李佐洋 白雪蓮 任 飛 陳飛龍

（1.重慶大學(xué)土木工程學(xué)院 重慶 400045；2.重慶云投信息技術(shù)有限公司 重慶 400714）

0 引言

數(shù)據(jù)中心是高能耗設(shè)施，有研究推算，數(shù)據(jù)中心的全球用電量將從2010年的238 太瓦時/年增加到2030年的2967 太瓦時/年，占全球電力供應(yīng)的19%[1]。數(shù)據(jù)中心能耗主要由IT 設(shè)備能耗、空調(diào)系統(tǒng)能耗及其他輔助系統(tǒng)能耗構(gòu)成，一般的，IT 設(shè)備能耗和空調(diào)系統(tǒng)能耗分別占數(shù)據(jù)中心總能耗的45%和40%[2]，如何降低空調(diào)能耗是數(shù)據(jù)中心高效節(jié)能運(yùn)行的關(guān)鍵。

由于數(shù)據(jù)中心具有全年供冷的特點，所以在冬季或過渡季節(jié)利用自然冷卻能夠?qū)崿F(xiàn)良好的節(jié)能效果[3]。自然冷卻技術(shù)在數(shù)據(jù)中心的適用性與數(shù)據(jù)中心所在地的實際氣候特點息息相關(guān)，對于室外空氣濕球溫度較低的地區(qū)，冷卻塔完全可以滿足數(shù)據(jù)中心的冷卻要求[4]。Dong 等人采用開式冷卻塔對某數(shù)據(jù)中心進(jìn)行自然冷卻，節(jié)能率達(dá)到19.2%[5]。不過值得注意的是，數(shù)據(jù)中心冷卻塔自然冷卻技術(shù)能否最大程度地利用與系統(tǒng)形式、參數(shù)設(shè)定等眾多因素有關(guān)[6]，在實際應(yīng)用時需要充分考慮室外氣象條件和冷卻塔換熱能力的變化。本文針對重慶某數(shù)據(jù)中心，通過現(xiàn)場實測來研究冷卻塔在冬季的實際供冷能力，發(fā)現(xiàn)該技術(shù)應(yīng)用中現(xiàn)存的一些問題，為冷卻塔供冷的設(shè)計和運(yùn)行提供參考。

1 現(xiàn)場實測

1.1 工程概況

該數(shù)據(jù)中心位于重慶市，建筑包括機(jī)房樓和動力樓，總建筑面積20990.34m2，空調(diào)設(shè)計冷負(fù)荷12289kW。機(jī)房樓共設(shè)置10 個IT 機(jī)房模塊，共有機(jī)柜2098 個?？照{(diào)末端采用房間級空調(diào)的送風(fēng)方式，機(jī)柜按冷熱通道形式布置，冷凍水設(shè)計供、回水溫度為12/18℃。采用集中式水冷冷凍水空調(diào)系統(tǒng)，冷凍站有3 臺螺桿式冷水機(jī)組，4 臺離心式冷水機(jī)組，每臺冷水機(jī)組連接一臺板式換熱器，板換溫差為2℃，冷卻塔參數(shù)如表1 所示。

表1 冷卻塔相關(guān)參數(shù)Table 1 Relevant parameters of cooling tower

1.2 冷卻塔供冷系統(tǒng)形式

根據(jù)冷卻塔冷卻水循環(huán)管路與空調(diào)末端冷水循環(huán)管路是否連通分為冷卻塔直接供冷系統(tǒng)和冷卻塔間接供冷系統(tǒng)[7]。該數(shù)據(jù)中心采用的為開式冷卻塔加板式換熱器間接供冷的系統(tǒng)形式，運(yùn)行原理如圖1 所示。針對變化的室外環(huán)境條件，相應(yīng)的可以分為3 種運(yùn)行工況，不同工況的閥門開閉情況如表2 所示。

圖1 冷卻塔自然冷卻原理圖Fig.1 Free cooling principle of cooling towers

表2 不同工況閥門開閉情況Table 2 Valve opening and closing under different working conditions

1.3 測試方法

本次現(xiàn)場實測時間為2018年12月至2019年1月，測試工況包括機(jī)械制冷工況和與自然冷卻工況，測試內(nèi)容主要分為能耗測試以及空調(diào)系統(tǒng)參數(shù)測試。該數(shù)據(jù)中心自帶電力監(jiān)控系統(tǒng)和BA（Building Automation）系統(tǒng)。電力監(jiān)控系統(tǒng)可對數(shù)據(jù)中心各項能耗數(shù)據(jù)進(jìn)行逐時監(jiān)控。BA 系統(tǒng)可對空調(diào)系統(tǒng)各項參數(shù)以及室外空氣溫濕度進(jìn)行監(jiān)控。冷水機(jī)組冷卻水流量通過現(xiàn)場安裝超聲波流量計測得，相關(guān)測試儀器具體參數(shù)如表3 所示。

表3 測試儀器性能參數(shù)Table 3 Performance parameters of testing instruments

2 測試結(jié)果

2.1 冷卻塔供冷技術(shù)節(jié)能量分析

數(shù)據(jù)中心能耗主要包括IT 設(shè)備能耗、空調(diào)系統(tǒng)能耗及其他輔助系統(tǒng)能耗，其他輔助系統(tǒng)主要包括電力系統(tǒng)和照明，Pt可以用式（1）表示：

式中，Pt為數(shù)據(jù)中心總能耗，kWh；PIT為IT設(shè)備總能耗，kWh；PHVAC為空調(diào)系統(tǒng)總耗電量，kWh；PF為輔助系統(tǒng)總耗電量，kWh。

表4 統(tǒng)計了該數(shù)據(jù)中心在不同工況下的日能耗數(shù)據(jù)，其中機(jī)械制冷工況下的總能耗為99237kWh ， 而完全自然冷卻的總能耗為91247kWh，每天節(jié)能量為7990kWh。數(shù)據(jù)中心所需的制冷量絕大部分來自于IT 設(shè)備發(fā)熱量，可近似將IT 設(shè)備耗電量大小視為空調(diào)系統(tǒng)冷負(fù)荷，根據(jù)表4 中IT 設(shè)備能耗可計算得出自然冷卻前后的日累計冷負(fù)荷之差為0.013%，另外測試期間室外工況接近一致，可進(jìn)一步計算節(jié)能率為8.05%?？梢?，應(yīng)用冷卻塔供冷能夠有效地降低空調(diào)系統(tǒng)能耗。根據(jù)表5 的各設(shè)備功率數(shù)據(jù)可計算出，冷水機(jī)組在空調(diào)系統(tǒng)能耗為56%，占比最大，完全自然冷卻工況下冷水機(jī)組停用，達(dá)到很好的節(jié)能效果。

表4 相似日不同工況下數(shù)據(jù)中心能耗Table 4 Data center energy consumption under similar days and different working conditions

表5 機(jī)械制冷工況下空調(diào)系統(tǒng)各設(shè)備功率Table 5 Power of each equipment in air conditioning system under mechanical refrigeration condition

2.2 空調(diào)系統(tǒng)參數(shù)測試結(jié)果分析

圖2 表示了離心式系統(tǒng)應(yīng)用部分自然冷卻工況時板式換熱器兩側(cè)的進(jìn)出水溫度隨時間的變化趨勢?？梢?，冷卻塔出水溫度隨時間在不斷升高，甚至超過了冷凍水回水溫度，此時冷卻水不能對冷凍水回水進(jìn)行預(yù)冷，部分自然冷卻無法應(yīng)用。測試期間冷卻塔在各工況下提供的冷量以及相關(guān)空調(diào)參數(shù)如表6 所示?？梢姡耆匀焕鋮s工況下單套系統(tǒng)冷卻塔實際提供的冷量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其額定制冷量，螺桿式系統(tǒng)冷卻塔提供的冷量僅占額定制冷量的49.6%，離心式系統(tǒng)為42.6%，并且與機(jī)械制冷工況相比，單套系統(tǒng)冷卻塔所能提供的冷量也變小，需要增開系統(tǒng)數(shù)量才能保證末端需求。可見，冷卻塔在冬季存在供冷能力不足問題。

圖2 部分自然冷卻工況下板式換熱器兩側(cè)流體溫度Fig.2 Fluid temperature on both sides of plate heat exchanger under partial free cooling conditions

表6 各工況下的冷卻塔實際提供冷量及相關(guān)空調(diào)參數(shù)Table 6 Actual cooling capacity provided by cooling tower s and related air conditioning parameters under different condition

續(xù)表6 各工況下的冷卻塔實際提供冷量及相關(guān)空調(diào)參數(shù)

3 討論

3.1 冷卻塔冬夏供冷能力分析

該數(shù)據(jù)中心冷卻塔均按夏季工況所選型，而冷卻塔供冷往往是在冬季使用，這導(dǎo)致了冬季冷卻塔的供冷能力不足。如圖3 所示，A1（溫度6℃，濕球溫度2.9℃），W1（溫度11℃）代表冬季完全自然冷卻設(shè)計工況點；A2（溫度27℃，濕球溫度21.1℃），W2（溫度32℃）代表夏季機(jī)械制冷工況設(shè)計工況點，A1、W1 之間的溫差與A2、W2 之間溫差相同，冷卻塔在兩種工況下的對流傳熱量相等，但W2、A2 的水蒸氣分壓力之差明顯大于W1、A1 的水蒸氣分壓力之差（即ΔP2>ΔP1），導(dǎo)致冬季冷卻塔的蒸發(fā)傳熱量低于夏季，最終導(dǎo)致冷卻塔散熱量變小。當(dāng)冬季應(yīng)用機(jī)械制冷工況時，可通過提高冷卻塔出水溫度的方式增大冷卻塔散熱量（見圖3 中W1’點）。

圖3 冷卻塔冬夏季蒸發(fā)散熱水蒸氣分壓力差對比Fig.3 The differential pressure of water vapor under cooling tower evaporative cooling

3.2 改進(jìn)技術(shù)措施

冷卻塔的散熱過程實質(zhì)上就是空氣和水的熱濕傳遞過程，文獻(xiàn)[10]利用前蘇聯(lián)學(xué)者提出的四變量模型，通過MATLAB 編程計算求解得到冷卻塔熱濕傳遞模型，并利用相對冷卻量β（見式（2））評價冷卻塔實際冷卻能力接近額定工況的程度。

式中，β為冷卻塔的相對冷卻量，%；Q1為冷卻塔額定工況條件下的制冷量，kW；Q為冷卻塔實際工況條件下的制冷量，kW。

圖4 為筆者利用冷卻塔熱濕傳遞模型，得到冷卻塔進(jìn)口水溫為18℃，室外空氣濕球溫度分別為7、9、11℃時，冷卻塔的相對冷卻量β隨水氣比μ的變化曲線，其中水氣比μ的定義式見式（3）。

圖4 冷卻塔相對冷卻量與水氣比的關(guān)系Fig.4 Relationship of cooling tower relative cooling capacity and its water air ratio

式中，μ為進(jìn)入冷卻塔的循環(huán)水和干空氣的質(zhì)量比；W為冷卻塔循環(huán)水的質(zhì)量流量，kg/s；G為進(jìn)入冷卻塔干空氣的質(zhì)量流量，kg/s。

測試期間室外空氣濕球溫度與7℃最為接近，選擇圖4 中Twb=7℃曲線，可得到離心式系統(tǒng)和螺桿式系統(tǒng)冷卻塔在應(yīng)用完全自然冷卻工況時的最大制冷量分別為2018kW 和975kW，計算結(jié)果見表7。

表7 冷卻塔冬季供冷能力與額定制冷量對比Table 7 Comparison between cooling capacity and rated cooling capacity of cooling tower in winter

根據(jù)計算結(jié)果，冬季冷卻塔應(yīng)用完全自然冷卻工況時的最大制冷量僅為額定制冷量的50%左右，冷卻塔在冬季存在著供冷能力不足的問題，解決該問題有兩條思路：其一是在運(yùn)行時可以通過加開系統(tǒng)設(shè)備數(shù)量，但這樣會帶來額外的輸配系統(tǒng)能耗，削弱節(jié)能效果。其二是在設(shè)計時避免該問題，確定系統(tǒng)供冷量后，對冷卻塔按照冬季自然冷卻工況選型，同時對夏季極端濕球溫度進(jìn)行校核，但這樣會帶來整個系統(tǒng)初投資的增加；另外IT 設(shè)備一般是逐步上架，大部分?jǐn)?shù)據(jù)中心在長時間內(nèi)都有空閑設(shè)備，故在管網(wǎng)設(shè)計時可以考慮“一機(jī)多塔”的形式，即一臺冷水機(jī)組連接多組冷卻塔，這樣可以充分利用冗余的設(shè)備來進(jìn)行自然冷卻。

4 結(jié)論

筆者針對重慶某數(shù)據(jù)中心，通過現(xiàn)場實測來研究冷卻塔在冬季的實際供冷能力，量化了冷卻塔供冷技術(shù)在該數(shù)據(jù)中心的節(jié)能效果，分析了該技術(shù)在應(yīng)用中存在的問題并提出了相應(yīng)的改進(jìn)措施，結(jié)論如下：

（1）通過對重慶某數(shù)據(jù)中心的實測發(fā)現(xiàn)，對比機(jī)械制冷工況，完全自然冷卻工況下一天的總節(jié)能量為7990kWh，節(jié)能率為8.05%。

（2）冷卻塔在冬季存在供冷能力不足問題，應(yīng)用完全自然冷卻時其最大制冷量僅為額定制冷量的50%左右，需要額外增開系統(tǒng)數(shù)量來保證末端需求。

（3）針對冬季冷卻塔供冷能力不足的問題提出：在運(yùn)行方面加開系統(tǒng)設(shè)備數(shù)量來滿足末端要求，在設(shè)計方面對冷卻塔按照冬季自然冷卻工況選型并對夏季極端濕球溫度進(jìn)行校核。