电子信息系统机房项目冷却水系统设计

1、电子信息系统机房项目冷却水系统设计摘要：电子信息系统机房（数据中心）项目需要常年制冷，并且冷量变化不大，冷冻水系统、冷却水系统是保证机房连续供冷的两个关键环节。为了节约能源，当制冷系统采用水冷冷冻水机组+自由冷却系统时，有制冷、预冷、自由冷却三种运行模式。此系统中冷却塔设计参数的选择有一定特殊性。关键词：冷却塔，自由冷却， 运行模式， 补水可靠性 概述在现代科学技术高度发展的社会里，计算机越来越广泛地应用于各个领域。计算机系统只有可靠的运行，才能发挥其效益，而计算机的可靠运行，需要一个比较严格的物理环境。如供电、配电、温度、湿度、洁净度等，这样就需要有一个现代化的机房系统满足计算机对环境的要求

2、。各种类型的互联网数据中心（IDC，Internet Data Center），企业数据中心，灾备中心（或称灾备恢复中心，BRC，business recovery center）等都属于电子信息系统机房（数据中心），在国民经济及人们的日常生活中，越来越发挥其重大作用。在电子信息系统机房项目中，温度要求恒定，常年需要使用制冷设备，冷却水系统设计和冷却塔设计有一定特点。1. 电子信息系统机房（数据中心）项目制冷特点及节能需求1.1电子信息系统机房项目发热及制冷特点。电子信息系统机房项目的发热主要来源于机房内的服务器、网络设备等IT设备在运行过程中散发的热量，以及变电所、配电室、UPS电池室等电气

3、设备运行过程中散发的热量。这些设备发热的特点是设备集中，发热量大，连续运行，并且一年四季发热量基本保持恒定。要保持机房内和电气房间内的空气温度在一定的范围内，这就需要大量的冷风将热量带走。数据中心一般采用机房专用空调，这是考虑到IT设备的特点，在相同制冷量的基础上，风量远大于舒适性空调，能够迅速、有效地带走IT设备散发的热量。由于IT设备和电气设备一年四季发热量基本保持恒定，使得数据中心项目对制冷量的需求一年四季也基本保持恒定，制冷系统需要常年稳定运行。1.2机房冷通道、热通道的设置与节能。由于整个制冷系统需要常年运行，如何节能显得尤为重要。在工艺设备布置上，当机柜内的设备为前进风/后出风方式

4、冷却时，机柜采用面对面、背对背的布置方式。机柜面对面布置形成冷风通道，背对背布置形成热风通道，配合合理布置送回风口取得合理气流组织，提高空调设备的使用效率，能够降低空调设备的功耗。冷通道内温度可以设置为1827，相应热通道温度可以设置为2938，此运行工况完全能够保证机柜正常运行，且提高了回风温度后，可以提高末端空调水-空气侧换热效率。冷、热通道的分隔，使得制冷系统可以采用中温冷冻水供冷，这样便提高冷冻机效率，整个制冷系统实现节能运行。中温冷冻水常采用供水温度1213，回水温度1718，根据具体项目不同技术参数要求。合理选择中温冷冻水供回水温度，与冷冻机相匹配，可以节能。一般是采用温差为6的大

5、温差供回水，这样可以减小循环水量，缩小管道直径。2. 冷却水系统设计2.1冷却塔自由冷却的使用与节能由于数据中心项目的机房可以采用中温冷冻水，这就使得利用冷却塔冬季自由冷却以及过渡季节部分自由冷却有一定的可实施性及方便性。当采用闭式冷却塔时，冬季可以替换冷冻机，直接供机房中温冷冻水。当采用开式冷却塔时，冬季利用冷却塔的低温出水，采用板式换热器换热，制备中温冷冻水，冷冻机可以完全不开，系统节能。过渡季节采用预冷模式，冷冻机部分负荷运行，降低能耗。2.2冷却水系统运行模式数据中心项目常用制冷方案有多种，采用水冷冷冻水机组+自由冷却系统是比较节能的方案之一。本方案组成设备包含：水冷冷水机组（冷冻机）

6、、冷却水泵、冷却塔、板式换热器、冷冻水泵、定压补水装置、加药装置、蓄冷水罐、末端空调机组等。此系统运行模式：运行模式一：制冷模式。夏季及过渡季，当冷却塔出水温度大于设定温度时，为正常制冷模式。冷却塔出水供冷冻机用冷却水，冷冻机工作，系统电能消耗最大。运行模式二：预冷模式。过渡季及冬季，当冷却塔出水温度降低到一定温度时（一般比冷冻水回水温度低1.5），就可以使用预冷模式。此模式下，冷却塔出水经过板式换热器与冷冻水回水先进行热交换后再进入冷冻机，供冷冻机用冷却水。冷冻机另外一侧，经过板式换热器降低一定温度的冷冻水回水，进入冷冻机，制备冷冻水。此模式下，板式换热器工作，冷冻机也工作，但冷冻机承担的负

7、荷仅为30%70%，可减少电能消耗。运行模式三：自由冷却模式。冬季，当冷却塔出水温度低于空调系统需要的冷冻水供水温度1.5左右时，就可以进入自由冷却模式。冷却塔低温出水经过板式换热器与冷冻水回水进行热交换，直接制备冷冻水。此时，冷冻机完全停止工作，只有冷却塔和循环水泵等在工作，系统大幅度减少电能消耗。2.3冷却塔选型设计参数当采用水冷冷冻水机组+自由冷却系统时，冷却塔参数的正确选择，运行的稳定性，也成为整个冷却水系统稳定运行和节能的重要因素。一般其他类型项目是冬季需要的冷量小，夏季需要的冷量大，在冷却塔选型时，按照夏季运行工况选择，冬季是能够满足要求的。在水冷冷冻水机组+自由冷却系统中，冷却塔

8、运行有夏季工况和冬季自由冷却两种工况，需要按照两种工况进行选择及校核。以北京地区某项目为例，对冷却塔夏季与冬季运行参数进行比较如下：运行工况循环冷却水量出水温度进水温度设计湿球温度夏季500m3/h333829冬季425m3/h10.515.56.5备注：夏季冷却塔的散热量为冷冻机的制冷量与冷冻机输入功率之和，冬季自由冷却塔模式下冷却塔的散热量仅为制备冷冻水的制冷量，故夏季冷却塔循环冷却水量大于冬季循环冷却水量。结合以上各项参数，对冷却塔冬季与夏季各个参数的选择加以说明：夏季冷却塔循环水量：冷冻机制备冷冻水需要的冷量加上冷冻机输入功率，折算的循环水量。夏季冷却塔出水温度：结合冷冻机选型工况确定

9、，与当地湿球也有关系。冷却塔出水温度与湿球温度之差越大，冷却塔降温越容易，选择的塔型越小。夏季冷却塔进水温度：结合冷冻机选型工况确定，一般进水、出水温差为56。夏季设计湿球温度：根据当地气象参数以及冷却塔 冷却效果保证率确定。冬季冷却塔循环水量：冷冻机不工作情况下，仅为制备冷冻水需要的冷量折算的循环水量。冬季冷却塔出水温度：结合冷冻水供水温度确定。有自由冷却需求的系统中，采用板式换热器换热时，一般比冷冻水供水温度低1.52。冬季冷却塔进水温度：结合出水温度确定，一般进水、出水温差为56。冬季设计湿球温度：根据当地气象参数设计选定的计算温度。2.4设计湿球温度和冷却塔出水温度之间的关系。湿球温度

10、代表在某一地点某一时间，水通过蒸发所能达到的最低温度。即水在冷却塔中可能被冷却到的最低温度，也就是冷却塔出水温度的最低极限值。冷却塔出水温度实际上不能等于或低于湿球温度，一般情况下冷却塔出水温度需高于湿球温度3以上，即逼近度（Approach Temperature，指冷却水塔出水温度与外气湿球温度之差值）大于3。逼近度越小冷却塔出水温度越难达到。2.5冷却塔冬季设计湿球温度的选择。电子信息系统机房项目采用水冷冷冻水机组+自由冷却系统，冬季冷却塔设计湿球温度的选择是比较关键的参数。确定这个湿球温度的意义在于，达到这个湿球温度和低于这个湿球温度时，系统就能够自由冷却。冬季能够使用自由冷却的天数越

11、多，节约的电能就越多。但是在需要冷量不变情况下，湿球温度定的高，与冷却塔出水温度之间差值越小，即逼近度越小，冷却塔选型就会大，初次投资就会增加。相反湿球温度定的低，冷却塔塔型就会小些，冬季能够达到天数就少，能够使用自由冷却的天数就少，节约电能的天数就少。所以冬季湿球温度的选择，需要根据当地气象参数，结合具体项目冷冻水需要水温情况、项目初次投资和运行费用预期等具体情况分析确定。电子信息系统机房项目，冷却塔冬季运行出水温度是结合冷冻水供水温度确定的，一般比冷冻水供水温度低1.52。冬季冷却塔设计采用的湿球温度比需要的冷却塔出水温度低45左右，这样既能控制初次设备投资又能做到节约日后运行费用。2.6

12、冷却塔冬季和夏季运行参数的校核一般情况下，有自由冷却要求的冷却水系统，应按照冬季冷却塔运行参数选塔，再对夏季运行工况进行校核。在满足冷却塔出水温度、进水温度和夏季湿球温度情况下，该塔制冷能力有很大富裕量，有时富裕量能高达80100%。因此有自由冷却需求的系统中冬季才是冷却塔选型的主要工况。2.7冷却塔塔型选择由于电子信息系统机房项目冷却塔是按照冬季工况选型，在塔型选择上，最好选用小塔型，多台组合使用，并且变频控制风机转速。比如按照冬季运行工况选择两台或是三台冷却塔并联使用对应一台冷冻机，在夏季可以变频控制风机运行或是在适当时候停止一台冷却塔风机，既能满足夏季运行工况，又能减少电能消耗。冬季当湿

13、球温度比较低时，在保证冷却塔出水温度满足使用要求的情况下，风机也可以变频运行甚至在温度比较低时停止一台风机运行。3. 冷却水系统补水可靠性3.1可靠补水的需求电子信息系统机房的规模和重要性差异较大，有几万平方米的机房，也有几十平方米的机房。一万平方米的机房，冷却水循环系统水量每小时约为60008000吨。当采用开式冷却塔时，冷却塔补水量大约为每小时100吨。由于机房环境要求冷却水供应系统不能间断，冷却塔补水虽然可以短时间间断，但也需要考虑冷却塔补水可靠性问题。电子信息系统机房项目，市政最好能有双路供水或有条件的设置自备井作为备用供水源。3.2补水池的设置一般电子信息系统机房项目的都会考虑设置补

14、水池，贮存冷冻水系统补水、冷却塔用补水等生产用水。补水池容积需要根据机房重要性及该地区市政供水情况来确定，一般可采用812小时的补水量。对于重要性和等级比较高的机房项目以及经常发生断水情况的地区，水池容积最好不小于24小时补水量。4. 其他问题开式冷却塔冬季使用时进风口处结冰现象是经常发生的，结冰会影响到进风量，从而影响冷却效率。如何避免或是尽量减少结冰，是冷却塔厂商需要解决的技术问题。一般电子信息系统机房项目要求有备用机组，冷却塔也需要与冷冻机对应设置备用机，并且为热备，要求能够随时启动，立刻投入运行。为保证冬季备用冷却塔能够随时启动，塔盘需要有水，北方地区就需要设置塔盘电加热棒，管道也需要

15、设置保温电伴热系统。总结在水冷冷冻水机组+自由冷却系统中，冷却塔设计应以冬季工况为控制参数。冬季设计湿球温度比需要的冷却塔出水温度低4左右，既能控制初次设备投资，又可以节约后期运行费用。水冷冷冻水机组+自由冷却系统运行模式可以靠冷却塔出水温度控制，设冷却塔出水温度为T，冷冻水系统供水温度为t1，冷冻水系统回水温度为t2。当T（t2-1.5）时，系统为制冷模式运行。当（t1-1.5）T（t2-1.5），系统为预冷模式运行。当T（t1-1.5）时，系统进入自由冷却模式运行。通过监测冷却塔出水温度，选用适当的运行模式，可以节约运行能耗。由于时间仓促和个人能力有限，不妥之处还望请各位同行批评指教。参考文献1.电子信息系统机房设计规范GB50174-2008作者1王满 通讯地址 ：1008