引  言

通過冷卻塔向大氣散熱的冷凍水空調(diào)系統(tǒng)是目前大型數(shù)據(jù)中心最常見的制冷形式，其包括冷凍水和冷卻水兩個(gè)水系統(tǒng)。其中冷卻塔的作用是利用冷卻水的蒸發(fā)散熱和對(duì)流散熱以水潛熱或顯熱的形式將數(shù)據(jù)中心產(chǎn)生的熱量傳遞到大氣中，是空調(diào)系統(tǒng)熱傳遞的最終環(huán)節(jié)。一方面，在設(shè)計(jì)或?qū)嶋H運(yùn)行中冷卻塔配置越多，理論上可以得到更低的冷卻水溫度，從而提高冷水機(jī)組COP、增加（半）自然冷卻時(shí)間，降低數(shù)據(jù)中心全年能耗（PUE）；另一方面，更多的冷卻塔需要占有更大的面積，冷卻塔風(fēng)機(jī)、冬季防凍也需消耗更多的能源，并且對(duì)系統(tǒng)水耗指標(biāo)（WUE）也會(huì)產(chǎn)生影響。

本文從北京地區(qū)某數(shù)據(jù)中心2022年實(shí)際的運(yùn)行數(shù)據(jù)出發(fā)，并通過建立計(jì)算模型分析冷卻塔配置對(duì)數(shù)據(jù)中心PUE和WUE的影響，解釋運(yùn)行數(shù)據(jù)，以求對(duì)設(shè)計(jì)階段中冷卻塔配置冗余量和實(shí)際運(yùn)行冷卻塔運(yùn)行策略給出建議。

1.冷卻塔影響能耗的因素

冷卻塔對(duì)能耗的影響可以分為兩個(gè)方面：一是冷卻塔自身能耗，主要是冷卻塔風(fēng)機(jī)耗能、冬季防凍耗能，二是冷卻塔之外的其他能耗，包括冷水機(jī)組、水泵、末端精密空調(diào)及其他附屬設(shè)施。

1.1 冷卻塔風(fēng)機(jī)耗能

根據(jù)風(fēng)機(jī)氣動(dòng)力學(xué)原理，對(duì)于已定的風(fēng)機(jī)和輸送介質(zhì)，其功率與轉(zhuǎn)速的三次方成正比（風(fēng)機(jī)效率認(rèn)為基本不變），即：

式中：

N0，n0——風(fēng)機(jī)額定狀態(tài)下的功率，轉(zhuǎn)速；

N，n——風(fēng)機(jī)實(shí)際狀態(tài)下的功率，轉(zhuǎn)速。

1.2 冬季防凍耗能

為防止冬季極寒天氣冷卻水系統(tǒng)結(jié)冰，北方地區(qū)冬季室外使用的冷卻塔集水盤及冷卻水管路通常配置電加熱防凍。其耗能受塔體結(jié)構(gòu)、管路長度、電加熱形式、保溫情況、室外氣候條件等多種因素影響。

1.3 冷卻塔之外的其他能耗

冷卻塔自身能耗只占數(shù)據(jù)中心制冷能耗的一小部分，冷卻塔之外的其他設(shè)備包括冷水機(jī)組、冷卻水泵、冷凍水泵、末端精密空調(diào)及其他制冷附屬設(shè)施等占制冷系統(tǒng)能耗的絕大部分。但冷卻塔對(duì)其他能耗的影響其實(shí)都是通過影響冷卻水水溫實(shí)現(xiàn)的。在設(shè)計(jì)和運(yùn)行過程中如果不改變水系統(tǒng)的供回水溫差，那么在負(fù)荷一定時(shí)其水流量也是確定的，不同的冷卻塔配置冗余量最主要的影響是冷卻塔下塔水溫。

冷卻塔配置越多，冷卻水與空氣的換熱接觸面積越大，冷卻塔下塔水溫越低。通常每降低一度，冷水機(jī)組制冷效率COP可以提高約2.5~3%左右，并且全年可以增約200小時(shí)左右的（半）自然冷卻時(shí)間（根據(jù)北京地區(qū)2022年實(shí)際氣象數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)），節(jié)能效果明顯。

但是另一方面，在冬季嚴(yán)寒季節(jié)冷卻塔通常散熱能力“過?！?，配置或運(yùn)行更多的冷卻塔降低下塔溫度意義并不顯著，還要考慮防凍措施；在夏季極熱天氣，室外干球溫度接近或高于冷卻水上塔溫度，此時(shí)增加冷卻塔運(yùn)行數(shù)量，冷卻水下塔溫度降低程度也會(huì)減小，并且冷卻塔散熱過程中傳導(dǎo)散熱占比減小甚至是“負(fù)收益”，即需要蒸發(fā)消耗更多的水冷卻室外空氣，系統(tǒng)水耗增加。這兩種狀態(tài)下如何配置和運(yùn)行冷卻塔，增大冷卻塔運(yùn)行數(shù)量的“收益”到底如何需要進(jìn)行更細(xì)致的論證。

2.實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)

北京市某個(gè)采用上述傳統(tǒng)冷凍水空調(diào)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心（以下簡(jiǎn)稱樣本項(xiàng)目），共設(shè)置有8組冷卻塔及對(duì)應(yīng)的冷水機(jī)組、板式換熱器、水泵等空調(diào)設(shè)備，冷卻水系統(tǒng)共用環(huán)管，業(yè)務(wù)相對(duì)穩(wěn)定負(fù)荷波動(dòng)較小，冷卻水供回水溫差維持在5℃。為降低數(shù)據(jù)中心全年P(guān)UE，冷卻塔通常8臺(tái)全部啟用運(yùn)行。因冷卻塔的維護(hù)檢修需要，2022年在部分時(shí)間停用1組或2組冷卻塔，全年的逐時(shí)能耗均有記錄，本節(jié)對(duì)其記錄數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，比較在不同冷卻塔開啟數(shù)量下PUE的變化情況。

2.1 夏季模式

6、7、8三月運(yùn)行模式為夏季模式，即板式換熱器退出運(yùn)行、冷凍水與冷卻水的熱傳遞全部由冷水機(jī)組承擔(dān)，樣本項(xiàng)目在2022年6、7、8月份因維護(hù)需要部分時(shí)間只開啟7臺(tái)冷卻塔。計(jì)算統(tǒng)計(jì)對(duì)比不同濕球溫度下的平均PUE數(shù)值，統(tǒng)計(jì)匯總整理為圖表并添加趨勢(shì)線如下：（為了減小干球溫度和陰雨天氣對(duì)數(shù)據(jù)對(duì)比有效性的干擾，因北京地區(qū)夏季相對(duì)濕度較高，故選取相對(duì)濕度在40%~70%的數(shù)據(jù)，有效小時(shí)數(shù)據(jù)共計(jì)627組）。

圖1：北京某數(shù)據(jù)中心夏季冷塔開啟臺(tái)數(shù)與PUE

由圖1可以看出，在濕球溫度較小時(shí)，開啟8臺(tái)冷卻塔時(shí)的PUE明顯優(yōu)于開啟7臺(tái)冷卻塔，但隨著室外濕球溫度的升高，其優(yōu)勢(shì)逐漸減小，換言之，高濕球溫度環(huán)境下配置冗余冷卻塔的收益逐漸減小。

2.2 冬季模式

12、1月運(yùn)行模式為冬季模式，即冷水機(jī)組退出運(yùn)行、冷凍水與冷卻水的熱傳遞全部由板式換熱器承擔(dān)，樣本項(xiàng)目在2022年1月和12月因維護(hù)需要部分時(shí)間只開啟7或6臺(tái)冷卻塔。計(jì)算統(tǒng)計(jì)對(duì)比不同濕球溫度下的平均PUE數(shù)值，統(tǒng)計(jì)匯總整理為圖表并添加趨勢(shì)線如下：（為了減小干球溫度和陰雨天氣對(duì)數(shù)據(jù)對(duì)比有效性的干擾，因北京地區(qū)冬季相對(duì)濕度較低，故選取相對(duì)濕度在在20%~50%的數(shù)據(jù)，有效小時(shí)數(shù)據(jù)共計(jì)829組）。

圖2：北京某數(shù)據(jù)中心冬季冷塔開啟臺(tái)數(shù)與PUE

由圖2可見不同冷卻塔開啟數(shù)量對(duì)應(yīng)的PUE無明顯的高低關(guān)系，即冷卻塔開啟數(shù)量對(duì)PUE并無明顯影響。并且隨著室外溫度的升高，PUE反而呈現(xiàn)整體下降趨勢(shì)，這是因?yàn)槎緶囟容^低時(shí)需開啟防凍電加熱，防凍能耗上升。冷卻水溫度因?yàn)椴豢赡芙档偷?℃（冰點(diǎn)）以下，當(dāng)室外溫度較低時(shí)室外冷源豐富，只需開啟一部分冷卻塔使得冷卻水溫度降低到稍高于冰點(diǎn)，并適當(dāng)加大冷卻水供回水溫差以節(jié)省冷卻水泵運(yùn)行能耗即可。換言之，此時(shí)冷卻塔冷卻能力“溢出”，開啟更多的冷卻塔并無收益反而會(huì)增大防凍的能耗。

3.理論分析

3.1 冷卻塔配置冗余與逼近度

逼近度是指冷卻塔下塔水溫與室外環(huán)境濕球溫度的差值，表征冷卻塔的冷卻能力。逼近度越小，說明冷卻水下塔水溫越接近濕球溫度（普通冷卻塔的極限冷卻溫度），冷卻塔冷卻能力越強(qiáng)。顯然，對(duì)于一定的冷卻水循環(huán)水量，冷卻塔配置冗余量越大，空氣與水的接觸面積越大，相應(yīng)的逼近度也就越低。參見某型號(hào)的冷卻塔在不同冗余配置下，測(cè)得的逼近度與濕球溫度的對(duì)應(yīng)關(guān)系，見圖3所示。

圖3：某型號(hào)冷卻塔配置冗余與逼近度

由圖3可見冷卻塔配置數(shù)量越多，逼近度越小，但增大冷卻塔的收益會(huì)隨著冷卻塔的已配置量逐漸減弱。

根據(jù)熱力學(xué)熱量守恒定律，冷卻塔內(nèi)的熱量關(guān)系為：

冷卻水散熱量Q循環(huán)水 = 蒸發(fā)吸熱量Q蒸發(fā) + 流經(jīng)冷卻塔的空氣吸熱量Q空氣

冷卻水在冷卻塔循環(huán)過程中總是散熱的，其散熱量Q循環(huán)水取決于室內(nèi)的冷負(fù)荷和制冷系統(tǒng)的制冷效率。水蒸發(fā)吸熱量Q蒸發(fā)隨著冷卻塔配置數(shù)量的增加而作用增強(qiáng)，對(duì)于散熱過程是有益的。但對(duì)于流經(jīng)冷卻塔的空氣吸熱量Q空氣，隨著室外溫度的升高，在整個(gè)熱交換過程中吸熱量逐漸減小，甚至當(dāng)空氣溫度高于冷卻水溫度時(shí)會(huì)由吸熱變?yōu)樯徇^程，即此時(shí)對(duì)循環(huán)冷卻水散熱來說與室外空氣的導(dǎo)熱是不利的。

每增大20%冷卻塔配置，逼近度減小值計(jì)算如下表：

表1：某型號(hào)冷卻塔冗余配置每增大20%的逼近度變化表

可見增大冷卻塔配置帶來的冷卻水下塔溫度降低幅度，隨著濕球溫度的升高而降低，隨著冷卻塔的已配置冗余數(shù)量而降低，所以在設(shè)計(jì)和運(yùn)行當(dāng)中，需要設(shè)計(jì)者或運(yùn)行人員考慮最優(yōu)的配置比例，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的綜合效果。

3.2 冷卻塔出水溫度對(duì)冷水機(jī)組能耗的影響

在數(shù)據(jù)中心的能耗中，空調(diào)制冷系統(tǒng)能耗占比最大，以樣本項(xiàng)目2022年全年的實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)，全年P(guān)UE約為1.29，其中制冷系統(tǒng)消耗的能耗占基礎(chǔ)設(shè)施總能耗的57.1%，而制冷系統(tǒng)主要耗能設(shè)備為冷水機(jī)組、末端精密空調(diào)、冷卻水泵、冷凍水泵、冷卻塔、防凍、恒濕設(shè)備等，占制冷系統(tǒng)耗能的比例以此為32.5%、30.2%、13.7%、10.1%、12.2%、0.2%、1.1%，而受冷卻塔配置冗余（冷卻水下塔溫度）影響的是冷水機(jī)組和冷卻塔及防凍等能耗。

1）冷水機(jī)組能耗與下塔水溫的關(guān)系

冷水機(jī)組內(nèi)制冷劑制冷過程是一個(gè)逆卡諾循環(huán)，蒸發(fā)溫度和冷凝溫度是影響冷水機(jī)組效率的兩個(gè)重要因素，在保證機(jī)組安全正常運(yùn)行的前提下蒸發(fā)溫度越高、冷凝溫度越低其制冷效率越高。而蒸發(fā)溫度和冷凝溫度又分別受到冷凍水溫度、冷卻水溫度的直接影響。在實(shí)際運(yùn)行中，冷凍水溫度（決定蒸發(fā)溫度）受室內(nèi)溫濕度要求和客戶SLA的制約通常無法大幅度調(diào)整，所以降低冷卻水溫度是提高冷水機(jī)組制冷效率的有效途徑。

以樣本項(xiàng)目實(shí)際使用的制冷量1300RT的某品牌冷水機(jī)組為例，見圖四。由圖可見冷水機(jī)組COP隨冷卻水供水溫度的升高而降低，因而冷卻塔冗余配置降低冷卻水溫度對(duì)于冷水機(jī)組節(jié)能有著現(xiàn)實(shí)意義。在一定冷卻水范圍內(nèi)（冷水機(jī)組廠家要求的最低安全溫度以上，當(dāng)然對(duì)于設(shè)置板式換熱器的數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)來說，冷卻水溫度降低時(shí)應(yīng)切換為板式換熱器負(fù)擔(dān)部分或全部冷負(fù)荷），每降低1℃的冷卻水供水溫度，冷水機(jī)組COP可提高3%（負(fù)載率為100%時(shí)）、4%~5%（負(fù)載率為50%時(shí)），節(jié)能效果顯著。

另一方面，冷水機(jī)組COP在系統(tǒng)負(fù)載率40~60%區(qū)間時(shí)最高，所以在末端冷負(fù)荷一定的情況下，盡可能的調(diào)節(jié)冷水機(jī)組的運(yùn)行臺(tái)數(shù)，使冷水機(jī)組負(fù)載率均衡并控制在40%~60%高效運(yùn)行區(qū)間，可有效降低冷水機(jī)組設(shè)備能耗，當(dāng)然也需要綜合考量系統(tǒng)架構(gòu)評(píng)估冷凍水泵和冷卻水泵的運(yùn)行狀態(tài)和變頻運(yùn)行能力。

圖4 某型號(hào)冷水機(jī)組COP隨冷卻水供水溫度變化

3.3 建立數(shù)據(jù)模型與量化計(jì)算

通過上述冷卻塔和冷卻機(jī)組的性能參數(shù)，可以建立計(jì)算模型定量化分析冷卻塔配置冗余對(duì)數(shù)據(jù)中心PUE的影響。

以樣本項(xiàng)目所采用的冷卻塔、冷水機(jī)組性能參數(shù)為基礎(chǔ)條件，IT冷負(fù)荷10000kW，總冷負(fù)荷（IT+圍護(hù)結(jié)構(gòu)等其他負(fù)荷）為11500kW，冷凍水供回水溫度全年設(shè)定為13/18℃，板式換熱器換熱溫差為2℃，冷卻水溫差為5℃，冷卻水泵效率假定為80%、揚(yáng)程設(shè)定為30m，冷水機(jī)組均在60%負(fù)載率條件下運(yùn)行，基準(zhǔn)條件下冷卻塔功率為30kW×7組=210kW，計(jì)算結(jié)果如下：

4.實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)和理論分析的對(duì)比

由上述分析可見：

1）過渡季模式：在過渡季模式（濕球溫度6-13℃左右，溫度范圍取決于冷凍水溫度和板式換熱器換熱溫差），增加冷卻塔運(yùn)行數(shù)量，可以有效降低冷卻水下塔溫度，增加（半）自然冷卻運(yùn)行時(shí)間，節(jié)能效果明顯。

2）夏季模式：夏季模式（濕球溫度大于13℃時(shí)，溫度范圍同樣取決于冷凍水溫度和板式換熱器換熱溫差）下，適當(dāng)增大冷卻塔配置也可降低冷卻水溫度，提高冷水機(jī)組能效，但同時(shí)由于增大了冷卻塔的風(fēng)機(jī)能耗，當(dāng)冷卻塔已經(jīng)有一定的冗余配置時(shí)，此時(shí)增加冷塔數(shù)量帶來的冷卻水溫度降低不明顯，甚至不能抵消冷卻塔增加的能耗，尤其是在高濕球溫度時(shí)，逼近度在基準(zhǔn)配置下已經(jīng)在3~4℃左右，增大冷卻塔帶來的冷卻水溫度降低收益很小，但是冷卻塔能耗卻增加明顯。這與2.1節(jié)中實(shí)際的運(yùn)行數(shù)據(jù)是一致的。

3）冬季模式：由于防凍能耗與管路布置、冷塔結(jié)構(gòu)等因素關(guān)系很大，計(jì)算模型并為計(jì)算比較冬季模式下能耗數(shù)據(jù)。但是可以定性的進(jìn)行分析：此時(shí)如果不改變冷凍水溫度、冷卻水供回水溫差、冷卻塔風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，增大冷卻塔配置沒有任何收益，反而提高了防凍能耗和維護(hù)工作量。當(dāng)然需要指出的是，在室外溫度較低時(shí)，在避免室外管路凍結(jié)、室內(nèi)結(jié)露等前提下適當(dāng)?shù)慕档屠鋬鏊疁囟?，可有效降低末端精密空調(diào)的能耗，末端精密空調(diào)能耗在PUE占比較大，可有效降低總能耗。并且改變冷卻水供回水溫差、冷卻塔風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速都可以有效降低冷卻水泵、冷卻塔的能耗。參照2.2節(jié)冬季模式的實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)，此時(shí)冷卻塔配置數(shù)量增大一方面增大了防凍能耗，另一方面也通過降低冷卻塔風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速有效降低了冷卻塔能耗，需要運(yùn)行中分辨主次要矛盾，選擇最優(yōu)的開啟策略。

5.結(jié)  語

數(shù)據(jù)中心常用的冷凍水空調(diào)系統(tǒng)由較多的設(shè)備和部件組成，熱量傳遞和轉(zhuǎn)換的環(huán)節(jié)較多，冷卻塔作為其中的一環(huán)，其設(shè)計(jì)和運(yùn)行策略對(duì)整個(gè)系統(tǒng)有較大的影響?？茖W(xué)合理的制定冷卻塔設(shè)計(jì)和運(yùn)行策略，可有效降低數(shù)據(jù)中心的能耗。

上述的數(shù)據(jù)和計(jì)算分析，建立在一定的條件之下，不同的冷卻塔基準(zhǔn)配置量、冷卻塔性能、冷水機(jī)組性能、負(fù)載率和制冷系統(tǒng)架構(gòu)等條件，也會(huì)有一定的差異。

本文標(biāo)題：冷凍水系統(tǒng)中冷卻塔配置對(duì)數(shù)據(jù)中心能效的影響

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