摘要：介绍了数据中心工程项目冷源系统的需求和冷却塔的选择方法。强调冷却塔的选择应兼顾夏季端温度和冬季节能要求，同时应采用必要的措施应对冬季运行维护。为数据中心从业者选择冷却塔提供了设计依据和思路。

关键词：数据中心；冷却塔；端温度；冬季运行；自由冷却；

数据中心是为电子信息设备提供运行环境的场所，需要安装数据处理、数据传输和网络通讯等多种IT设备。数据中心业务中断对不同的行业会造成不同程度的影响，有可能导致重大经济损失，因而数据中心对其基础设施的可靠性要求较高。数据中心IT设备的正常有效运转，不仅依赖电气、网络等配套设施的稳定运行，也依赖空调系统不间断的可靠运行数据中心对制冷的需求与传统民用建筑不同，

具体表现为如下几个方面：
（1）数据中心内的IT设备全年运行，持续发热，因此数据中心需要全年制冷，即365天，每天24小时不中断。
（2）数据中心的冷负荷主要来自于IT设备发热，与室外环境和人员活动等因素关联不大。
（3）即使是短时间的制冷中断或制冷量不足，也有可能引起IT业务的故障，因此数据中心项目对制冷系统的可靠性要求更高。
（4）数据中心能耗较大，能源成本对整个项目的运行维护影响重大，需要采取必要的方式、方法尽可能降低能耗。

采用冷冻水作为空调冷源是大中型数据中心常见的冷源方式。冷却塔是水冷冷水机组系统的重要组件，在设备选型里不容忽略。但在实际设计案例中，很多从业者存在一定的误区，即按照传统民用建筑的需求来选择冷却塔，因此在实际运行过程中出现很多问题。本文将针对数据中心冷却塔的选型做出分析，为数据中心的设计者和建设者提供选型和分析方法。

2.1 应考虑端温度
不同于一般的民用建筑，数据中心要求全年制冷，制冷量不足可能会直接影响计算机设备的运行，引起数据丢失或设备故障，造成重大损失。因此，数据中心的空调系统应按端气象条件进行设计，确保空调系统在端条件下，可靠性不降低，仍然可以提供足够的冷量。
湿球温度是选择冷却塔的重要依据，以北京市为例，根据《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》（GB50736-2012）和美国采暖制冷与空调工程师学会（ASHRAE，American Society of Heating Refrigerating ａnd Air-conditioning Engineers 2008）公布的相关数据，该区域夏季端温度和常规设计温度对比见表1。

表1 空调设计温度与夏季端温度对比

采用湿球温度26.4℃作为冷却塔的设计条件，适用于普通民用建筑或一般工业厂房的设计，此类空调设计需要兼顾系统配置的技术要求和经济性能，允许存在一定的时间。正如《采暖通风与空气调节设计规范》（GB50019-2003）中所规定的：夏季空调室外计算干球温度，应采用历年平均50ｈ的干球温度。夏季空调室外计算湿球温度应采用历年平均50h的湿球温度。针对两种设计温度，冷却塔选型对比见表2。

表2 不同夏季湿球温度时冷却塔的选型对比

注：表中数据来自某设备厂商提供的技术资料和产品报价，仅供参考。

从表2可以看出，按端湿球温度选择的冷却塔，体积、配电功率、设备质量和价格都会高于传统选型。此外，按端温度选择冷却塔，冷却塔的出水的温度需要提高，对冷机选择也有很大影响。这是因为冷却塔出水温度和湿球温度的温差（冷却塔的逼近度）通常需要大于３℃，逼近度低于３℃，冷却塔的性能将难以，经济性也不合理。当湿球温度为３１℃（端温度）时，常规冷却塔的出水温度是无法达到３２℃的。总之，冷却塔一旦设计选择失误，可能会导致采购的设备无法满足需要，使数据中心运行处于不安全状态，即使未来更换冷却塔也会受到安装环境的限制，遇到很多困难。
2.2 应考虑节能预期

数据中心的能耗较高，应采用多种技术措施，降低能耗，降低ＰＵＥ，降低运行费用。自由冷却是空调设计中经常采用的一种节能手段，主要适用于冬季仍然需要制冷的场合。数据中心需要全年制冷，应尽可能地利用自由冷却技术，减少压缩机的运行时间，达到节能的目的。
采用冷却塔＋板式换热器的自由冷却系统，是数据中心空调系统常用的节能模式。这种方式的运行特点是冬季不运行冷水机组，由冷却塔提供冷源，通过板式换热器，为空调系统提供冷冻水。在这种系统中，冷却塔的选择对节能预期影响重大，主要是因为实现１００％自由冷却的设定点不同，全年可以利用自由冷却的时长就不同，冷却塔的选型也不同。以北京地区为例，全年湿球温度变化曲线如图１所示。

图1 北京湿球温度变化曲线

显然，100%自由冷却设置点不同，全年可利用的时长就会不同，节能预期也会不同。以一个1500kW工艺热负荷（IT发热量）数据中心为例，其制冷量估算为2250kW，冷却水循环量为500m³/h，电价按0.7元/kWh计，不同的自由冷却温度设定点对节能效果的影响如表3所示。为满足冬季工况，针对不同的温度设定点，冷却塔选型如表4所示，其中冷却塔流量为500m³/h，冷却水温度为10/15℃。

表3 不同自由冷却温度设定点对节能的影响

表4 不同冬季湿球温度时冷却塔的选型对比

注：表中数据来自某设备厂商提供的技术资料和产品报价，仅供参考。

PUE是数据中心的总能耗与IT设备能耗的比值，是目数据中心常用的节能评价指标，该数值越低，数据中心的能源利用率越好。显然，自由冷却开始的温度越高，自由冷却可能利用的时间就越长，能源利用率越理想。
从表３中可以看出，选择自由冷却温度设定点为-4℃和4℃时，年运行费用相差58万元/年，而设备投资仅相差37万元，回收期不到1年，性价比还是很高的。总之，自由冷却的湿球温度设定点越低，对节省初期投资越有利，湿球温度设定点越高，对节约能耗越有利。针对不同项目，应该详细进行技术经济综合分析，得出合适的自由冷却设置点。总之，冷却塔选择应同时满足夏季端工况的运行条件和冬季自由冷却设置点的运行条件。
2.3 应考虑冬季运行策略
数据中心需要全年制冷，冷却塔也需要全年使用。对于寒冷或者严寒地区，布置在室外的冷却塔，必须要有有效的技术手段才能防止冻结。对于数据中心项目，冷却塔是否采用了适当的防冻措施，能否确保冷却塔冬季安全运行，是冷源系统成败的关键。
根据笔者多年的技术分析和实践经验，针对新疆克拉玛依、内蒙鄂尔多斯和黑龙江黑河等严寒地区的工程项目，在设计中采用了多项技术措施，可以参考和借鉴，在其他项目中加以利用。具体技术措施如下：
（1）按照冷却塔供冷经验，为了确保冷却塔不会有冻结风险，冷却塔的出水温度不宜低于6℃。严寒地区冷却塔出水温度设计值建议提高到10℃左右，既能满足机房空调的需要，也高于设备规定的防冻运行温度。
（2）冷却塔采用变频风扇，寒冷气象条件下，可通过降低风扇转速，确保冷却塔出水温度在控制范围内，达到节能、减少循环水飘散量和防止冻结的功效。
（3）冷却水供回水管设有旁通管和电动控制阀，当冷却塔风机停止运行后，如果水温仍然低于设计值，可以打开此旁路，待水温升高后，再开启冷却塔。
（4）冷却塔与冷机一对一配备，冷却水泵工频运行，始终维持设计流量，确保冷却塔不会因为水流量过低引起冻结。
（5）数据中心的冷却塔通常有备用，冷却塔需要轮换运行。冬季，不运行的冷却塔一旦冻结，会影响下次使用。因此，建议设置冷却塔水池替代冷却塔集水盘，停止运行的冷却塔水流将全部汇集池内，水池设在冷冻站内，环境条件相对较好，不会发生冻结情况。冷却塔非运行工况时，屋面设备和管道处于干燥状态，也避免冻结的可能性。这种方案冷却塔冬季运行的可靠性，也可以节省传统的电伴热所需能耗。具体布置方案见图２所示。

图2 冷却塔系统示意

当然，冷却塔冬季运行对维护人员的要求较高，对设备品质的要求也较高，需要选择产品质量较好、在防冻方面经验较为丰富的设备供应商。如果增加一套干冷器，用于冬季自由冷却期间使用冬季不开启冷却塔，利用干冷器实现自由冷却，则效果会更佳，但投资会略有增加。

2.4 应考虑设备材质

数据中心工程项目对空调系统的可靠性要求较高，对空调系统各组件的技术要求也高于一般民用建筑。对于冷却塔来说，通常不建议选择玻璃钢材质，而是采用全钢结构的冷却塔，原因如下：
（1）全钢结构塔体的强度高，抗震性能较好，可以承担更大风载荷。数据中心要求在端气象条件下依然能够正常运行，包括在飓风条件下。
（2）全钢结构的冷却塔更有利于应对火灾风险。同传统民用建筑相比，数据中心冷量需求较大，冷却塔的数量也会较多，往往会集中设置在屋面或室外空地上。虽然数据中心设置了冗余设备，发生事故时，一套机组故障不会影响数据中心的运行。但是一旦发生可蔓延性的火灾，对数据中心无疑是毁灭性打击。玻璃钢材质的冷却塔耐火性能差，在燃烧中产生的浓烟含有剧毒物质，容易蔓延至周边塔体，造成事故扩大，不利于数据中心的安全。

数据中心项目的冷负荷特点与普通民用建筑不同，这就导致了数据中心系统要求、设备选择、设计思路等技术要求都与传统民用建筑有所区别。冷却塔的选型也是如此，必须要考虑夏季端温度，满足系统对可靠性的要求，同时还要兼顾节能要求，考虑冬季运行状况。对于严寒地区，还要考虑防冻措施，以应对冬季运行。
除数据中心工程项目外，如果在化工、电子、精密加工等其他行业，对制冷系统的可靠性、节能性也有类似需求，可参考数据中心冷却塔的选择和配置方法。

原创作者：江苏良一冷却设备有限公司