华北地区数据中心冬季闭式冷却塔低负荷防冻节能运行策略

岳仁杰 李斌

摘  要：该文主要讨论华北地区采用闭式冷却塔的制冷系统在数据中心投用初期上架率较低、热负荷较低的情况下冬季运行模式即：充分利用自然冷源、节能减排，使用冷却塔+精密空调模式直接进行数据中心自然冷却，对数据中心制冷系统安全（如确保系统备份）、自身防冻（如冷塔投用数量与负荷相匹配、保温与散热适度调节、备份与主用快速转换的措施等）、外界气温骤降、负荷突增、设备故障等风险进行讨论，并从设计（如系统架构、设备选择、设备功能组件等）、运行管理方面（如风险管理、应急措施等）采取应对措施。

关键词：低负荷  低温  闭式冷却塔  防冻  节能

中图分类号：TK26   文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2020）01（c）-0001-03

数据中心制冷系统在设计与建设过程中一般按满负荷N+1或2N架构进行，数据中心初期上架率较低、热负荷较低，此时进入冬季运行模式，制冷系统既要保证数据中心制冷安全又要做好自身防冻措施，同时应对外界气温骤降、负荷突增、设备故障等的风险。

闭式冷却塔主要由蒸发换热盘管、喷淋水系统、引風系统、结构框架4个部分构成。冷却水在盘管内封闭循环，喷淋水在盘管外形成水膜蒸发吸热，引风系统将箱体外部温度湿度均较低空气引入箱体与盘管、喷淋水换热，同时带走喷淋水蒸发后的水蒸气，从而达到为冷却水降温的目的。因为其封闭的冷却水系统，避免了杨絮、沙尘污染，使制冷系统运行时安全性提高，减少了因水质差造成的冷凝器换热降效现象，其水质也可以在冬季运行时将冷冻水冷却水直接连通，使用冷却塔+精密空调模式（无板换模式）直接进行数据中心自然冷却，从而起到节能减排的作用。也正因为其封闭的冷却换热盘管构造，冻结的风险较大，华北地区数据中心冬季低负荷运行需要采取必要的防冻措施以及相应的应急预案。

1  低负荷状态下冬季闭式冷却塔的应对措施

1.1 设计时对低温低负荷运行的考量

在数据中心设计之初，设计人员需要充分考虑初期低负荷状态下低温运行的应对措施，并在施工过程中完成。低温低负荷状态下要尽量减少冷却水系统的散热，主要措施有减少散热面积、控制通风量、提高冷却水水温等。所以会从以下几个方面进行设计。

（1）选用模块化、组合式、有温控箱控制的可变风量、可变喷淋水量的冷却塔。闭式冷却塔主要部件之一为换热盘管，大多数冷却塔由多个单独的散热模块组合而成。可以通过控制换热盘管模块的大小（盘管排数、直径、总换热面积等），给换热模块设计独立进出水控制阀门，为冷却塔小模块运行提供可能。通风量是冷却塔散热能力的重要考核指标，通风量越大，换热能力越强。低负荷运行的情况下需要做到风量可调，如使用变频控制系统控制风扇转速从而实现风量调节，也可以使用多风机组合，改变风机投用数量实现冷却塔风量的调节。同理，喷淋水的循环水量也可以如此调节。

（2）冷却塔喷淋水集水盘需要有电加热及温控箱设计。当喷淋水循环量为零时，喷淋水无法通过热交换得到充足的热量，在集水盘中不断散热，会造成结冰现象。结冰后，首先会对设备本身造成损坏如胀裂集水盘、冻裂喷淋泵;其次会造成需要喷淋水降温时却无水可用的后果。电加热可以设定在3℃加热，8℃停止，既确保运行安全又避免电加热的频繁启停。

（3）冷却塔相关水系统管道需要增加电伴热、保温及自动温控箱设计。冷却塔相关水系统管道有冷却水管道、喷淋水管道、补水管道以及排水、排污管道。冷却水管道在室外面积较大，在低负荷运行时有些冷却塔模块会被弃用，冷却水管道很可能无水循环流动，长时间（3～4个月）在低温条件下散热，管内水容易冻结。喷淋水在闭式冷却塔低负荷运行时也为间歇性运行，喷淋泵、喷淋水管道长时间停用，内部水均有冻结风险。由于冷却塔冬季低负荷运行时蒸发量很小，补水也是间歇性的，长时间无流动无室温自来水的热量补充，很容易冻结。另外，在冬季冷却塔清洗、排污过程中，排水、排污管路温度很低、散热很快，管道内的积水及阀门处的死水很容易发生冻结，造成管路、阀门等位置的损坏。所以以上管道均应增加电伴热、保温及自动温控箱。温控箱设定点宜设置在室外温度低至3℃时自动送电运行。

（4）冷却水系统有补热功能。冷却水系统补热功能可以通过使用市政供暖热源经过板换实现，也可以通过自备小锅炉或者管道上直接增加电加热单元等方法实现。这样做首先可以实现工程冬季竣工、无负荷状态下管道冲洗、设备调试期间防止水冻结的功能;其次可以提高冷却水水温实现低负荷下冬季冷却水防冻的功能。

1.2 运行管理需采取的措施与方案

（1）充分评估现有热负荷，使之与闭式冷却塔换热盘管模块相匹配，多余的备用模块进行泄水操作。

①负荷与流量最低要求。在低温季节到来前，需对数据中心内负荷进行计算：可以根据设计手册进行理论计算之后根据实际用电量、机柜使用率等实际运行数据进行复核调整，得到最真实的负荷值。此负荷为冷却水的热源，确保冷却水在循环过程中不冻结。根据某品牌闭式冷却塔厂家数据，当实际负荷不低于单模块铭牌散热量的5%，流量不低于铭牌循环水量80%、管内最小水流速不小于0.5m/s时，冷却水在换热盘管内不会冻结。此数据根据厂家设备不同有所不同，其与内部换热盘管回路形式（单回路、双回路、多回路）、盘管材质（铜、不锈钢、镀锌钢管）、盘管样式（光管、波纹管、内壁麻面）及管径等有关。运行过程中需严格按照厂家提供数值运行。

②考虑运行安全因素决定运行单元。因数据中心安全性的高标准要求，需要尽量保证2N个或N+1个完整的制冷单元同时运行达到基本的备份要求，防止因设备故障造成的运行生产事故。所以，在负荷达到或超过单模块10%的状态下需要将负荷分配到两个不同的制冷单元运行。在负荷过低的情况下进行综合评估，是采用辅热设备增加负荷还是在蓄冷罐储冷时长内恢复其他单元。

③备用设备的泄水作业。根据负荷评估结果结合运行安全需求，确定需要运行的冷却塔模块数量，对不使用的冷却塔模块进行泄水作业，防止冻结。具体步骤为：第一，根据负荷评估及安全运行需求确认需要运行的冷却塔模块编号，并对其进行详细检查，确保最佳状态的模块投运。第二，根据作业指导书，对作业人员进行安全交底及作业培训。制定应急预案，同时安排专人监测操作过程及系统运行状态，防止出现误操作影响系统安全运行。第三，对需泄水模块断电（喷淋泵与风机等）、挂警示牌。第四，关闭模块进出水总阀、在模块排污阀连接排水管，打开排气阀、排污阀进行泄水。第五，将空压机出气口连接至排气阀，打开泄水阀，对盘管进行反复吹扫，至无连续水滴落下为止。第六，对于全部模块泄水的冷却塔将集水盘泄水、喷淋管道泄水，并关闭集水盘电加热。第七，关闭排污阀、放气阀、收拾工具，做确认检查，作业完成。

（2）检查电加热、电伴热系统状态。在入冬前需要检查辅热系统、冷却系统相关管道电伴热等是否正常。

（3）对冷却塔进行必要的改造。使用橡塑保温对冷却塔四壁进行包裹，在冷却塔进风口使用橡塑板、塑料薄膜或棉门帘做成可开启可调节风口。

实际测量数据为：室外温度2.4℃，湿度65%的状态下。

①未经过处理的不运行冷却塔内部温度为2.6℃，湿度为63.1%，经过保温处理的不运行冷却塔内部温度为4.3℃，湿度为60.9%。

②未经过处理的运行冷却塔（盘管内水流动，不开启风机和喷淋）进出水温度为12.7℃/11.8℃，同负荷经过保温处理的运行冷却塔（盘管内水流动，不开启风机和喷淋）进出水温度为12.7℃/12.3℃。

③未经过处理的运行冷却塔（盘管内水流动，仅开启喷淋泵，不开启风机）进出水温度为12.7℃/6.8℃。同负荷经过保温处理的运行冷却塔（盘管内水流动，仅开启喷淋泵，不开启风机）进出水温度为12.7℃/8.9℃。

④未经过处理的运行冷却塔（盘管内水流动，同时开启启喷淋泵和风机）进出水温度为12.7℃/4.9℃。同负荷经过保温处理的运行冷却塔（盘管内水流动，同时开启启喷淋泵和风机）进出水温度为12.7℃/6.2℃。

根据测量结果可知，无论在哪种运行模式下，经过保温处理的冷却塔的散热能力都受到限制，降低了冷却塔盘管冻结的风险。

（4）运行过程中严格控制冷却水水温、循环水量。运行过程中严格监控水流量不低于单模块的80%，监测冷却塔出水温度不低于5℃，低于此值启动应急预案。为达到此目标可以进行以下作业。

①适度提高冷却水水温。根据运行经验，在运行过程中，适当降低精密空调设定值，并增加空调开启的台数在供冷量不变时会提高冷却水温度。如果将冷却水温度由设计值12℃提升至14℃，在不过分影响安全运行的情况下，可以大大提高冷却水防止冻结的能力，同时还延长了自然冷却模式运行的时间。

②闭式冷却塔作为干式冷却器使用。在低负荷状态下，换热盘管优先在干式状态下运行，不开启喷淋系统，只通过风机变频器调节冷却塔通风量，依靠干冷器原理进行散热，可以有效减少散热量，确保冷却水不冻结。

③喷淋泵进行点喷观察。当通风量达到最大，水温仍持续升高时，喷淋泵投用。投用过程可以点动喷淋泵，立刻停止，防止冷却水水温骤降。同时调整通风量，加大喷淋量，使散热量与负荷平衡，达到出水水温恒定。

（5）检查BA系统的报警功能。使用低负荷运转方案前，冷却水温低温报警、高温报警、流量报警应该进行检查，并根据冬季运行方案进行报警值修订。

2  闭式冷塔冬季低负荷运行应急预案

2.1 气温骤降或负荷减少

当在稳定运行时，气温骤降或负荷减少会将之前的运行平衡打破。此时可以通过以下方案进行調整。

（1）依靠换热模块自身调节：通过减少喷淋水量、降低通风量，降低循环水量来进行调节（不低于80%）。

（2）启用前期的冷却塔保温改造措施，限制冷却塔散热能力。

（3）将冷却水辅热设备投运，同时开启集水盘电加热、冷却水管道电伴热等设备，提高冷却水温度。

（4）在模块机房内，人为增加假负载，加大散热量。

2.2 负荷骤增

当在稳定运行时，投用服务器激增会将之前的运行平衡打破。此时可以通过以下方案进行调整。

（1）依靠换热模块自身容量调节：加大喷淋水量，增大通风量，增加循环水量。

（2）投用新换热模块。启用已泄水的备用散热模块。启用过程中需要注意两点：①盘管自身低温，需提前预热，否则冷却水灌水期间有冻结风险。实际测量，盘管内重新注水过程约为4min，但后续整个制冷单元需要补水系统继续补水30min完成稳压。②盘管排气作业必须彻底，防止盘管内气体进入水系统影响运行安全。应先只打开进水阀、排气阀，让冷却水进入盘管，待排气阀不排气体并出现连续水流时，再关闭排气阀，打开冷却水回水阀。

2.3 运行过程中结冰

（1）进风口结冰。在喷淋运行、通风量较大的情况下，喷淋水在进风口容易遇冷冻结，形成冰帘、冰墙，造成通风量减少，严重影响散热效果，造成水温升高。进风口结冰时建议人工敲除，根据温度、负荷等运行状况来定时巡查、定时敲除。在保证不影响出水温度的情况下，冷却塔模块间也可以轮换进行关闭风机只运行喷淋泵或者风机反转的方法进行除冰。

（2）换热盘管外部周围结冰。当喷淋水温度（运行经验为3℃）较低、通风量较低、气温较低的情况下，换热盘管周围和集水盘上方会想成冰帘，此时可以适当地提高冷却水温度，增加塔内温度起到融冰的作用。也可以调整集水盘电加热启停温度，增加集水盘喷淋水温度达到融冰的效果。必要时可以由专业电工补充集水盘电加热棒的数量以提高喷淋水温度。

（3）集水盘结冰。当集水盘电加热棒容量较低或故障，气温持续低温的情况下，集水盘会出现结冰现象，这时候就会影响喷淋水量，进而影响冷却塔散热，严重时还会造成喷淋水泵抽空，损坏过滤器及喷淋泵。可由专业电工补充电加热棒数量，也可以使用20℃的自来水接入集水盘中进行融冰。

（4）盘管内冷却水结冰。在BA报警失效、冷却塔散热较大、运维人员疏忽的情况下，会出现盘管内冷却水冻结现象。此时需启用设备故障预案，并使用较多的电加热棒加热集水盘内喷淋水，使用热水喷淋盘管解冻。解冻后观察盘管是否开裂，漏水量是否大于系统补水量，以确定后续运行方案。

2.4 运行过程中设备故障

（1）冷塔自身故障。运行过程中，冷却塔风扇、喷淋泵等故障。此时应通过改变室内精密空调数量，分配故障制冷单元与正常制冷单元的负荷，保证故障制冷单元冷却水不冻结，并督促厂家迅速维修。如为盘管内冷却水冻结甚至冻裂，需按2.2节的（2）和2.3节中的（4）投用备用冷塔模块。

（2）冷却水泵故障。如管路设计中可以进行备用泵替换需使用备用泵。如无备用泵需舍弃整个制冷单元，由其他运行的制冷单元承担全部负荷。确认厂家维修时间，密切关注盘管内冷却水水温，如在冷却水水温低于5℃时，需执行泄水作业。同时按2.2节的（2）和2.3节中的（4）投用备用制冷单元。

（3）管路系统故障。需迅速隔离，按本節（2）启用备用制冷单元。

3  未采用乙二醇溶液作为防冻剂的说明

在有些冬季把冷塔作为冷源的制冷系统中，运维人员为了防冻会在冷却水系统中加入乙二醇作为防冻剂使用。但是在闭式冷塔+室内精密空调机（无板换）的运行系统中，未能采用，主要有以下因素进行考虑：（1）乙二醇溶液比热容比水低，载冷量低，会造成冷却塔、精密空调机等换热设备的降效。（2）乙二醇溶液有一定的腐蚀性，室内精密空调机表冷器盘管壁较薄，会降低其使用寿命。（3）乙二醇溶液有一定渗透性，对于由丝扣连接的精密空调机进出水口增加了渗漏的隐患。（4）冷冻水和冷却水系统连通后，系统水量大大增加，需要添加的乙二醇剂量也大大增加，成本过大。

4  结语

数据中心的设计逐步成熟，冷却塔作为数据中心冬季冷源进行自然冷的形式被大家普遍接受。该文在此主要介绍和简要分析了采用闭式冷却塔+精密空调系统的制冷形式在数据中心投用初期热负荷较低的情况下冬季运行管理，从设计、运行两方面采取措施应对制冷系统自身防冻、气温骤降、负荷突减、突增、设备故障等风险，确保数据中心制冷安全。

参考文献

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