引言数据中心尤其是大型数据中心，一个机柜的耗能可以达到20~30 kW。数据中心机房全年不停机，由于机房的温度和湿度几乎全年不变，需要24小时不间断供冷，所以每年数据中心释放出大量热量，导致制冷系统承担的冷负荷较大。数据中心冷却系统的能耗在数据中心总能耗中占比约30%~45%[1]。而传统的冷水机组机械制冷耗电量大，并造成严重的环境污染[2]，因此有必要开展提高制冷效率的研究，帮助数据中心减少能耗[3]。1冷却塔供冷技术如果室外环境湿球温度减小到一定数值时，可以不启动冷水机组，通过冷却塔进行供冷，从而获取需要的冷量，这种技术被称为冷却塔供冷技术[4]。冷却塔供冷技术可以缩短冷水机组的启动时间，有效降低能耗，具有一定的节能性。冷却塔间接供冷系统是在原来的系统中加一个板式换热器，当室外湿球温度大于某个温度时，板式换热器不工作，而制冷机组运行，系统为平常制冷工况；当室外湿球温度等于某个温度范围内时，板式换热器工作，且制冷机组也运行，系统进入部分自由冷却工况；当室外湿球温度小于某个温度时，板式换热器工作，制冷机组不运行，系统进入自然冷工况[5]。冷却塔间接供冷系统原理如图1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.02.018.F001图1冷却塔间接供冷系统原理2实例应用分析2.1工程概况本工程为潍坊奎文区某数据中心的5层IDC机房，全年不间断供冷，其IT设计功耗为10 200 kW，冷冻水供回水温度为15/21 ℃。查阅潍坊当地气象资料，得出室外湿球温度与小时数的对应关系如表1所示[6]。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.02.018.T001表1潍坊气象条件参数表温度区间/℃区间小时数/h温度区间/℃区间小时数/h温度区间/℃区间小时数/h-14~-1272~465418~20536-12~-10224~642720~22681-10~-8976~848822~24630-8~-61868~1047324~26485-6~-432610~1244526~28174-4~-234512~1447728~3011-2~056514~164890-270116~185412.2转换温度条件冷冻水供回水温度已知，根据转换温度之间的关系求出冷却塔出水温度：（1）完全免费供冷：冷却塔出水温度+1 ℃＜冷冻水供水温度；（2）部分自由供冷：冷却塔出水温度+1 ℃＜冷冻水回水温度；（3）机械供冷：冷却塔出水温度+1 ℃≥冷冻水回水温度。冷却塔出水温度根据文献[7]中与室外湿球温度的关系，求出室外湿球温度的转换点，计算公式如下：tlc=0.81ts+9.33 (1)式中：ts——室外湿球温度，℃；tlc——冷冻水供水温度，℃。当冷冻水供回水温度为15/21 ℃时，计算可得：（1）当室外湿球温度≤5 ℃时，可以满足冷却塔完全免费供冷工况；（2）当5 ℃＜室外湿球温度≤13 ℃时，可以满足冷却塔部分自由供冷工况；（3）当室外湿球温度＞13 ℃时，为机械供冷工况。根据以上参数进行制冷方案能耗的分析比较，统计出冷却塔间接供冷系统不同工况下的小时数，如图2所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.02.018.F002图2冷却塔间接供冷系统不同工况下的小时数2.3耗电量计算冷水机组耗电量：M=Q×TCOP (2)式中：COP——机组制冷系数；M——冷水机组整年耗电量，kWh；Q——冷水机组里一台制冷量，kW。冷却塔耗电量：Wtowel=Ntowel×wtt×Ttowel (3)式中：Wtowel——冷却塔整年耗电量，kWh；wtt——一台冷却塔功率，kW；Ntowel——冷却塔台数。水泵耗电量：Wpumps=Np×wp×Tp (4)式中：Wpumps——水泵整年耗电量，kWh；wp——一台水泵功率，kW；Np——水泵台数。冷却塔循环流量：L=Q×1.2×1.25×8615 000 (5)式中：L——冷却塔循环流量，m³/h；Q——冷负荷。潍坊数据中心的设备参数如表2所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.02.018.T002表2潍坊数据中心的设备参数设备名称参数冷却水泵流量680 m³/h；扬程30 m；功率200 kW；4台。冷冻水泵流量650 m³/h；扬程28 m；功率180 kW；4台。变频离心冷水机组制冷量2 800 kW；功率459 kW；4台。开式冷却塔循环水量680 m³/h；功率55 kW；6台。板式换热器换热量2 800 kW；换热温差1 ℃；4台。2.3.1供冷方式一——冷却塔间接供冷系统（1）冷却塔完全免费供冷时的耗电量。数据中心设计负荷为10 200 kW，计算得到数据中心需要的循环水量为2 634.66 m³/h。由表2可知，一台开式冷却塔的循环流量是680 m³/h，自由供冷工况下需要4台冷却塔供冷。由式(3)可知，冷却塔耗电量为：Wtowel=685.5×103 kW。由式(4)可知，冷冻水泵耗电量为：Wpumps1=2 243.5×103 kW；冷却水泵耗电量为：Wpumps2=2 492.8×103 kW。冷却塔完全免费供冷时的耗电量为：W1=(685.5+2 243.5+2 492.8)×103=5 421.8×103 kW。（2）冷却塔部分自由供冷时的耗电量。一台离心式冷水机组的制冷量是2 800 kW，当室外环境湿球温度降低到5~13 ℃时，关闭两台冷水机组，另外两台冷水机组运行。由于室外环境湿球温度下降，冷水机组的负荷效率下降，查冷水机组样本可得，在此湿球温度区间时，负荷效率减小到25%左右，整个系统COP为6.1。经计算一台冷水机组的功率为M=2 800×0.25÷6.1=114.8 kW。由式(2)可知，冷水机组耗电量为：M=426.6×103 kW。两台冷水机组承担数据中心的冷量是1 400 kW，则冷却塔承担的冷量为8 800 kW，由式(5)计算得到循环水量是2 273.04 m³/h，即4台冷却塔，而且冷水机组供冷需要开启2台冷却塔，所以一共开启6台冷却塔。由式(3)可知，冷却塔耗电量为：Wtowel=613.1×103 kW。由式(4)可知，冷冻水泵耗电量为：Wpumps1=1 337.8×103 kW；冷却水泵耗电量为：Wpumps2=1 486.4×103 kW。冷却塔部分自由供冷时的耗电量为：W2=(613.1+426.6+1 337.8+1 486.4)×103=3 863.9×103 kW。（3）机械制冷时的耗电量。由式(4)可知，冷冻水泵耗电量为：Wpumps1=2 725.9×103 kW；冷却水泵耗电量为：Wpumps2=3 028.8×103 kW。由式(3)可知，冷却塔耗电量为：Wtowel=832.9×103 kW。由式(2)可知，冷水机组耗电量为：M=6 951.1×103 kW。机械制冷时的耗电量为：W3=(832.9+6 951.1+2 725.9+3 028.8)×103=13 538.7×103 kW。冷却塔间接供冷方式下的总耗电量为：W=W1+W2+W3=22 824.4×103 kW。2.3.2供冷方式二——冷水机组全年机械供冷系统由式(4)可知，冷冻水泵耗电量为：Wpumps1=6 307.2×103 kW；冷却水泵耗电量为：Wpumps2=7 008.0×103 kW。由式(3)可知，冷却塔耗电量为：Wtowel=1 927.2×103 kW。由式(2)可知，冷水机组耗电量为：M=16 083.4×103 kW。冷水机组机全年机械供冷时的耗电量为W=(1 927.2+16 083.4+6 307.2+7 008.0)×103=31 325.8×103 kW。2.3.3两种供冷方式的对比冷却塔间接供冷系统的耗电量比冷水机组全年机械供冷的耗电量少8 501.4×103 kWh，经查询潍坊的电价是0.95元/kWh，计算可得，冷却塔间接供冷系统节约的电费L=8 501.4×103×0.95=807.633万元，节能效果显著且具有较好的经济性。3冷冻水供水温度的影响冷却塔的供冷温度影响冷却塔的切换温度，而冷冻水供冷温度影响冷却塔制冷温度，冷冻水制冷温度的变化影响到间接供冷系统的减耗性能[8]。取冷冻水供回水温度分别为13/19 ℃、15/21 ℃、17/23 ℃，比较3种供水温度对间接供冷系统电量的影响。计算求得，当冷冻水供回水温度为13/19 ℃时、室外湿球温度≤3 ℃时，可以满足冷却塔完全免费供冷工况；当3 ℃室外湿球温度≤10 ℃时，可以满足冷却塔部分自由供冷工况；当室外湿球温度＞10 ℃时，为机械供冷工况。当冷冻水供回水温度为17/23 ℃时，而室外湿球温度≤8 ℃时，可以满足冷却塔完全免费供冷工况；当8 ℃室外湿球温度≤15 ℃时，可以满足冷却塔部分自由供冷工况；当室外湿球温度15 ℃时，为机械供冷工况[9]。根据表1可以统计出不同冷冻水供回水温度时，冷却塔间接供冷系统在不同工况下的小时数，分别如图3、图4所示。根据式(2)~式(5)，得到冷却塔间接供冷系统在3种供回水温度下的能耗，如图5所示。冷冻水供水温度从13 ℃、15 ℃、17 ℃依次上升的同时，冷却塔间接供冷系统的总耗电量随之降低，说明冷冻水供水温度的升高有利于冷却塔间接供冷系统节能。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.02.018.F003图3冷冻水供回水温度为13/19 ℃下的不同工况小时数10.3969/j.issn.1004-7948.2022.02.018.F004图4冷冻水供回水温度为17/23 ℃下的不同工况小时数10.3969/j.issn.1004-7948.2022.02.018.F005图5冷却塔间接供冷系统在3种供回水温度下的能耗4结语经过计算冷却塔间接供冷系统与传统机械制冷的能耗，可以看到冷却塔间接供冷系统的节能效果更好，此数据中心选择冷却塔间接供冷系统方案。通过对3种不同冷冻水供回水温度的比较，可以看出，供水温度越低，间接供冷系统的耗电量越大，反之耗电量越小。