某数据中心机房冷却塔系统的设计原则

某数据中心机房冷却塔系统的设计原则

摘要：冷却塔的作用是将携带废热的冷却水在塔体内部与空气进行热交换，使废热传输给空气并散入大气中。如何根据项目特点合理设计冷却塔，是一个至关重要的问题。

关键词：冷却塔、冷却水、制冷、热量、温度、节能

作为高科技发展的要素，超级计算机早已成为世界各国经济和国防方面的竞争利器。计算机系统只有稳定可靠的运行，才能发挥其效益。而计算机的可靠运行，需要一个比较严格的物理环境，如供电、配电、温度、湿度、洁净度等，这样就需要有一个现代化的机房系统满足计算机对环境的要求。各种类型的互联网数据中心，企业数据中心，灾备中心等都属于电子信息系统机房（数据中心），在国民经济及人们的日常生活中，越来越发挥其重大作用。在数据中心项目中，温度要求恒定，常年需要使用制冷设备，冷却塔的设计就至关重要。冷却水系统设计和冷却塔设计有一定特点。

1.数据中心项目制冷特点及节能需求

1.1数据中心项目发热及制冷特点。

数据中心项目的发热主要来源于机房内的服务器、网络设备等IT设备在运行过程中散发的热量，以及变电所、配电室、UPS电池室等电气设备运行过程中散发的热量。这些设备发热的特点是设备集中，发热量大，连续运行，并且一年四季发热量基本保持恒定，使得数据中心项目对制冷量的需求一年四季也基本保持恒定，制冷系统需要常年稳定运行。

1.2机房冷通道、热通道的设置与节能。

由于整个制冷系统需要常年运行，如何节能显得尤为重要。在工艺设备布置上，当机柜内的设备为前进风/后出风方式冷却时，机柜采用面对面、背对背的布置方式。机柜面对面布置形成冷风通道，背对背布置形成热风通道，配合合理布置送回风口取得合理气流组织，提高空调设备的使用效率，能够降低空调设备的功耗。

冷通道内温度可以设置为18~27℃，相应热通道温度可以设置为29~38℃，此运行工况完全能够保证机柜正常运行，且提高了回风温度后，可以提高末端空调水-空气侧换热效率。冷、热通道的分隔，使得制冷系统可以采用中温冷冻水供冷，这样便提高冷冻机效率，整个制冷系统实现节能运行。中温冷冻水常采用供水温度12℃~13℃，回水温度17℃~18℃，根据具体项目不同技术参数要求。合理选择中温冷冻水供回水温度，与冷冻机相匹配，可以节能。一般是采用温差为6℃的大温差供回水，这样可以减小循环水量，缩小管道直径。

2.冷却水系统设计

2.1冷却塔自由冷却的使用与节能

由于数据中心项目的机房可以采用中温冷冻水，这就使得利用冷却塔冬季自由冷却以及过渡季节部分自由冷却有一定的可实施性及方便性。当采用闭式冷却塔时，冬季可以替换冷冻机，直接供机房中温冷冻水。当采用开式冷却塔时，冬季利用冷却塔的低温出水，采用板式换热器换热，制备中温冷冻水，冷冻机可以完全不开，系统节能。过渡季节采用预冷模式，冷冻机部分负荷运行，降低能耗。

2.2冷却水系统运行模式

数据中心项目常用制冷方案有多种，采用水冷冷冻水机组+自由冷却系统是比较节能的方案之一。本方案组成设备包含：水冷冷水机组（冷冻机）、冷却水泵、冷却塔、板式换热器、冷冻水泵、定压补水装置、加药装置、蓄冷水罐、末端空调机组等。此系统运行模式：

运行模式一：制冷模式。夏季及过渡季，当冷却塔出水温度大于设定温度时，为正常制冷模式。冷却塔出水供冷冻机用冷却水，冷冻机工作，系统电能消耗最大。

运行模式二：预冷模式。过渡季及冬季，当冷却塔出水温度降低到一定温度时（一般比冷冻水回水温度低1.5℃），就可以使用预冷模式。此模式下，冷却塔出水经过板式换热器与冷冻水回水先进行热交换后再进入冷冻机，供冷冻机用冷却水。冷冻机另外一侧，经过板式换热器降低一定温度的冷冻水回水，进入冷冻机，制备冷冻水。此模式下，板式换热器工作，冷冻机也工作，但冷冻机承担的负荷仅为30%~70%，可减少电能消耗。

运行模式三：自由冷却模式。冬季，当冷却塔出水温度低于空调系统需要的冷冻水供水温度1.5℃左右时，就可以进入自由冷却模式。冷却塔低温出水经过板式换热器与冷冻水回水进行热交换，直接制备冷冻水。此时，冷冻机完全停止工作，只有冷却塔和循环水泵等在工作，系统大幅度减少电能消耗。

2.3冷却塔选型设计参数

当采用水冷冷冻水机组+自由冷却系统时，冷却塔参数的正确选择，运行的稳定性，也成为整个冷却水系统稳定运行和节能的重要因素。一般其他类型项目是冬季需要的冷量小，夏季需要的冷量大，在冷却塔选型时，按照夏季运行工况选择，冬季是能够满足要求的。在水冷冷冻水机组+自由冷却系统中，冷却塔运行有夏季工况和冬季自由冷却两种工况，需要按照两种工况进行选择及校核。

2.4设计湿球温度和冷却塔出水温度之间的关系。

湿球温度代表在某一地点某一时间，水通过蒸发所能达到的最低温度。即水在冷却塔中可能被冷却到的最低温度，也就是冷却塔出水温度的最低极限值。冷

却塔出水温度实际上不能等于或低于湿球温度，一般情况下冷却塔出水温度需高于湿球温度3℃以上，即逼近度（指冷却水塔出水温度与外气湿球温度之差值）大于3℃。逼近度越小冷却塔出水温度越难达到。

2.5冷却塔冬季和夏季运行参数的校核

一般情况下，有自由冷却要求的冷却水系统，应按照冬季冷却塔运行参数选塔，再对夏季运行工况进行校核。在满足冷却塔出水温度、进水温度和夏季湿球温度情况下，该塔制冷能力有很大富裕量，有时富裕量能高达80~100%。因此有自由冷却需求的系统中冬季才是冷却塔选型的主要工况。

2.6冷却塔塔型选择

由于数据中心项目冷却塔是按照冬季工况选型，在塔型选择上，最好选用小塔型，多台组合使用，并且变频控制风机转速。比如按照冬季运行工况选择两台或是三台冷却塔并联使用对应一台冷冻机，在夏季可以变频控制风机运行或是在适当时候停止一台冷却塔风机，既能满足夏季运行工况，又能减少电能消耗。冬季当湿球温度比较低时，在保证冷却塔出水温度满足使用要求的情况下，风机也可以变频运行甚至在温度比较低时停止一台风机运行。

3.冷却水系统补水可靠性

3.1可靠补水的需求

数据中心的规模和重要性差异较大，有几万平方米的机房，也有几十平方米的机房。一万平方米的机房，冷却水循环系统水量每小时约为6000~8000吨。当采用开式冷却塔时，冷却塔补水量大约为每小时100吨。由于机房环境要求冷却水供应系统不能间断，冷却塔补水虽然可以短时间间断，但也需要考虑冷却塔补水可靠性问题。数据中心项目，市政最好能有双路供水或有条件的设置自备井作为备用供水源。

3.2补水池的设置

一般数据中心项目的都会考虑设置补水池，贮存冷冻水系统补水、冷却塔用补水等生产用水。补水池容积需要根据机房重要性及该地区市政供水情况来确定，一般可采用8~12小时的补水量。对于重要性和等级比较高的机房项目以及经常发生断水情况的地区，水池容积最好不小于24小时补水量。

4.其他问题

一般数据中心项目要求有备用机组，冷却塔也需要与冷冻机对应设置备用机，并且为热备，要求能够随时启动，立刻投入运行。为保证冬季备用冷却塔能够随时启动，塔盘需要有水，北方地区就需要设置塔盘电加热棒，管道也需要设置保温电伴热系统。