经验总结|开式冷却塔冬季结冰原因分析及应对办法

序言

在我国华北地区现存的数据中心中，开式冷却塔是制冷系统的常见配置。由于数据中心内的IT设备全年不间断运行，负荷稳定，几乎无季节性变化，因此数据中心制冷系统就需要全年运行，为IT设备提供冷量。华北地区冬季室外气温在零度以下，冷却塔结冰是一个常见的现象。如何有效地减少冷却塔结冰率，提高冷却塔运行效率，降低制冷系统的运行能耗？本篇以开式横流冷却塔为例，分享一下作者所在数据中心冷却塔冬季运维实践。

一、冬季制冷系统运行模式

为充分利用自然冷源，当室外湿球温度达到设计的运行条件后，关闭冷机，采用冷却塔+板换的运行模式，是我国华北地区现存的大中型数据中心制冷系统冬季运行的常见工况。如下图所示：

二、结冰有哪些影响

冷却塔在冬季这种非额定工况下运行，如果还习惯性的使用夏季运行的相关技术参数对冷却塔进行控制与评价，会导致冷却塔不能达到预期的换热效率，还有可能因大量结冰而造成制冷系统水温上升，进而引起机房内部环境温升事件。

集水盘结冰

运行中的冷却塔，一般在集水盘边缘处的水容易结冰，结冰后水不再流动，水流量的减少会引起系统供回水温差变大，冷却泵加频运行，导致系统的运行能耗增大。

水位控制组件及补水管路结冰

浮球阀结冰会引起集水盘水位过高溢流；补水管路结冰会导致集水盘水位过低，系统因缺水停止运行。

填料结冰

填料结冰会堵塞进风口，增加风阻，影响冷却塔进风量，冷却塔换热能力下降，冷却水出水温度升高，引起风机加频率运行，造成系统运行能耗增加。结冰量较多时会影响系统的正常运行。

填料结冰后，如使用外力剔凿除冰，容易破坏填料的完整性，影响冷却塔填料的使用寿命。

填料结冰后，除冰增加了维护人员的日常维护工作量，熔冰的过程需人为改变系统的运行方式，给系统运行增加风险。

三、冷却塔结冰原因及结冰情况分析

引起冷却塔结冰原因

冷却塔的结冰情况与室外湿球温度成反比，湿球温度越低，结冰越严重；

冷却塔的结冰情况和通过冷却塔填料的通风量成正比，进风量越大，结冰越严重；

冷却塔结冰情况与流过冷塔填料的水量成反比，水量越小，结冰的可能性越大；

冷却塔的结冰情况和流经冷却水管路的热负荷成反比，热负荷越小，结冰的可能性越大；

冷却塔集水盘结冰

一种情况是运行中的冷却塔集水盘结冰，虽然集水盘中的水是循环流动的，但是在集水盘边缘位置水流相对缓慢，在低温条件下，容易结冰积聚。另一种情况是没有开启运行的备用冷却塔，容易出现整个集水盘全部结冰。

水位控制组件及补水管路结冰

一种情况是制冷系统负荷较大时，长时间的补水产生飞溅，补水阀浮球支撑杆易结冰，支撑杆结冰后造成补水阀关闭不严，集水盘水位持续上涨，最后发生溢流。另一种情况是系统负荷较小时，补水量小，长时间不补水时，管路内水不流动，管路内有可能结冰冻死，造成系统因缺水而中断运行。

填料结冰

第一种情况是横流塔填料进风侧距离风机排风侧较近，容易在填料进风侧的上部区域产生气流短路，导致风机排出的湿热空气回流至填料进风口，湿热空气遇冷就容易在填料进风口凝结，长时间累积，形成冰挂乃至冰柱。

第二种情况是填料片之间排布有错位、有脏堵或是填料片有破损，会导致漂水，飞溅起的水滴附着在填料进风口和塔体上形成结冰，容易在填料有破损的部位或塔体与填料接壤的部位形成冰挂乃至冰柱。

第三种情况是冷却塔两侧布水器布水不均，导致流经冷塔两侧填料的水量一边多一边少，水多的一边容易出现漂水结冰；水少的一边因填料上的水流太小，而流过填料的风量太大，引起填料内部结冰。

四、预防冷却塔结冰的运行方案

预防冷却塔集水盘及水位控制组件结冰方法 

适当降低冷却塔集水盘的液位，同时提高冷却泵的频率，加速集水盘中水的流动速度，可延缓或避免集水盘边缘结冰；

为防止水位控制组件冻结，可采用人为增加浮球重量的办法，让浮球阀长期小流量补水，避免管路阀门冻结；

系统热负荷大于设计负荷的50%时，可以让备用冷却塔热备运行，相当于增加了填料整体的换热面积，提高冷却水的换热能力，能有效的降低冷却塔风机运行频率和冷却泵的运行频率，同时还可以减少集水盘电加热器的能耗；

预防填料外侧结冰的方法

• 控制水流量防止冷却塔填料结冰：在热负荷不变的情况下，加大水流量（提高冷却水泵频率）会减小冷却水的供回水温差，提高流经填料的水温，从而降低结冰的可能性。

• 通过变频器控制风机的转速，降低空气流速，减少进风量，减少冷空气和冷却水的接触，必要时可通过增设挡风帘或挡风板来进一步提高水温，从而降低结冰的可能性。

• 大多填料最先从边缘处结冰，塔体和填料的间隙处的结冰较为常见，通过封堵布水器两侧的出水孔，减少填料与塔体间隙处的水流量，可减少塔体边沿处水的飞溅量，避免填料周边冰结。

• 当室外气温低过-10℃，风机运行在最低频率时，在保证机房温度的前提下可适当的减小冷却水的供回水温差，以提高冷却塔的下塔温度，避免流过填料的水温过低而产生快速的结冰现象。

五、填料结冰后的处理方法

使用工具外力人工除冰：这种办法适用于结冰量少时，没有形成大块冰柱的情况下，可及时发现及时清除。一旦填料上结有大块冰柱时，不建议人工敲砸。一方面大力敲砸会损坏填料，另一方面大冰块下落时可能砸伤作业人员（如冷却塔安装在楼顶大冰块下坠还可能破坏楼面的防水层）。

如果已经结成大块冰柱，可利用冷却塔风机反转的办法进行熔冰。风机反转后循环水的热蒸汽从填料侧吹出，热蒸汽可起到快速熔冰的效果。以下是使用ABB变频器（型号：ASC510）、横流冷却塔，利用风机反转熔冰的操作流程：

开启冷却塔风机反转前，首先要先检查系统运行状况，确保系统水温、机房环境温度在合理范围之内，无其他异常情况；其次要检查冷却塔风机各运转部件无松动情况。

熔冰过程中，风机反转运行的频率宜控制在25Hz~30Hz之间，即可快速熔冰，也可以最大程度的控制飘水量。避免大风量把填料内流动的水吹出塔体外，在冷却塔周围地面形结冰。

风机反转熔冰工作结束后，需再次检查风机运行部件有无松动，风机恢复正常运行后，要确认系统无其他异常。

如果填料结冰太多，采用冷却塔风机反转的方式熔冰可能用时较长，容易造成冷冻水温度波动，影响机房环境温度，这种情况下可采用开启冷水机组的办法进行快速熔冰。将单套制冷系统BA控制逻辑脱离群控，制冷模式选择冷机制冷模式，开启冷机运行，通过调整冷却水系统旁通阀门的开度，减少冷却塔的水流量，快速提升系统冷却水的温度保证冷机正常运行，将提升冷却水水温至25℃以上，可进行快速熔冰。

六、除冰注意事项

1、除冰过程做好人员安全防护，带头盔和眼镜，防止落冰砸伤人，注意观察周围环境及楼下过往行人，严防冰块掉落楼下砸伤行人；

2、除冰后及时清理现场，巡视过道及周围爬梯，避免结冰造成人员滑倒摔伤，较大冰块禁止直接弃置楼面，防止破坏屋面防水层；

3、风机反转熔冰时，气流倒流，会导致冷塔散热效果变差，为满足系统需求，必须加开系统运行数量。另外风机反转会造成风机皮带轮螺丝松动（旋转方向跟轴向相反），每次操作完之后，要进行螺丝紧固检查，避免造成皮带伦脱落。

4、开启冷机模式熔冰时，无法完全利用冬季室外自然冷源，系统运行能耗高。

七、总结

冷却塔在冬季运行时，合理的运行方案加上科学的熔除冰方式，不仅可以避免或减少冷却塔的结冰造成的运行风险，同时还能提高系统运行能效，延长冷却塔的生命周期。