冷卻塔散熱對(duì)中央空調(diào)運(yùn)行效率的影響分析

1 引言

近年來(lái)隨著互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的發(fā)展，IDC機(jī)樓的建設(shè)如火如荼，數(shù)據(jù)中心的建設(shè)也上升成為了國(guó)家的新基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目之中，為此將會(huì)迎來(lái)一個(gè)新的建設(shè)高潮，然而有些IDC機(jī)樓中央空調(diào)由于冷卻塔系統(tǒng)施工方案的不盡合理，則大大降低了中央空調(diào)冷卻系統(tǒng)的散熱效率和運(yùn)行效率，增加了IDC機(jī)樓的電費(fèi)運(yùn)營(yíng)成本和運(yùn)行的安全隱患，不能不引起我們足夠的重視。

2 中央空調(diào)系統(tǒng)原理

中央空調(diào)系統(tǒng)制冷基本原理和普通空調(diào)類似，都是利用液體汽化時(shí)的吸熱、氣體冷凝時(shí)釋放潛能效應(yīng)的基本原理來(lái)實(shí)現(xiàn)制冷和熱交換。當(dāng)然中央空調(diào)系統(tǒng)卻是要復(fù)雜得多，除了制冷效果外，還有加濕和除濕功能等，它主要由制冷壓縮機(jī)系統(tǒng)、冷媒(冷凍和冷熱)系統(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)、盤(pán)管風(fēng)機(jī)系統(tǒng)、冷卻塔風(fēng)機(jī)系統(tǒng)等組成，如圖1、圖2所示。其中：

圖1 中央空調(diào)系統(tǒng)原理圖

（1）制冷機(jī)循環(huán)系統(tǒng)：在制冷機(jī)組中，制冷劑從蒸發(fā)器中吸熱制冷，所吸收的熱量再傳送到冷凝器里進(jìn)行冷凝放熱；

（2）冷凍水循環(huán)系統(tǒng)：由制冷機(jī)組中的蒸發(fā)器、空調(diào)機(jī)組中的表面冷卻器提供水流動(dòng)力的水泵及它們連接水管和附件所組成的密閉循環(huán)系統(tǒng)，這個(gè)密閉水循環(huán)系統(tǒng)通過(guò)冷凍水不斷地把制冷機(jī)組所產(chǎn)生的冷量傳送到空調(diào)機(jī)組的表面冷卻器去冷卻空氣，實(shí)現(xiàn)冷量的傳遞和交換；

（3）冷卻水循環(huán)系統(tǒng)：它是由冷凝器、冷卻水泵、冷卻塔和連接水管及附件組成，冷卻水從冷凝器中帶走熱量，最后在冷卻塔中直接釋放到室外大氣空氣中，從而最終實(shí)現(xiàn)將機(jī)房室內(nèi)的熱量排出到室外樓頂上的空氣中；

3 某IDC機(jī)樓中央空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行工況

圖2 設(shè)置在樓頂冷卻塔上面和四周的玻璃幕墻

由于該中央空調(diào)系統(tǒng)冷卻塔周圍存在上述玻璃幕墻阻隔熱空氣充分散熱現(xiàn)象，導(dǎo)致冷卻塔散熱效率極低，不但造成水循環(huán)系統(tǒng)水管長(zhǎng)期處于高溫高壓狀態(tài)，而且還造成該IDC機(jī)樓的耗電非常大，PUE值一直非常之高，常年都保持在3.0以上（目前規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)和行標(biāo)要求大型IDC機(jī)樓的PUE值不高于1.5），這樣不但導(dǎo)致中央空調(diào)系統(tǒng)白白地浪費(fèi)了大量的電能，而且還常常造成中央空調(diào)不斷發(fā)生高溫高壓告警故障現(xiàn)象，大大增加了空調(diào)維護(hù)人員的維護(hù)成本。

后來(lái)在我們的建議之下，維護(hù)人員拆除了冷卻塔引正上面的玻璃幕墻后（但側(cè)面的玻璃幕墻則由于城市美觀和市容的要求而不能打掉），情況有所好轉(zhuǎn)，如圖3所示。但該IDC機(jī)樓由于冷卻塔四周仍然被玻璃幕墻所包圍，其PUE值仍然很高，在最冷的冬季里也高達(dá)3.17以上，尤其在南方炎熱的夏季來(lái)臨之后，PUE值則更高。

圖3 設(shè)置在樓頂?shù)睦鋮s塔四周的玻璃幕墻（冷卻塔上面的玻璃幕墻撤掉了）

4 運(yùn)行工況的分析

我們都知道：功和能量只能相互轉(zhuǎn)化而不能自動(dòng)消失，因此中央空調(diào)系統(tǒng)本身并不能自身吸收和消除IDC機(jī)樓里的所有數(shù)據(jù)設(shè)備所產(chǎn)生的大量熱量，而是通過(guò)上述中央空調(diào)設(shè)備的制冷機(jī)循環(huán)系統(tǒng)、冷凍水循環(huán)系統(tǒng)、冷卻水循環(huán)系統(tǒng)空氣循環(huán)系統(tǒng)等各個(gè)系統(tǒng)將冷媒進(jìn)行液化和汽化等潛熱交換過(guò)程，這一系列的過(guò)程并沒(méi)有真正地消除熱量，就是說(shuō)這些過(guò)程并沒(méi)有讓機(jī)房里大量熱量真正消失，而最終將IDC機(jī)樓里所產(chǎn)生的大量熱能則是通過(guò)中央空調(diào)系統(tǒng)的水管循環(huán)系統(tǒng)，將熱量最終輸送到冷卻塔后，通過(guò)冷卻塔與大自然中的冷空氣進(jìn)行充分熱交換后，這些機(jī)房里所產(chǎn)生的大量熱量才真正地釋放到我們周圍的大自然的空氣當(dāng)中，再?gòu)目諝猱?dāng)中獲得交換冷量而獲得冷量冷源后，又輸送回到IDC機(jī)樓里為數(shù)據(jù)設(shè)備供冷，這是中央空調(diào)的基本功能。就是說(shuō)，如果中央空調(diào)的冷卻塔與大自然冷空氣中的冷量冷源進(jìn)行熱交換的效率就完全決定了中央空調(diào)的制冷效率。進(jìn)一步說(shuō)，如果中央空調(diào)的冷卻塔若沒(méi)有與大自然冷空氣進(jìn)行熱量交換的話，那么IDC機(jī)樓里就不會(huì)有冷源的供給，中央空調(diào)系統(tǒng)根本就實(shí)現(xiàn)不了制冷效果。

由上述分析可知，中央空調(diào)的制冷效果除了與中央空調(diào)設(shè)備的制冷機(jī)循環(huán)系統(tǒng)、冷凍水循環(huán)系統(tǒng)、冷卻水循環(huán)系統(tǒng)空氣循環(huán)系統(tǒng)等各個(gè)系統(tǒng)正常運(yùn)行效率有關(guān)外，則最主要的決定因素還在于冷卻塔與大自然中冷空氣的冷量冷源源的交換效率的大小。而在本案例中，中央空調(diào)的冷卻塔四周都用玻璃幕墻與大自然中冷空氣相隔離，乃至冷卻塔的正上面還用玻璃幕墻封閉了，這樣的設(shè)計(jì)和安裝施工技術(shù)真是讓人難以置信！所以該IDC機(jī)樓里的PUE值才是如此之高，最終達(dá)到了其它IDC機(jī)樓兩倍以上的PUE值也就理所當(dāng)然了！

除此之外，我們還調(diào)查和發(fā)現(xiàn)了其它一些省市運(yùn)營(yíng)商IDC機(jī)樓中央空調(diào)冷卻塔安裝的一些不合理的案例，發(fā)現(xiàn)有的樓頂冷卻塔四周的樓頂女兒墻設(shè)置得與冷卻塔一樣高度，有的為了美觀，樓頂?shù)呐畠簤ι踔帘壤鋮s塔還高，或者用樓頂?shù)膹V告牌、水塔等擋住了樓頂?shù)睦鋮s塔散熱熱量與大自然冷空氣的冷源充分交換，有的IDC機(jī)樓倚高樓而建等等，如圖4、圖5所示。這些都會(huì)極大地影響樓頂冷卻塔所釋放出來(lái)的熱量與大自然中冷空氣的充分熱交換的效率，從而大大地降低了中央空調(diào)的制冷效率，同時(shí)也會(huì)極大地浪費(fèi)可貴的電量，白白地增加了IDC機(jī)樓運(yùn)營(yíng)的用電費(fèi)用成本，這與我們一直倡導(dǎo)建設(shè)的綠色節(jié)能IDC數(shù)據(jù)中心不盡相符。

圖4 設(shè)置在樓頂冷卻塔四周的障礙物

5 結(jié)語(yǔ)

IDC機(jī)樓首先是運(yùn)行安全第一；其次是全生命周期的運(yùn)營(yíng)成本總體最優(yōu)，其中中央空調(diào)系統(tǒng)的用電運(yùn)營(yíng)成本占了非常高的運(yùn)營(yíng)成本比例，而要保證和提高中央空調(diào)系統(tǒng)的正常運(yùn)行和高效運(yùn)行，則不但與中央空調(diào)設(shè)備的制冷機(jī)循環(huán)系統(tǒng)、冷凍水循環(huán)系統(tǒng)、冷卻水循環(huán)系統(tǒng)、空氣循環(huán)系統(tǒng)等各個(gè)系統(tǒng)正常運(yùn)行效率有關(guān)外，則最主要的決定因素還在于冷卻塔與大自然中冷空氣的冷量冷源的交換效率的大小、散熱途徑流暢，這才是決定中央空調(diào)整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行效率的最關(guān)鍵因素之一，但這一點(diǎn)往往卻被人們所忽略和不夠重視，令人深感遺憾。

圖5 設(shè)置在樓頂冷卻塔四周高高的圍墻

IDC機(jī)樓從中央空調(diào)系統(tǒng)的最初設(shè)計(jì)、施工方案就應(yīng)予以科學(xué)的論證后，再確定最優(yōu)方案，這樣才可以做到事半功倍的效果。建議中央空調(diào)的冷卻塔一定要安裝在空氣充分流通的樓頂和其它地方，并清除一切阻擋中央空調(diào)冷卻塔與周圍附近空氣充分熱交換的障礙物，比如：水塔、廣告牌、超高女兒墻、超高玻璃幕墻等其它阻礙空氣流通的物體，同時(shí)還包括定期清除冷卻塔濾網(wǎng)的雜物，否則中央空調(diào)的制冷效率會(huì)大大降低，白白增加IDC機(jī)樓運(yùn)營(yíng)的用電成本成本和運(yùn)行效率，白白浪費(fèi)可貴的電力資源。

1 GB/T 50378-2019《綠色建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》

2 GB19577-2015《冷水機(jī)組能效限定值及能源效率等級(jí)》

3 YDT1821-2018《通信局(站)機(jī)房環(huán)境條件要求與檢測(cè)方法》