管及温控电动阀，控制水温在5℃以上。