【HVAC】严寒地区数据中心冷却塔供冷空调系统不同模式下的节能分析

1　项目概况

　　该数据中心位于内蒙古呼和浩特市，地上4层，建筑面积18 392 m²，空调设计容量21 096 kW。采用集中式水冷冷水空调系统，末端采用冷水型恒温恒湿机房专用空调机组，制冷主机采用水冷离心式冷水机组。数据中心机房冬夏季室内空调设计温度均为（22±3）℃，相对湿度均为35％～75％。冷水供、回水温度为14 ℃/20 ℃。呼和浩特地区室外设计计算参数如表1所示，空调系统主要设备参数如表2所示，呼和浩特市全年室外空气湿球温度分布如图1所示。

表1　室外设计计算参数

表2　空调系统主要设备参数

图1　呼和浩特市全年室外空气湿球温度分布

2　冷却塔供冷系统工作原理

　　冷却塔供冷技术是指在冬季及过渡季节利用自然冷源通过冷却塔直接或间接向空调末端提供冷量。根据冷却塔冷却水循环管路与空调末端冷水循环管路是否连通分为冷却塔直接供冷系统和冷却塔间接供冷系统。该工程采用冷却塔间接供冷技术，在冬季采用冷却塔免费供冷模式，过渡季采用冷却塔预冷模式，夏季采用常规制冷模式。冷却塔间接供冷系统原理如图2所示，3种不同模式之间切换的条件如下。

图2　冷却塔间接供冷系统原理图

　　1）冬季冷却塔免费供冷模式：当冷却塔出水温度低于或等于12.5 ℃时，关闭制冷压缩机，利用冷却塔通过板式换热器向空调末端提供冷量，此时阀门V2，V3，V5，V8打开，阀门V1，V4，V6，V7关闭。

　　2）过渡季节冷却塔预冷模式：当冷却塔出水温度高于12.5 ℃且低于或等于18.5 ℃时，利用冷却塔冷却水供水通过板式换热器对空调冷水回水进行预冷处理，充分利用自然冷源，提高制冷主机的制冷效率，降低制冷主机的能耗，此时阀门V3，V4，V5，V6打开，阀门V1，V2，V7关闭，阀门V8用于旁通调节控制水温。

　　3）夏季常规制冷模式：当冷却塔出水温度高于18.5 ℃时，利用冷水机组向空调末端提供冷量，此时阀门V1，V4，V6，V7打开，阀门V2，V3，V5，V8关闭。

3　冷却塔供冷系统冬夏季冷却水同温差和同流量控制

　　数据中心机房冬夏季的通信负荷基本保持不变，由于冬季采用冷却塔供冷系统时关闭制冷压缩机，冬季冷却塔的冷却负荷相比夏季时会有所降低。因此，在冬季采用冷却塔供冷系统时需要对冷却塔的供回水温差或者冷却水流量进行相应调整。工程中常采用2种调整方式：一种为冬夏季同温差模式，即冬季工况冷却塔供回水温差与夏季工况保持一致，减小循环冷却水流量；另一种为冬夏季同流量模式，即冬季工况下冷却水循环流量与夏季工况保持一致，减小冷却塔供回水温差。水泵变速调节时的性能曲线如图3所示。

图3　水泵变速调节时的性能曲线

　　由图3可知：冬季采用同温差模式时冷却水循环水泵的功率相比采用同流量模式会有所降低。由于冷却水供回水温差不变，循环冷却水流量降低，室外冷却水水管发生冻裂的可能性增大，系统电伴热装置的能耗会有所增加。系统电伴热装置的实际功耗受室外环境和系统运行状况的影响较大，因受实际工程进展情况所限，本文尚缺少电伴热装置实际运行的功耗数据，因此在下述计算分析过程中未涉及电伴热装置的功耗。当采用同流量模式时，循环冷却水流量不变，冷却水供回水温差降低，有利于降低室外冷却水水管冻裂的可能性，但水泵功率不变，不利于降低系统能耗。

　　过渡季节利用冷却水对空调冷水回水进行预冷，提高制冷主机的制冷效率，有利于降低系统能耗。采用同温差模式时冷却水进出制冷主机冷凝器的温差大于采用同流量模式，因此，在相同的蒸发器进出水温的条件下，同温差模式下制冷主机的制冷效率会低于同流量模式。但2种模式下制冷主机的实际制冷效率还与制冷主机的实际特性相关，还应结合实际工程采用的制冷主机的型号进行具体计算。由于同温差模式下系统冷却水流量降低，采用同温差模式时冷却水水泵的耗功小于同流量模式。

4　2种模式下的系统能耗分析

4.1　冬季同温差和同流量模式下系统运行能耗对比

　　当冷却塔出水温度低于12.5 ℃时，该工程采取冷却塔免费供冷模式。制冷主机关停，系统利用冷却塔提供冷却水，通过板式换热器与空调末端的冷水进行换热，充分利用自然冷源供冷，此时系统的原理图如图4所示。

图4　免费供冷工况下系统原理图

　　图5为某型号冷却塔出塔水温与冷却塔运行时空气湿球温度之间的曲线，由该性能曲线可以得到不同室外空气湿球温度下的冷却塔出塔水温，也可得到不同出塔水温所对应的室外空气湿球温度。由冷却塔生产厂家提供的冷却塔性能计算结果可知：在同温差模式下，当冷却水流量为1 009 m³/h，进塔水温为18.5 ℃，出塔水温为12.5 ℃时对应的室外湿球温度为3.5 ℃。在同流量模式下，当冷却水流量为1 150 m³/h，进塔水温为17.8 ℃，出塔水温为12.5 ℃时对应的室外湿球温度为3 ℃。通过对该地区气象参数的统计分析得到室外湿球温度低于或等于3.5 ℃的累积时间为4 462 h，室外湿球温度低于或等于3 ℃的累积时间为4 360 h。在该工况下，系统的主要耗能部件为冷却塔、冷却水水泵、冷水泵和空调末端装置。为简化整个系统的能耗计算，忽略系统在同流量和同温差模式下冷却塔风机、冷水泵及空调末端装置能耗的变化。通过计算可得：免费供冷工况下采用同流量模式的系统总耗功为3 537 530 kW·h，采用同温差模式的系统总耗功为3 459 662 kW·h，后者比前者降低了2.20％（降低77 868 kW·h）。

图5　冷却塔的性能曲线

4.2　过渡季节同温差和同流量模式下系统运行能耗对比

　　当冷却塔出水温度高于12.5 ℃且低于18.5℃时，该工程采取冷却塔预冷模式。冷却水在进入制冷主机之前与空调冷水回水通过板式换热器进行换热，换热后再进入制冷主机的冷凝器。

　　由冷却塔生产厂家提供的冷却塔性能计算结果可知：在同温差模式下，当冷却水流量为1 009 m³/h，进塔水温为24.5 ℃，出塔水温为18.5 ℃时对应的室外湿球温度为11.5 ℃；在同流量模式下，当冷却水流量为1 150 m³/h，进塔水温为23.8 ℃，出塔水温为18.5 ℃时对应的室外湿球温度为11 ℃。通过对该地区气象参数的统计分析得到室外湿球温度高于3.5℃且低于或等于11.5 ℃的累积时间为1 892 h，室外湿球温度高于3 ℃且低于或等于11 ℃的累积时间为1 185 h。该工况下，系统的主要耗能部件为冷却塔、冷却水泵、制冷主机、冷水泵以及空调末端装置。与冬季免费供冷工况下系统能耗的简化计算处理类似，忽略系统在同流量和同温差模式下冷却塔风机、冷水泵及空调末端装置能耗的变化。

　　在蒸发器进出水温相同的条件下，由于进入制冷主机冷凝器的温度不同，制冷主机的制冷效率及相应的耗功也会有所不同。通过对该工程采用的制冷主机参数的计算可以得到该制冷主机在不同工况下的制冷效率和功耗，如表3所示。

表3　不同工况下制冷主机的性能参数

注：制冷主机的额定制冷量为7 034 kW，实际负载的制冷量为4 570 kW。

　　通过计算可得：该工况下采用同流量模式的系统总耗功为4 272 439 kW·h，采用同温差模式的系统总耗功为4 204 790 kW·h，后者比前者降低了1.63％（降低了69 649 kW·h）。

　　通过对该工程空调系统全年总能耗的计算可知：采用同流量模式的系统全年总耗功为１17 243 495 kW·h，采用同温差模式的系统全年总耗功为16 687 129 kW·h，后者比前者降低了3.23％（556 366 kW·h），因此采用同温差模式的系统具有更好的节能效果。该系统在不同工况下运行能耗的计算结果如表4所示。

表4　空调系统在不同工况下的运行能耗计算结果

注：变化量和变化比例是同温差模式相对于同流量模式。

5　结论

　　1）免费供冷工况下，采用同流量模式的系统总耗功为3 537 530 kW·h，采用同温差模式的系统总耗功为3 459 662 kW·h，后者比前者降低了77 858 kW·h，降低比例达2.20％。

　　2）预冷工况下，采用同流量模式的系统总耗功为4 272 439 kW·h，采用同温差模式的系统总耗功为4 202 790 kW·h，相比于采用同流量模式的系统，总能耗降低了69 649 kW·h，降低比例达1.63％。

　　3）在空调系统全年能耗方面，采用同流量模式的系统全年总耗功为17 243 495 kW·h，采用同温差模式的系统全年总耗功为16 687 129 kW·h，后者比前者降低了3.23％，降低了556 366 kW·h。由此可知：该地区采用同温差模式的系统节能效果略优于同流量模式。在同温差模式下，系统冷却水的流量减小，增加了冷却水管道冻裂的可能性，不利于系统管路的防冻处理，同温差模式对系统运行安全性的影响还需根据工程实际情况具体分析。

本文刊登于《暖通空调》2016年第10期

作者：华信咨询设计研究院有限公司　钟克承　夏春华　潘庆瑶　高景  孙国林　陈光金　牛晓然　刘彬