電子信息系統(tǒng)機房項目冷卻水系統(tǒng)設計

1、電子信息系統(tǒng)機房項目冷卻水系統(tǒng)設計王滿1 張志平2 鄒洪3世源科技工程有限公司 北京 100855摘要：電子信息系統(tǒng)機房（數(shù)據(jù)中心）項目需要常年制冷，并且冷量變化不大，冷凍水系統(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)是保證機房連續(xù)供冷的兩個關鍵環(huán)節(jié)。為了節(jié)約能源，當制冷系統(tǒng)采用水冷冷凍水機組+自由冷卻系統(tǒng)時，有制冷、預冷、自由冷卻三種運行模式。此系統(tǒng)中冷卻塔設計參數(shù)的選擇有一定特殊性。關鍵詞：冷卻塔，自由冷卻， 運行模式， 補水可靠性Abstract: the electronic information system room (data center project needs to have a perennia

2、l refrigeration, and cold quantity change is not big, chilled water system, cooling water system is the guarantee for the cooling room two key link. In order to save energy, when refrigeration system using water frozen water units + free cooling system, have refrigeration, precooling, free cooling t

3、hree operating mode. This system cooling tower of the design parameters of choose to have certain particularity.Keywords: cooling tower, the free cooling, the mode of operation, filling water reliability中圖分類號：S611 文獻標識碼：A 文章編號：概述在現(xiàn)代科學技術高度發(fā)展的社會里，計算機越來越廣泛地應用于各個領域。計算機系統(tǒng)只有可靠的運行，才能發(fā)揮其效益，而計算機的可靠運行，需要一個比較嚴

4、格的物理環(huán)境。如供電、配電、溫度、濕度、潔凈度等，這樣就需要有一個現(xiàn)代化的機房系統(tǒng)滿足計算機對環(huán)境的要求。各種類型的互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心（IDC，Internet Data Center），企業(yè)數(shù)據(jù)中心，災備中心（或稱災備恢復中心，BRC，business recovery center）等都屬于電子信息系統(tǒng)機房（數(shù)據(jù)中心），在國民經(jīng)濟及人們的日常生活中，越來越發(fā)揮其重大作用。在電子信息系統(tǒng)機房項目中，溫度要求恒定，常年需要使用制冷設備，冷卻水系統(tǒng)設計和冷卻塔設計有一定特點。1. 電子信息系統(tǒng)機房（數(shù)據(jù)中心）項目制冷特點及節(jié)能需求1.1電子信息系統(tǒng)機房項目發(fā)熱及制冷特點。電子信息系統(tǒng)機房項目的發(fā)熱主

5、要來源于機房內(nèi)的服務器、網(wǎng)絡設備等IT設備在運行過程中散發(fā)的熱量，以及變電所、配電室、UPS電池室等電氣設備運行過程中散發(fā)的熱量。這些設備發(fā)熱的特點是設備集中，發(fā)熱量大，連續(xù)運行，并且一年四季發(fā)熱量基本保持恒定。要保持機房內(nèi)和電氣房間內(nèi)的空氣溫度在一定的范圍內(nèi)，這就需要大量的冷風將熱量帶走。數(shù)據(jù)中心一般采用機房專用空調(diào)，這是考慮到IT設備的特點，在相同制冷量的基礎上，風量遠大于舒適性空調(diào)，能夠迅速、有效地帶走IT設備散發(fā)的熱量。由于IT設備和電氣設備一年四季發(fā)熱量基本保持恒定，使得數(shù)據(jù)中心項目對制冷量的需求一年四季也基本保持恒定，制冷系統(tǒng)需要常年穩(wěn)定運行。1.2機房冷通道、熱通道的設置與節(jié)能。

6、由于整個制冷系統(tǒng)需要常年運行，如何節(jié)能顯得尤為重要。在工藝設備布置上，當機柜內(nèi)的設備為前進風/后出風方式冷卻時，機柜采用面對面、背對背的布置方式。機柜面對面布置形成冷風通道，背對背布置形成熱風通道，配合合理布置送回風口取得合理氣流組織，提高空調(diào)設備的使用效率，能夠降低空調(diào)設備的功耗。冷通道內(nèi)溫度可以設置為1827，相應熱通道溫度可以設置為2938，此運行工況完全能夠保證機柜正常運行，且提高了回風溫度后，可以提高末端空調(diào)水-空氣側換熱效率。冷、熱通道的分隔，使得制冷系統(tǒng)可以采用中溫冷凍水供冷，這樣便提高冷凍機效率，整個制冷系統(tǒng)實現(xiàn)節(jié)能運行。中溫冷凍水常采用供水溫度1213，回水溫度1718，根據(jù)

7、具體項目不同技術參數(shù)要求。合理選擇中溫冷凍水供回水溫度，與冷凍機相匹配，可以節(jié)能。一般是采用溫差為6的大溫差供回水，這樣可以減小循環(huán)水量，縮小管道直徑。2. 冷卻水系統(tǒng)設計2.1冷卻塔自由冷卻的使用與節(jié)能由于數(shù)據(jù)中心項目的機房可以采用中溫冷凍水，這就使得利用冷卻塔冬季自由冷卻以及過渡季節(jié)部分自由冷卻有一定的可實施性及方便性。當采用閉式冷卻塔時，冬季可以替換冷凍機，直接供機房中溫冷凍水。當采用開式冷卻塔時，冬季利用冷卻塔的低溫出水，采用板式換熱器換熱，制備中溫冷凍水，冷凍機可以完全不開，系統(tǒng)節(jié)能。過渡季節(jié)采用預冷模式，冷凍機部分負荷運行，降低能耗。2.2冷卻水系統(tǒng)運行模式數(shù)據(jù)中心項目常用制冷方案

8、有多種，采用水冷冷凍水機組+自由冷卻系統(tǒng)是比較節(jié)能的方案之一。本方案組成設備包含：水冷冷水機組（冷凍機）、冷卻水泵、冷卻塔、板式換熱器、冷凍水泵、定壓補水裝置、加藥裝置、蓄冷水罐、末端空調(diào)機組等。此系統(tǒng)運行模式：運行模式一：制冷模式。夏季及過渡季，當冷卻塔出水溫度大于設定溫度時，為正常制冷模式。冷卻塔出水供冷凍機用冷卻水，冷凍機工作，系統(tǒng)電能消耗最大。運行模式二：預冷模式。過渡季及冬季，當冷卻塔出水溫度降低到一定溫度時（一般比冷凍水回水溫度低1.5），就可以使用預冷模式。此模式下，冷卻塔出水經(jīng)過板式換熱器與冷凍水回水先進行熱交換后再進入冷凍機，供冷凍機用冷卻水。冷凍機另外一側，經(jīng)過板式換熱器降

9、低一定溫度的冷凍水回水，進入冷凍機，制備冷凍水。此模式下，板式換熱器工作，冷凍機也工作，但冷凍機承擔的負荷僅為30%70%，可減少電能消耗。運行模式三：自由冷卻模式。冬季，當冷卻塔出水溫度低于空調(diào)系統(tǒng)需要的冷凍水供水溫度1.5左右時，就可以進入自由冷卻模式。冷卻塔低溫出水經(jīng)過板式換熱器與冷凍水回水進行熱交換，直接制備冷凍水。此時，冷凍機完全停止工作，只有冷卻塔和循環(huán)水泵等在工作，系統(tǒng)大幅度減少電能消耗。2.3冷卻塔選型設計參數(shù)當采用水冷冷凍水機組+自由冷卻系統(tǒng)時，冷卻塔參數(shù)的正確選擇，運行的穩(wěn)定性，也成為整個冷卻水系統(tǒng)穩(wěn)定運行和節(jié)能的重要因素。一般其他類型項目是冬季需要的冷量小，夏季需要的冷量

10、大，在冷卻塔選型時，按照夏季運行工況選擇，冬季是能夠滿足要求的。在水冷冷凍水機組+自由冷卻系統(tǒng)中，冷卻塔運行有夏季工況和冬季自由冷卻兩種工況，需要按照兩種工況進行選擇及校核。以北京地區(qū)某項目為例，對冷卻塔夏季與冬季運行參數(shù)進行比較如下：運行工況循環(huán)冷卻水量出水溫度進水溫度設計濕球溫度夏季500m3/h333829冬季425m3/h10.515.56.5備注：夏季冷卻塔的散熱量為冷凍機的制冷量與冷凍機輸入功率之和，冬季自由冷卻塔模式下冷卻塔的散熱量僅為制備冷凍水的制冷量，故夏季冷卻塔循環(huán)冷卻水量大于冬季循環(huán)冷卻水量。結合以上各項參數(shù)，對冷卻塔冬季與夏季各個參數(shù)的選擇加以說明：夏季冷卻塔循環(huán)水量：

11、冷凍機制備冷凍水需要的冷量加上冷凍機輸入功率，折算的循環(huán)水量。夏季冷卻塔出水溫度：結合冷凍機選型工況確定，與當?shù)貪袂蛞灿嘘P系。冷卻塔出水溫度與濕球溫度之差越大，冷卻塔降溫越容易，選擇的塔型越小。夏季冷卻塔進水溫度：結合冷凍機選型工況確定，一般進水、出水溫差為56。夏季設計濕球溫度：根據(jù)當?shù)貧庀髤?shù)以及冷卻塔冷卻效果保證率確定。冬季冷卻塔循環(huán)水量：冷凍機不工作情況下，僅為制備冷凍水需要的冷量折算的循環(huán)水量。冬季冷卻塔出水溫度：結合冷凍水供水溫度確定。有自由冷卻需求的系統(tǒng)中，采用板式換熱器換熱時，一般比冷凍水供水溫度低1.52。冬季冷卻塔進水溫度：結合出水溫度確定，一般進水、出水溫差為56。冬季設

12、計濕球溫度：根據(jù)當?shù)貧庀髤?shù)設計選定的計算溫度。2.4設計濕球溫度和冷卻塔出水溫度之間的關系。濕球溫度代表在某一地點某一時間，水通過蒸發(fā)所能達到的最低溫度。即水在冷卻塔中可能被冷卻到的最低溫度，也就是冷卻塔出水溫度的最低極限值。冷卻塔出水溫度實際上不能等于或低于濕球溫度，一般情況下冷卻塔出水溫度需高于濕球溫度3以上，即逼近度（Approach Temperature，指冷卻水塔出水溫度與外氣濕球溫度之差值）大于3。逼近度越小冷卻塔出水溫度越難達到。2.5冷卻塔冬季設計濕球溫度的選擇。電子信息系統(tǒng)機房項目采用水冷冷凍水機組+自由冷卻系統(tǒng)，冬季冷卻塔設計濕球溫度的選擇是比較關鍵的參數(shù)。確定這個濕球

13、溫度的意義在于，達到這個濕球溫度和低于這個濕球溫度時，系統(tǒng)就能夠自由冷卻。冬季能夠使用自由冷卻的天數(shù)越多，節(jié)約的電能就越多。但是在需要冷量不變情況下，濕球溫度定的高，與冷卻塔出水溫度之間差值越小，即逼近度越小，冷卻塔選型就會大，初次投資就會增加。相反濕球溫度定的低，冷卻塔塔型就會小些，冬季能夠達到天數(shù)就少，能夠使用自由冷卻的天數(shù)就少，節(jié)約電能的天數(shù)就少。所以冬季濕球溫度的選擇，需要根據(jù)當?shù)貧庀髤?shù)，結合具體項目冷凍水需要水溫情況、項目初次投資和運行費用預期等具體情況分析確定。電子信息系統(tǒng)機房項目，冷卻塔冬季運行出水溫度是結合冷凍水供水溫度確定的，一般比冷凍水供水溫度低1.52。冬季冷卻塔設計采

14、用的濕球溫度比需要的冷卻塔出水溫度低45左右，這樣既能控制初次設備投資又能做到節(jié)約日后運行費用。2.6冷卻塔冬季和夏季運行參數(shù)的校核一般情況下，有自由冷卻要求的冷卻水系統(tǒng)，應按照冬季冷卻塔運行參數(shù)選塔，再對夏季運行工況進行校核。在滿足冷卻塔出水溫度、進水溫度和夏季濕球溫度情況下，該塔制冷能力有很大富裕量，有時富裕量能高達80100%。因此有自由冷卻需求的系統(tǒng)中冬季才是冷卻塔選型的主要工況。2.7冷卻塔塔型選擇由于電子信息系統(tǒng)機房項目冷卻塔是按照冬季工況選型，在塔型選擇上，最好選用小塔型，多臺組合使用，并且變頻控制風機轉速。比如按照冬季運行工況選擇兩臺或是三臺冷卻塔并聯(lián)使用對應一臺冷凍機，在夏季

15、可以變頻控制風機運行或是在適當時候停止一臺冷卻塔風機，既能滿足夏季運行工況，又能減少電能消耗。冬季當濕球溫度比較低時，在保證冷卻塔出水溫度滿足使用要求的情況下，風機也可以變頻運行甚至在溫度比較低時停止一臺風機運行。3. 冷卻水系統(tǒng)補水可靠性3.1可靠補水的需求電子信息系統(tǒng)機房的規(guī)模和重要性差異較大，有幾萬平方米的機房，也有幾十平方米的機房。一萬平方米的機房，冷卻水循環(huán)系統(tǒng)水量每小時約為60008000噸。當采用開式冷卻塔時，冷卻塔補水量大約為每小時100噸。由于機房環(huán)境要求冷卻水供應系統(tǒng)不能間斷，冷卻塔補水雖然可以短時間間斷，但也需要考慮冷卻塔補水可靠性問題。電子信息系統(tǒng)機房項目，市政最好能有

16、雙路供水或有條件的設置自備井作為備用供水源。3.2補水池的設置一般電子信息系統(tǒng)機房項目的都會考慮設置補水池，貯存冷凍水系統(tǒng)補水、冷卻塔用補水等生產(chǎn)用水。補水池容積需要根據(jù)機房重要性及該地區(qū)市政供水情況來確定，一般可采用812小時的補水量。對于重要性和等級比較高的機房項目以及經(jīng)常發(fā)生斷水情況的地區(qū)，水池容積最好不小于24小時補水量。4. 其他問題開式冷卻塔冬季使用時進風口處結冰現(xiàn)象是經(jīng)常發(fā)生的，結冰會影響到進風量，從而影響冷卻效率。如何避免或是盡量減少結冰，是冷卻塔廠商需要解決的技術問題。一般電子信息系統(tǒng)機房項目要求有備用機組，冷卻塔也需要與冷凍機對應設置備用機，并且為熱備，要求能夠隨時啟動，立

17、刻投入運行。為保證冬季備用冷卻塔能夠隨時啟動，塔盤需要有水，北方地區(qū)就需要設置塔盤電加熱棒，管道也需要設置保溫電伴熱系統(tǒng)。總結在水冷冷凍水機組+自由冷卻系統(tǒng)中，冷卻塔設計應以冬季工況為控制參數(shù)。冬季設計濕球溫度比需要的冷卻塔出水溫度低4左右，既能控制初次設備投資，又可以節(jié)約后期運行費用。水冷冷凍水機組+自由冷卻系統(tǒng)運行模式可以靠冷卻塔出水溫度控制，設冷卻塔出水溫度為T，冷凍水系統(tǒng)供水溫度為t1，冷凍水系統(tǒng)回水溫度為t2。當T（t2-1.5）時，系統(tǒng)為制冷模式運行。當（t1-1.5）T（t2-1.5），系統(tǒng)為預冷模式運行。當T（t1-1.5）時，系統(tǒng)進入自由冷卻模式運行。通過監(jiān)測冷卻塔出水溫度，選用適當?shù)倪\行模式，可以節(jié)約運行能耗。由于時間倉促和個人能力有限，不妥之處還望請各位同行批評指教。參考文獻1.電子信息系統(tǒng)機房