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【技术分析】数据中心冷却塔供冷应用分析

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作为国家新基建政策的重要一项,数据中心呈现出爆发式增长态势。本文针对数据中心能耗问题,分析了冷却塔供冷的关键因素,如热工曲线、湿球温度、工况切换点等,指出冷却塔供冷按冬季工况选取,夏季校核,结合夏季工况灵活配置,冬季供冷以小于冷却塔的额定流量来获取较低出水温度延长冷却塔供冷时间,冷却水泵应设变频,适应管网特性曲线变化等设计方法,为数据中心节能设计提供参考与依据。

 

 

引言

 

近年来,随着互联网、通信、金融、保险等行业的发展,数据中心呈现迅猛发展态势,作为国家新基建政策的一项,更是受到了前所未有的重视。数据中心,作为高显热的大型计算机房,需全年供冷,能耗巨大,所以冷却特供冷技术做为降低PUE(数据中心总耗电量与IT机柜耗电量的比值)的一项关键节能措施,受到业内的广泛关注。虽然冷却塔供冷在国内已有十多年的研究探索及工程实践,但在厂商提供的技术样册上,冷却塔在冬季气象条件下的技术参数、热工曲线和供冷时限等详细信息仍然缺乏,给设计工作及系统运行都造成了不便。

 

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

 

02

负荷侧系统设计

 
2.1 冷负荷

 

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

 

数据中心考虑采用温湿度独立控制方案,由高温冷水处理显热负荷,新风进行独立的加湿或除湿。冷水供水温度取值,直接受机柜进风温度取值的影响。ASHARE推荐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,逼近度(即送风温度与冷水供水温度之差)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升高,冷水机组能效提高,在冷却塔供冷时,冷却塔出水温度相应升高,延长冷却塔供冷时限。

 

03

冷源侧系统设计

 
3.1 冷却塔选型

 

冷却塔的冷却能力是冷却塔供冷的核心,按夏季标准工况进出水温度32℃/37℃和湿球温度28℃制造的冷却塔在冬季使用时,假设冷却塔进出水温差与流量不变,冬季水分子的运动动能及扩散能力降低,水的蒸发量减少,冷却塔的冷却能力急剧下降,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,必须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,要求其提供的冷却量要基本不变,因此,数据中心采用冷却塔供冷时,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,以满足数据中心可靠性的要求。一般情况下,北方地区按冬季工况选型的冷却塔都能满足夏季工况,塔型结合夏季工况灵活配置。
 

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

 

根据图2,当室外湿球温度达到1℃时,如果流量不变且仍要求5℃温降,则冷源侧供水温度达10.5℃,逼近度为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,则可通过减少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Δtc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Δtc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

 

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。

 

04

总结语

 

针对数据中心节能,分析了冷却塔供冷的关键因素,如热工曲线、湿球温度、工况切换点等,建议冷却塔厂家应提供冬季供冷工况下热工曲线等信息,冷却塔供冷按冬季工况选取,夏季校核,结合夏季工况灵活配置,指出冬季供冷以小于冷却塔的额定流量来获取较低出水温度延长冷却塔供冷时间,冷却水泵应设变频,适应管网特性曲线变化等设计方法,为数据中心节能设计提供参考与依据。

 

 

2020年8月13日 12:05