數(shù)據(jù)中心機(jī)房冷卻塔供冷選型與工況分析

Word文檔數(shù)據(jù)中心機(jī)房冷卻塔供冷選型與工況分析01冷卻塔供冷

冷卻塔供冷分直接供冷與間接供冷兩種，由于直接供冷需室外冷卻水直接進(jìn)入空調(diào)末端，水質(zhì)不佳時(shí)極易引起末端堵塞，而影響系統(tǒng)運(yùn)行，工程中大多數(shù)采納間接供冷系統(tǒng)（開式冷卻塔+板式換熱器），即與冷水機(jī)組并聯(lián)或串聯(lián)一臺(tái)板式換熱器。冷水機(jī)組與板式換熱器并聯(lián)，濕球溫度達(dá)到肯定值時(shí)，由板式換熱器供應(yīng)全部冷量，關(guān)閉冷水機(jī)組，使冷卻水和冷凍水分別進(jìn)入板式換熱器，冷卻塔做為冷源，達(dá)到完全自然冷卻，但并聯(lián)形式不能采納部分自然冷卻；冷水機(jī)組與板式換熱器串聯(lián)，冷水串聯(lián)經(jīng)過板式換熱器與冷水機(jī)組，過渡季節(jié)用冷卻塔出水先預(yù)冷冷水回水，再進(jìn)入冷水機(jī)組制冷，減小主機(jī)能耗，得到可觀的部分自然冷卻時(shí)間，僅額外增加水在板式換熱器內(nèi)的輸送能耗。為充分利用部分自然冷卻，北方地區(qū)數(shù)據(jù)中心往往選擇冷水機(jī)組與板式換熱器串聯(lián)這種組合形式，見圖1，本文爭(zhēng)論也是基于這個(gè)系統(tǒng)。

02負(fù)荷側(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1冷負(fù)荷

數(shù)據(jù)中心主要由服務(wù)器、UPS等散熱轉(zhuǎn)化而成的顯熱負(fù)荷，幾乎沒有潛熱負(fù)荷，冬夏季冷負(fù)荷相差不大，冷卻水流量大致在80%~100%內(nèi)變化；末端干工況運(yùn)行，冷負(fù)荷按顯熱負(fù)荷考慮。

2.2冷水供水溫度

數(shù)據(jù)中心考慮采納溫濕度單獨(dú)掌握方案，由高溫冷水處理顯熱負(fù)荷，新風(fēng)進(jìn)行單獨(dú)的加濕或除濕。冷水供水溫度取值，直接受機(jī)柜進(jìn)風(fēng)溫度取值的影響。

ASHARE推舉的機(jī)柜進(jìn)風(fēng)溫度宜取20~25℃，允許范圍是18~27℃。考慮到空氣-水換熱器空氣側(cè)阻力降的影響，送風(fēng)溫度與冷水供水溫差取8℃，可有多種供水溫度與送風(fēng)溫度組合，常用的有送風(fēng)溫度20℃，冷水供回水溫度為12/18℃；送風(fēng)溫度23℃，冷水供回水溫度為15/21℃。

當(dāng)然送風(fēng)溫度還可進(jìn)一步提高，負(fù)荷側(cè)供水溫度也隨之上升，冷水機(jī)組能效提高，在冷卻塔供冷時(shí)，冷卻塔出水溫度相應(yīng)上升。

03冷源側(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1冷卻塔選型

冷卻塔的冷卻力量是冷卻塔供冷的核心，冬季冷卻塔的冷卻力量急劇下降，即在相同的冷卻水供回水溫差與流量條件下，冷卻塔在冬季比夏季更難于散熱。若要獲得與夏季相同的換熱量和水溫降，必需加大冷卻塔出水溫度與室外濕球溫度的差值，靠顯熱交換獲得冷卻量。

由于數(shù)據(jù)中心基本是常年穩(wěn)定的冷負(fù)荷，按夏季工況選擇的冷卻塔在冬季用作自然冷卻時(shí)，要求其供應(yīng)的冷卻量要基本不變，因此，數(shù)據(jù)中心采納冷卻塔供冷時(shí)，為了更好節(jié)能，應(yīng)盡量延長(zhǎng)自然冷卻時(shí)間，通常按冬季完全自然冷卻工況選型，并對(duì)夏季極端濕球溫度進(jìn)行校核，以滿意數(shù)據(jù)中心牢靠性的要求。

一般狀況下，北方地區(qū)按冬季工況選型的冷卻塔都能滿意夏季工況，塔型結(jié)合夏季工況敏捷配置。

通過冷卻塔冷卻特性的模擬計(jì)算，獲得了冷源水供水溫度（即冷卻塔出水溫度）、供回水溫差以及不同流量比（實(shí)際流量與額定流量之比）下的室外濕球溫度值，如圖2、3所示。

冷卻塔靠近度（即送風(fēng)溫度與冷水供水溫度差）越小，冷卻效果越好，但過分追求小的靠近度，塔體成分和形狀尺寸將會(huì)加大，權(quán)衡考慮，數(shù)據(jù)中心工程中冷卻塔夏季選型一般取3℃，按此選擇冷卻塔，在大多數(shù)時(shí)間運(yùn)行中容量富余。明顯，靠近度不是一個(gè)定值，而是由設(shè)計(jì)人員依據(jù)詳細(xì)項(xiàng)目確定。

圖3流量比85%時(shí)冷卻塔供冷熱工曲線

依據(jù)圖2，當(dāng)室外濕球溫度達(dá)到1℃時(shí)，假如流量不變且仍要求5℃溫降，則冷源側(cè)供水溫度達(dá)10.5℃，靠近度為9.5℃，板式換熱器換熱溫差取1.5℃，負(fù)荷側(cè)冷水供水溫度將達(dá)到12℃。

由圖3，其他條件不變，冷卻水量變?yōu)?5%，在室外濕球溫度1℃時(shí)，冷卻塔出水溫度可達(dá)到9.5℃。若想獲得較低的冷源側(cè)供水溫度，則可通過削減冷卻水量或減小冷卻水進(jìn)出水溫差來實(shí)現(xiàn)。

由于在水系統(tǒng)中，水泵能耗約占主機(jī)能耗15%~20%左右，遠(yuǎn)小于主機(jī)能耗，應(yīng)盡量將自然冷卻做為主要節(jié)能環(huán)節(jié)，適當(dāng)考慮水泵輸送功率和高效率運(yùn)行等問題，在保證使用要求的前提下，盡量提高冷水供水溫度和冷源側(cè)供水溫度，延長(zhǎng)自然冷卻時(shí)間。

冷卻水供回水溫差tc越小，可以在更高室外濕球溫度下使用，獲得更多的自然冷卻時(shí)間；冷卻水供回水溫差tc也不宜過小，考慮到數(shù)據(jù)中心冬夏負(fù)荷變化不大，冷卻塔水量可減小到其額定水量的80%，數(shù)據(jù)中心項(xiàng)目冷卻水供回水溫差一般不宜小于4℃。

3.2工況轉(zhuǎn)換點(diǎn)

工況轉(zhuǎn)換點(diǎn)的選擇，直接關(guān)系到整個(gè)供冷系統(tǒng)的供冷時(shí)數(shù)。依據(jù)某品牌逆流冷卻塔數(shù)據(jù)擬合，得出濕球溫度與靠近度的數(shù)學(xué)關(guān)系式，及冷卻塔出水溫度與室外濕球溫度的關(guān)系式tc1=0.81tw+9.33。冷水供水溫度按12℃考慮，考慮冷卻塔靠近度及換熱器等影響，參考冷卻塔供冷特性曲線，由以上分析可知在室外濕球溫度1℃時(shí)切換為完全自然冷卻模式，這也基本與圖2、圖3吻合。在過渡季節(jié)，當(dāng)冷卻塔出水溫度小于16℃時(shí)，可用于預(yù)冷冷水回水，減小冷水機(jī)組的負(fù)擔(dān)，依據(jù)上述關(guān)系式，得到在室外濕球溫度8℃時(shí)切換為部分自然冷卻模式。明顯，工況切換點(diǎn)與冷水供水溫度有關(guān)，假如送風(fēng)溫度設(shè)定23℃，冷水供回水溫度為15/21℃，冷源水供水溫度為13℃，亦可滿意機(jī)房溫度要求，但需重新設(shè)定掌握器，按上述原則分析，得到此時(shí)工況切換點(diǎn)室外濕球溫度為4.5℃，相比12℃冷水供冷，延長(zhǎng)了冷卻塔供冷時(shí)數(shù)。依據(jù)《中國(guó)建筑熱環(huán)境分析專用氣象數(shù)據(jù)集》，可得到在三種冷水供回水溫度組合下，冷卻塔供冷兩種工況在典型城市的供冷時(shí)數(shù)表1、表2，用于數(shù)據(jù)中心節(jié)能分析。

3.3冷卻水泵

在夏季，冷卻水側(cè)需要旁通板式換熱器，這樣冷卻水管網(wǎng)特性曲線會(huì)發(fā)生較大變化，冷卻水泵的工作特性假如不發(fā)生大的變化，工作點(diǎn)會(huì)向右下方偏移，流量加大使得電機(jī)功率增加，簡(jiǎn)單過載而燒毀電機(jī)。對(duì)此，冷卻水泵應(yīng)做變頻處理，