冷冻水系统中冷却塔配置对数据中心能效的影响
引 言
通过冷却塔向大气散热的冷冻水空调系统是目前大型数据中心最常见的制冷形式，其包括冷冻水和冷却水两个水系统。其中冷却塔的作用是利用冷却水的蒸发散热和对流散热以水潜热或显热的形式将数据中心产生的热量传递到大气中，是空调系统热传递的最终环节。一方面，在设计或实际运行中冷却塔配置越多，理论上可以得到更低的冷却水温度，从而提高冷水机组COP、增加（半）自然冷却时间，降低数据中心全年能耗（PUE）；另一方面，更多的冷却塔需要占有更大的面积，冷却塔风机、冬季防冻也需消耗更多的能源，并且对系统水耗指标（WUE）也会产生影响。
本文从北京地区某数据中心2022年实际的运行数据出发，并通过建立计算模型分析冷却塔配置对数据中心PUE和WUE的影响，解释运行数据，以求对设计阶段中冷却塔配置冗余量和实际运行冷却塔运行策略给出建议。
1.冷却塔影响能耗的因素
冷却塔对能耗的影响可以分为两个方面：一是冷却塔自身能耗，主要是冷却塔风机耗能、冬季防冻耗能，二是冷却塔之外的其他能耗，包括冷水机组、水泵、末端精密空调及其他附属设施。
1.1 冷却塔风机耗能
根据风机气动力学原理，对于已定的风机和输送介质，其功率与转速的三次方成正比（风机效率认为基本不变），即：
式中：
N0，n0——风机额定状态下的功率，转速；
N，n——风机实际状态下的功率，转速。
1.2 冬季防冻耗能
为防止冬季极寒天气冷却水系统结冰，北方地区冬季室外使用的冷却塔集水盘及冷却水管路通常配置电加热防冻。其耗能受塔体结构、管路长度、电加热形式、保温情况、室外气候条件等多种因素影响。
1.3 冷却塔之外的其他能耗
冷却塔自身能耗只占数据中心制冷能耗的一小部分，冷却塔之外的其他设备包括冷水机组、冷却水泵、冷冻水泵、末端精密空调及其他制冷附属设施等占制冷系统能耗的绝大部分。但冷却塔对其他能耗的影响其实都是通过影响冷却水水温实现的。在设计和运行过程中如果不改变水系统的供回水温差，那么在负荷一定时其水流量也是确定的，不同的冷却塔配置冗余量最主要的影响是冷却塔下塔水温。
冷却塔配置越多，冷却水与空气的换热接触面积越大，冷却塔下塔水温越低。通常每降低一度，冷水机组制冷效率COP可以提高约2.5~3%左右，并且全年可以增约200小时左右的（半）自然冷却时间（根据北京地区2022年实际气象数据统计），节能效果明显。
但是另一方面，在冬季严寒季节冷却塔通常散热能力“过剩”，配置或运行更多的冷却塔降低下塔温度意义并不显著，还要考虑防冻措施；在夏季极热天气，室外干球温度接近或高于冷却水上塔温度，此时增加冷却塔运行数量，冷却水下塔温度降低程度也会减小，并且冷却塔散热过程中传导散热占比减小甚至是“负收益”，即需要蒸发消耗更多的水冷却室外空气，系统水耗增加。这两种状态下如何配置和运行冷却塔，增大冷却塔运行数量的“收益”到底如何需要进行更细致的论证。
2.实际运行数据
北京市某个采用上述传统冷冻水空调系统的数据中心（以下简称样本项目），共设置有8组冷却塔及对应的冷水机组、板式换热器、水泵等空调设备，冷却水系统共用环管，业务相对稳定负荷波动较小，冷却水供回水温差维持在5℃。为降低数据中心全年PUE，冷却塔通常8台全部启用运行。因冷却塔的维护检修需要，2022年在部分时间停用1组或2组冷却塔，全年的逐时能耗均有记录，本节对其记录数据进行分析，比较在不同冷却塔开启数量下PUE的变化情况。
2.1 夏季模式
6、7、8三月运行模式为夏季模式，即板式换热器退出运行、冷冻水与冷却水的热传递全部由冷水机组承担，样本项目在2022年6、7、8月份因维护需要部分时间只开启7台冷却塔。计算统计对比不同湿球温度下的平均PUE数值，统计汇总整理为图表并添加趋势线如下：（为了减小干球温度和阴雨天气对数据对比有效性的干扰，因北京地区夏季相对湿度较高，故选取相对湿度在40%~70%的数据，有效小时数据共计627组）。
图1：北京某数据中心夏季冷塔开启台数与PUE
由图1可以看出，在湿球温度较小时，开启8台冷却塔时的PUE明显优于开启7台冷却塔，但随着室外湿球温度的升高，其优势逐渐减小，换言之，高湿球温度环境下配置冗余冷却塔的收益逐渐减小。
2.2 冬季模式
12、1月运行模式为冬季模式，即冷水机组退出运行、冷冻水与冷却水的热传递全部由板式换热器承担，样本项目在2022年1月和12月因维护需要部分时间只开启7或6台冷却塔。计算统计对比不同湿球温度下的平均PUE数值，统计汇总整理为图表并添加趋势线如下：（为了减小干球温度和阴雨天气对数据对比有效性的干扰，因北京地区冬季相对湿度较低，故选取相对湿度在在20%~50%的数据，有效小时数据共计829组）。
图2：北京某数据中心冬季冷塔开启台数与PUE
由图2可见不同冷却塔开启数量对应的PUE无明显的高低关系，即冷却塔开启数量对PUE并无明显影响。并且随着室外温度的升高，PUE反而呈现整体下降趋势，这是因为冬季温度较低时需开启防冻电加热，防冻能耗上升。冷却水温度因为不可能降低到0℃（冰点）以下，当室外温度较低时室外冷源丰富，只需开启一部分冷却塔使得冷却水温度降低到稍高于冰点，并适当加大冷却水供回水温差以节省冷却水泵运行能耗即可。换言之，此时冷却塔冷却能力“溢出”，开启更多的冷却塔并无收益反而会增大防冻的能耗。
3.理论分析
3.1 冷却塔配置冗余与逼近度
逼近度是指冷却塔下塔水温与室外环境湿球温度的差值，表征冷却塔的冷却能力。逼近度越小，说明冷却水下塔水温越接近湿球温度（普通冷却塔的极限冷却温度），冷却塔冷却能力越强。显然，对于一定的冷却水循环水量，冷却塔配置冗余量越大，空气与水的接触面积越大，相应的逼近度也就越低。参见某型号的冷却塔在不同冗余配置下，测得的逼近度与湿球温度的对应关系，见图3所示。
图3：某型号冷却塔配置冗余与逼近度
由图3可见冷却塔配置数量越多，逼近度越小，但增大冷却塔的收益会随着冷却塔的已配置量逐渐减弱。
根据热力学热量守恒定律，冷却塔内的热量关系为：
冷却水散热量Q循环水 = 蒸发吸热量Q蒸发 + 流经冷却塔的空气吸热量Q空气
冷却水在冷却塔循环过程中总是散热的，其散热量Q循环水取决于室内的冷负荷和制冷系统的制冷效率。水蒸发吸热量Q蒸发随着冷却塔配置数量的增加而作用增强，对于散热过程是有益的。但对于流经冷却塔的空气吸热量Q空气，随着室外温度的升高，在整个热交换过程中吸热量逐渐减小，甚至当空气温度高于冷却水温度时会由吸热变为散热过程，即此时对循环冷却水散热来说与室外空气的导热是不利的。
每增大20%冷却塔配置，逼近度减小值计算如下表：
表1：某型号冷却塔冗余配置每增大20%的逼近度变化表
可见增大冷却塔配置带来的冷却水下塔温度降低幅度，随着湿球温度的升高而降低，随着冷却塔的已配置冗余数量而降低，所以在设计和运行当中，需要设计者或运行人员考虑最优的配置比例，实现最优的综合效果。
3.2 冷却塔出水温度对冷水机组能耗的影响
在数据中心的能耗中，空调制冷系统能耗占比最大，以样本项目2022年全年的实际运行数据，全年PUE约为1.29，其中制冷系统消耗的能耗占基础设施总能耗的57.1%，而制冷系统主要耗能设备为冷水机组、末端精密空调、冷却水泵、冷冻水泵、冷却塔、防冻、恒湿设备等，占制冷系统耗能的比例以此为32.5%、30.2%、13.7%、10.1%、12.2%、0.2%、1.1%，而受冷却塔配置冗余（冷却水下塔温度）影响的是冷水机组和冷却塔及防冻等能耗。
1）冷水机组能耗与下塔水温的关系
冷水机组内制冷剂制冷过程是一个逆卡诺循环，蒸发温度和冷凝温度是影响冷水机组效率的两个重要因素，在保证机组安全正常运行的前提下蒸发温度越高、冷凝温度越低其制冷效率越高。而蒸发温度和冷凝温度又分别受到冷冻水温度、冷却水温度的直接影响。在实际运行中，冷冻水温度（决定蒸发温度）受室内温湿度要求和客户SLA的制约通常无法大幅度调整，所以降低冷却水温度是提高冷水机组制冷效率的有效途径。
以样本项目实际使用的制冷量1300RT的某品牌冷水机组为例，见图四。由图可见冷水机组COP随冷却水供水温度的升高而降低，因而冷却塔冗余配置降低冷却水温度对于冷水机组节能有着现实意义。在一定冷却水范围内（冷水机组厂家要求的最低安全温度以上，当然对于设置板式换热器的数据中心空调系统来说，冷却水温度降低时应切换为板式换热器负担部分或全部冷负荷），每降低1℃的冷却水供水温度，冷水机组COP可提高3%（负载率为100%时）、4%~5%（负载率为50%时），节能效果显著。
另一方面，冷水机组COP在系统负载率40~60%区间时最高，所以在末端冷负荷一定的情况下，尽可能的调节冷水机组的运行台数，使冷水机组负载率均衡并控制在40%~60%高效运行区间，可有效降低冷水机组设备能耗，当然也需要综合考量系统架构评估冷冻水泵和冷却水泵的运行状态和变频运行能力。
图4 某型号冷水机组COP随冷却水供水温度变化
3.3 建立数据模型与量化计算
通过上述冷却塔和冷却机组的性能参数，可以建立计算模型定量化分析冷却塔配置冗余对数据中心PUE的影响。
以样本项目所采用的冷却塔、冷水机组性能参数为基础条件，IT冷负荷10000kW，总冷负荷（IT+围护结构等其他负荷）为11500kW，冷冻水供回水温度全年设定为13/18℃，板式换热器换热温差为2℃，冷却水温差为5℃，冷却水泵效率假定为80%、扬程设定为30m，冷水机组均在60%负载率条件下运行，基准条件下冷却塔功率为30kW×7组=210kW，计算结果如下：
4.实际运行数据和理论分析的对比
由上述分析可见：
1）过渡季模式：在过渡季模式（湿球温度6-13℃左右，温度范围取决于冷冻水温度和板式换热器换热温差），增加冷却塔运行数量，可以有效降低冷却水下塔温度，增加（半）自然冷却运行时间，节能效果明显。
2）夏季模式：夏季模式（湿球温度大于13℃时，温度范围同样取决于冷冻水温度和板式换热器换热温差）下，适当增大冷却塔配置也可降低冷却水温度，提高冷水机组能效，但同时由于增大了冷却塔的风机能耗，当冷却塔已经有一定的冗余配置时，此时增加冷塔数量带来的冷却水温度降低不明显，甚至不能抵消冷却塔增加的能耗，尤其是在高湿球温度时，逼近度在基准配置下已经在3~4℃左右，增大冷却塔带来的冷却水温度降低收益很小，但是冷却塔能耗却增加明显。这与2.1节中实际的运行数据是一致的。
3）冬季模式：由于防冻能耗与管路布置、冷塔结构等因素关系很大，计算模型并为计算比较冬季模式下能耗数据。但是可以定性的进行分析：此时如果不改变冷冻水温度、冷却水供回水温差、冷却塔风机转速，增大冷却塔配置没有任何收益，反而提高了防冻能耗和维护工作量。当然需要指出的是，在室外温度较低时，在避免室外管路冻结、室内结露等前提下适当的降低冷冻水温度，可有效降低末端精密空调的能耗，末端精密空调能耗在PUE占比较大，可有效降低总能耗。并且改变冷却水供回水温差、冷却塔风机转速都可以有效降低冷却水泵、冷却塔的能耗。参照2.2节冬季模式的实际运行数据，此时冷却塔配置数量增大一方面增大了防冻能耗，另一方面也通过降低冷却塔风机转速有效降低了冷却塔能耗，需要运行中分辨主次要矛盾，选择最优的开启策略。
5.结 语
数据中心常用的冷冻水空调系统由较多的设备和部件组成，热量传递和转换的环节较多，冷却塔作为其中的一环，其设计和运行策略对整个系统有较大的影响。科学合理的制定冷却塔设计和运行策略，可有效降低数据中心的能耗。
上述的数据和计算分析，建立在一定的条件之下，不同的冷却塔基准配置量、冷却塔性能、冷水机组性能、负载率和制冷系统架构等条件，也会有一定的差异。
本文标题：冷冻水系统中冷却塔配置对数据中心能效的影响
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