【摘要】数据中心机房空调系统是机房系统一类具备高性能、智能化信息系统设施。本文以数据中心机房空调系统设备使用情况为出发点，进一步引出了节能降耗改造方案中闭式冷却塔的应用价值，最终就改造成果进行分析，整体上为提高机房空调系统的节能环保效果，提供了可行性借鉴。
【关键词】数据中心机房空调系统 闭式冷却塔 应用
数据中心机房系统为机房各部门规模化、多种业务提供统一的标准化服务平台。机房建设中设备运维模式的转变，数据中心机房各系统设备监管乃至机房动力环境监控系统的可靠性和稳定性等，都需要通过改进传统冷却方法，应用闭式冷却塔来达到环保、节能的目标[1]。数据中心机房空调系统应用闭式冷却塔旨在通过冷却数据中心把废弃热量排放到大气中，以达到清除热量的效果。下文就利用闭式冷却塔改进数据中心机房空调系统，来达到降低能耗的可行性。
一、现状分析
数据中心机房空调系统是数据中心各系统中，是一类具备高性能、自动化、集成化、综合化、智能化等系统基础性设施。但在机房的系统工程建设实践中，受主机房、基本工作间、不同级别辅助机房等子系统影响，机房占地面积大和配套设施较多。机房各系统之间，受功能需求设置影响，能耗不断增加。随之发展的大数据和云计算、高密数据中心等应运而生。相关统计结果表明，数据中心机房的能耗已占到全球电量的2%至3%[2]。常规来讲，大型数据中心对电力系统的要求极高，可靠性高达99.995%；同时年故障平均时间<48分钟；服务中断时间<24分钟，UPS电池最少满负载备份时间>15分钟。一旦市电发生输入中断，不间断电源供给主要靠蓄电池、UPS来保障业务正常进行。而同时，UPS工作时来自整流器和逆变器的影响。基于数据中心UPS系统设计规划中，数据中心投入使用初期，UPS 40%负荷率，随着数据中心设备不断增加，IT设备满负荷状况增加，按照增设200台机柜，用电量为3KW×200=600KW。依照工商业电价计算每年度UPS电费成本核算，UPS并机系统运行中，用电能耗大幅度增加。鉴于闭式冷却塔在数据中心的应用，即通过使用湿气节能设备减少了冷却设备的电源消耗，来达到提升冷却效率，节省用电的效果。且在实践中被证实为有效、科学、节能效率高的改造方案[3]。
二、节能降耗改造方案
工业革命以来，由于人为活动排放温室气体导致大气中温室气体浓度增加，引起的以升温、变暖为主要特征的全球气候变动；闭式冷却塔及机房空调设备本身的冷却换热能力是逐年衰减；机房内设备增量；节能降耗改造方案亟待改进。
闭式冷却塔的主要工作原理为：干湿闭式冷却塔主要构造为干部在上或湿部在下或塔四面进风，相对两边为湿部；另外两边为干部。数据中心机房空调系统采用干湿闭式冷却塔的目的，部分是为了省水，但大多数是为了消掉从塔出口排出的饱和空气的凝结；在夏季温度较高时，采用水冷方式以喷淋水蒸发的方式将盘管内的冷却水进行冷却；在室外气温降到固定温度时，将喷淋水关闭，采用空冷的方式直接冷却，为干工况运行。
（一）增大闭式冷却塔换风量
闭式冷却塔的耗能的多少与其所处的周边气候的温湿度及进风度有很大的关系。环境温度会直接影响冷却水的出水温度，从而引起空调系统制冷性能的变化。具体如图1所示：
为达到节能降耗，通过增大闭式冷却塔换风量来实现。详尽来讲，闭式冷却塔的变频变风量试验结果证明，冷却塔的运行能力和冷却水的气水存在一定的比例关系。在闭式冷却塔设计中，配备风机和电动机来运行，以其装置本身的特性，风机风量与转速、电动机功耗与转速三次幂的相互有关系的。通过变频控制，即调整机械驱动配比或电动机转速来对风机转速进行调节[4]。通过增大闭式冷却塔换风量来减少闭式冷却塔运行中的工作负荷，并在电动机上配置变频器，来达到提高能源运用优势，直接程度上保护电动机，提升生产安全性。
（二）增加闭式冷却塔铜排数量
主要改进原理为，通过增加闭式冷却塔铜排数量，从而增大换热面积。以400KVA UPS具体举例，运用公式计算每降低冷却水温度1度，电价=1元/度，通过提升UPS效率，以效率提升1%为例，年节省电费为(400KVA×1)×0.01×24×365×1=35040元。以改进的闭式冷却塔为例，主要针对改进的闭式冷却塔，具有更加明显的降温效果和精密的温度控制特点。主要构件包括空调机组、循环水泵及电控柜等几部分。空调机组部分冷却介质为自来水，由循环水泵增加动能驱动在机组冷凝器板换冷却设备之间循环流动，闭式塔喷淋水均匀地喷洒在铜排换热器上，在换热器外表面形成均匀的水膜，冷空气由塔体侧方的进风口进入塔内，与喷淋水逆流经过换热器表面；实现了两种换热方式达到了降温冷却效果[51]。在原有设备基础上，不影响建筑整体设计外观前提下，增加换热盘管面积，最大可提高冷却塔整体热力性能的15%-20%。如图3所示：闭式冷却塔结构图
图3：闭式冷却塔结构图
（三）冷却塔换热盘管增量及框架更改
对闭式冷却塔CXW-U360ASSW进行更换，具体包括换热盘管增量扩容及中段框架更换加高（冷却塔中段部分）；冷却塔换热盘管增量扩容；集水槽FRP加固施工三部分内容。
（四）增设软化水，减少铜管结垢
原系统设计冷却水系统采用自来水，由于北京水质硬度高，导致闭式塔铜管随着使用时间的延长，铜管表面附着水垢也不断增厚，导致换热效果逐渐减小。为了缓解铜管表面水垢的厚度，采用软化水作为冷却水水源，确保铜管的换热效果。
三、闭式冷却塔换热增量扩容改造后的效果
闭式冷却塔设备2011年投入使用，4组方型横流密闭式式冷却塔，均布置于机房室外平台；受机房空调系统运行使用存在室外机布置密度过小导致的散热条件不佳、冷凝温度高一级压缩机设备的排气压力大的特点，闭式冷却塔在机房空调系统中的应用控制，可通过技术手段来加以改进。
即对原有机房空调系统闭式冷却塔的风冷冷凝器部位，通过增大闭式冷却塔换风量换热装置，来达到喷淋循环水冷却机组冷凝器水系统改善效果[6]。从建设实践情况分析来看，基于系统改造过程中的设计计算验证中，通过改造16台风冷冷凝器，为暖通与电气等改造提供了设备运用技术支持，并进一步提升了装机容量。闭式冷却塔改造后，改善了旧有的冷却水闭式循环，软化了冷却水水质、降低了系统负荷、达到了有效变频调节和节能环保的效果。
结束语：
数据中心机房空调系统闭式冷却塔应用实例证实了机房空调系统中的应用成效，并对温度导致的能耗，具有显著的效果。基于上述应用现状的分析和改造后的成效，整体上对提升机房数据安全性提供了可靠保障。
【参考文献】
[1]田振武,黄翔,吴志湘, 等.水侧蒸发冷却技术在数据中心的应用[J].西安工程大学学报,2019,33(6):625-630
[2]西安工程大学.数据中心用闭式冷却塔自然冷却与机械制冷联合空调系统:CN201910467746.6[P].2019-08-30
[3]肖新文.数据中心动态自然冷却空调系统及其应用[J].建筑节能,2019,47(1):39-44
[4]文韬.某数据中心空调系统设计[J].暖通空调,2017,47(1):55-58
[5]西安工程大学.适用于数据中心间接蒸发自然冷却的模块化送风空调系统:CN201910467990.2[P].2019-08-30
[6]武汉市北方热能空调有限公司.IDC机房空气源冷却系统:CN201620547870.5[P].2017-02-22