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        冷卻塔供冷技術(shù)在數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用

        2021-09-24 01:44:14王秀芳
        山西建筑 2021年19期
        關(guān)鍵詞:冷源供冷冷卻塔

        武 義 王秀芳

        (1.太原市建筑設(shè)計(jì)研究院,山西 太原 030002; 2.山西科能電力設(shè)計(jì)有限公司,山西 太原 030009)

        0 引言

        近幾年,隨著云計(jì)算等技術(shù)的迅速發(fā)展,對數(shù)據(jù)中心建設(shè)的勢頭不減。數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)備中的高耗能的系統(tǒng)是制冷系統(tǒng),數(shù)據(jù)中心要求全年供冷,能耗巨大,冷卻塔供冷技術(shù)作為一種綠色節(jié)能技術(shù),充分利用免費(fèi)的室外自然冷源在春、秋和冬季可以顯著降低數(shù)據(jù)中心的能源消耗。

        1 冷卻塔供冷

        1.1 供冷原理

        建筑在全年均有穩(wěn)定的散熱量,需要全年制冷。當(dāng)室外濕球溫度低于某一定值時(shí),制冷機(jī)組停機(jī),空調(diào)系統(tǒng)中的冷卻塔直接或間接向空調(diào)系統(tǒng)提供冷凍水,用作消除室內(nèi)余熱。這種采用冷卻塔直接或間接供冷的方式叫做“免費(fèi)供冷”。

        1.2 供冷形式

        供冷按冷卻水是否直接進(jìn)入空調(diào)設(shè)備可分成兩大類:冷卻塔直供和冷卻塔加板式換熱器的間接供冷。

        1.2.1 冷卻塔直供

        冷卻塔直供是指在原空調(diào)水系統(tǒng)中增加旁通管路,將經(jīng)過冷卻塔降溫的冷卻水直接進(jìn)入冷水系統(tǒng)進(jìn)行循環(huán)。夏季由制冷機(jī)組提供冷凍水,冬季由冷卻塔組提供冷凍水,冬季關(guān)閉制冷機(jī)組,通過打開旁路閥門,使經(jīng)過冷卻塔降溫的冷卻水直接進(jìn)入空調(diào)末端。冷卻塔可采用閉式冷卻塔或開式冷卻塔。設(shè)置開式冷卻塔時(shí),冷卻水與外界空氣直接接觸,冷卻水會攜帶從冷卻塔上洗滌下來的空氣中的灰塵,變成泥漿后進(jìn)入室內(nèi)空調(diào)水系統(tǒng),造成盤管被污垢,使其換熱效率大幅降低,甚至阻塞盤管,故很少采用。閉式冷卻塔冷卻水不與空氣直接接觸,解決了堵塞污染問題,但由于閉式冷卻塔造價(jià)較高且間接換熱效率不高,故也很少采用。

        1.2.2 間接供冷

        間接冷卻是在原冷水系統(tǒng)上增加板式換熱器,使冷卻水作為一次水,通過板式換熱器對冷凍水進(jìn)行間接降溫,冷卻水系統(tǒng)和冷凍水系統(tǒng)是獨(dú)立的,沒有連接,采用換熱器來實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)移。由于冷凍水和冷卻水是相互獨(dú)立的,可以避免冷水系統(tǒng)被腐蝕、污染和堵塞。

        2 冷卻塔免費(fèi)供冷的設(shè)計(jì)和計(jì)算

        2.1 冷負(fù)荷

        本文以圖1所示的某地鐵控制中心為例,空調(diào)系統(tǒng)夏季總冷負(fù)荷為 11 451 kW,其中數(shù)據(jù)中心冷負(fù)荷5 789 kW,設(shè)兩臺中溫離心式冷水機(jī)組;辦公區(qū)冷負(fù)荷為5 662 kW,設(shè)兩臺常規(guī)離心式冷水機(jī)組,四臺離心式冷水機(jī)組制冷量均為2 989 kW。四臺離心式冷水機(jī)組兩兩互為備用。在設(shè)備檢修或者特殊情況下應(yīng)保證數(shù)據(jù)中心供冷需求,可以臨時(shí)不保證辦公區(qū)正常供冷。數(shù)據(jù)中心每臺冷卻水泵流量為720 m3/h,冷凍水泵流量為600 m3/h,冷水泵、冷卻水泵均為兩用一備。夏季供冷時(shí)冷水供水溫度為13 ℃,回水溫度為18 ℃,溫差5 ℃。辦公區(qū)每臺冷卻水泵流量720 m3/h,冷凍水泵流量為600 m3/h,冷水泵、冷卻水泵均為兩用一備。夏季供冷時(shí)冷水供水溫度為7 ℃,回水溫度為12 ℃,溫差5 ℃。設(shè)四臺冷卻塔。

        數(shù)據(jù)中心冷負(fù)荷以設(shè)備散熱量形成的顯熱負(fù)荷熱為主導(dǎo),熱源集中且連續(xù),不允許中斷。冬季冷負(fù)荷與夏季冷負(fù)荷相似為5 789 kW,需全年供冷。

        2.2 確定板式換熱器換熱量、冷水泵、冷卻水泵和冷卻塔開啟臺數(shù)

        在冷卻塔供冷項(xiàng)目設(shè)計(jì)時(shí),冷卻塔和末端空調(diào)器均已按夏季工況確定。因此,冬季供冷時(shí),需要兩者匹配,設(shè)計(jì)時(shí)需要計(jì)算板式換熱器的換熱量、確定冷卻水泵、冷水泵和冷卻塔開啟臺數(shù)。

        1)冬季供冷時(shí)供水溫度的確定,按夏季溫度設(shè)計(jì),冷凍水供回水溫度越高,冷卻塔出水溫度相應(yīng)越高,可延長冷卻塔供冷時(shí)間。

        本工程冬季冷負(fù)荷為5 789 kW,取冬季空調(diào)冷凍水供水溫度tL1=13 ℃,回水溫度tL2=18 ℃。

        由上可知,冬季需要變頻運(yùn)行2臺冷水泵即可滿足供冷要求。

        3)冬季冷卻塔供冷時(shí)每臺板式換熱器負(fù)擔(dān)的負(fù)荷為5 789×70%=4 053 kW。

        4)確定冬季板式換熱器溫差較小端一、二次水溫差Δtx。

        板式換熱器溫差較小端一、二次水溫差宜取Δtx=1 ℃~2 ℃。該溫差取值太大,則可利用的供冷時(shí)間太少。該溫差取值太小,則板式換熱器的換熱面積太大,換熱器造價(jià)較高。一般取Δtx=1.5 ℃。

        5)確定冬季冷卻水(冷源)溫差Δty。

        其中,L2的大小由供冷時(shí)冷卻水泵運(yùn)行的臺數(shù)決定,一次側(cè)流量L2越大,Δty越小。當(dāng)冷卻塔型號已定,Δty越小,所需冷卻塔降溫幅度越小,可以在室外濕球溫度較高的情況下提供冷卻,但開啟的循環(huán)泵越多越耗能;Δty也不宜過大,過大的Δty使?jié)M足要求的室外濕球溫度tw降低,減少了冷卻塔供冷時(shí)間。一般以2 ℃為界。

        由上式可知運(yùn)行2臺冷卻水泵,Δtc=3.58 ℃,滿足要求。

        6)冷卻塔供冷的冷卻塔出水溫度(一次冷源水供水溫度)如下確定。

        a.當(dāng)Δty>(tL2-tL1)時(shí),ty1=tL2-Δtx-Δty。

        b.當(dāng)Δty≤(tL2-tL1)時(shí),ty1=tL1-Δtx。

        c.tc1不應(yīng)小于5 ℃,當(dāng)tc1計(jì)算結(jié)果小于5 ℃,應(yīng)調(diào)整Δtx或Δty。

        其中,tL1為空調(diào)冷凍水最高供水溫度,℃;tL2為空調(diào)冷凍水最高回水溫度,℃;ty1為冷卻塔出水溫度。即冷源水最高供水溫度,℃;Δty為冬季冷卻水(冷源水)供回水溫差,℃。

        由于:

        Δty=3.58 ℃<5 ℃。

        冷卻塔提供的一次冷源水供水溫度為:

        ty1=tL1-Δtx=13-1.5=11.5 ℃。

        7)冷卻塔提供的一次冷源水回水溫度為:ty1+Δty=11.5+3.58=15.08 ℃。

        8)確定冬季冷卻塔運(yùn)行的臺數(shù)。

        根據(jù)冷卻塔供應(yīng)一次冷源水供水溫度11.5 ℃和冬季冷卻水溫差3.58 ℃,查文獻(xiàn)[5]中冷卻塔特性曲線,如圖2,圖3所示,冷卻塔特性曲線流量比50%的室外濕球溫度有最高值。

        此時(shí)的室外濕球溫度為tw=8.34 ℃,冷卻塔流量比為50%。因此冷卻塔的夏季名義流量為:1 440/50%=2 880 m3/h,冬季供冷需要運(yùn)行4臺冷卻塔。

        3 冷卻塔供冷注意事項(xiàng)

        1)冷卻塔供冷在板式換熱器選型時(shí),應(yīng)使其阻力接近冷水機(jī)組冷凝器的阻力,避免因冬季冷卻水管路阻力太小,冷卻水泵容易過載而燒毀電機(jī)。

        2)在北方,冷卻塔在冬季使用時(shí),室外冷卻水管應(yīng)進(jìn)行保溫處理,在冷卻塔集水盤上設(shè)置電加熱器,在室外冷卻水供回水管上設(shè)置電伴熱,供電負(fù)荷按消防負(fù)荷考慮。樓宇控制系統(tǒng)應(yīng)控制電加熱器及電伴熱的啟停,當(dāng)冷卻塔集水盤內(nèi)水溫低于5 ℃時(shí)開啟電加熱器,高于設(shè)計(jì)值ty1時(shí),關(guān)閉電加熱器。同時(shí)要確保在集水盤內(nèi)無水時(shí),電加熱器不能啟動。冷卻塔供回水管上應(yīng)設(shè)旁通管及溫控電動閥,以控制水溫在5 ℃以上。

        3)冷卻塔發(fā)生結(jié)冰的部位一般為溫度最低的進(jìn)風(fēng)口處和填料處,橫流塔內(nèi)大面積的填料暴露在進(jìn)風(fēng)口,在半干半濕狀態(tài)下比較容易凍結(jié)。引風(fēng)式逆流塔軸流風(fēng)機(jī)設(shè)在上部,除進(jìn)風(fēng)口處小面積不能被水流包圍外,填料基本上是被水流以一定速度包圍,所以逆流塔不宜結(jié)冰,故冷卻塔供冷時(shí)應(yīng)選擇逆流塔。

        4 結(jié)語

        本文通過數(shù)據(jù)中心能耗問題,分析了冷卻塔供冷的設(shè)計(jì)過程,為冷卻塔供冷時(shí)冷卻水泵和冷卻塔的開啟臺數(shù)及室外最高濕球溫度設(shè)計(jì)值的確定提供了設(shè)計(jì)依據(jù),為數(shù)據(jù)中心節(jié)能設(shè)計(jì)提供依據(jù)和參考,為冬季冷卻水供回水在5 ℃以上提出了有效措施。

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