CN108105898A - 一种用于数据中心的绝热闭式冷却系统及其冷却方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于数据中心的绝热闭式冷却系统，绝热闭式蒸发冷却塔、水冷冷水机组和数据中心空调末端通过阀门连接，控制系统通过控制阀门来实现以下三种模式切换：冷水机组冷却模式，水冷冷水机组作为冷源，通过冷水机组的蒸发器为数据中心空调末端进行冷却；自然冷却模式，采用绝热闭式冷却塔作为冷源，为数据中心空调末端进行冷却；预制冷却模式，采用绝热闭式蒸发冷却塔和水冷式冷水机组串联运行的方式，绝热闭式蒸发冷却塔出水直接进入冷水机组蒸发器进一步冷却后，对数据中心空调末端进行冷却。本发明新增预制冷却模式，该冷却模式采用冷水机组和绝热闭式冷却塔串联运行的模式，冷水机组运行时间大大缩短，耗电量大大下降。

Description

一种用于数据中心的绝热闭式冷却系统及其冷却方法

技术领域

本发明涉及工业冷却领域，尤其是涉及一种用于数据中心的绝热闭式冷却系 统及其冷却方法。

背景技术

随着云计算和大数据的快速发展,数据中心的能耗已经成为备受关注的课题。 数据中心的能耗中，空调系统的能耗达到40％～60％,数据中心主要采用两 个技术指标来评价能耗和水耗情况，能耗用PUE值，PUE为电能利用效率，是所 有用电设备消耗的总电能与所有IT设备消耗的总电能之比，水耗用WUE，是数 据中心水资源消耗量与数据中心IT设备全年消耗电量的比值，单位为L/kwh。 数据中心PUE在全球机房的平均值是2.0，在发达国家的平均值约为1.8，而 数据中心PUE平均值最低的是在日本部分地区，但是在我国的大部分地区，数 据中心的能耗过高,大多数的PUE平均值仍普遍大于2.0，与国际先进水平 相比有较大差距，节能潜力巨大。数据中心水耗主要是用于冷却塔的消耗，主要 包括换热蒸发耗水、飘溢耗水和排污耗水。

数据中心机柜数量决定机柜发热量，机柜数量越多发热量越大，根据数据中 心发热量从小到大，空调和冷却水系统的主机可采用精密空调，风冷冷水机组或 水冷冷水机组等，本发明论述的是应用水冷冷水机组和冷却塔的数据中心冷却系 统。

为了降低数据中心的PUE，现有冷却系统已采用自然冷却技术，本发明论 述的自然冷却技术为冷却水系统自然冷却技术，冷冻水供水温度为12℃，并且 数据中心常年发热需要制冷，因此在环境温度较低时利用冷却塔即可为空调末端 供冷，无需开启冷水机组或部分开启冷水机组，冷水机组在空调系统运行中为主 要的耗电设备之一，因此不开冷水机组或部分开启冷水机组可大大降低PUE值。

现有大型数据中心冷却水系统主要有两种：(1)水冷式冷水机组、开式冷却 塔和板式换热器相结合的开式冷却系统；(2)水冷式冷水机组和闭式冷却塔相结 合的闭式冷却系统。开式冷却系统(1)的运行根据环境气温的不同可以采取多 种模式，夏季时采用冷水机组制冷模式，供给空调末端的冷冻水由水冷冷水机组 制取，冷却塔为水冷冷水机组的冷凝器提供冷却水，板式换热器不使用；冬季采 用冷却塔制冷模式，水冷冷水机组停止运行，冷却塔制取的冷却水经过板式换热 器与空调末端的回水进行热交换，将冷却水的冷量交换至空调末端；过渡季节采 用预制冷模式，环境温度介于冷冻水的供水温度和回水温度之间，水冷冷水机组 部分负荷运行，另一部分负荷由冷却塔的冷却水通过板式换热器交换至冷冻水侧。 闭式冷却系统(2)的运行根据环境气温的不同也可以采用多种模式，夏季时采用冷水机组制冷模式，运行方式与开式冷却系统夏季制冷模式一致；冬季时采用 冷却塔制冷模式，闭式冷却系统无板式换热器，因此冷却水可直接供给空调末端。

数据中心开式冷却系统主要存在以下特点：1)开式冷却塔作为冷却水的冷 却部件，冷却水与空气直接接触，容易生长细菌和微生物，水质较差，对水冷冷 水机组的冷凝器、冷却水循环管道和板式换热器造成结垢、脏堵等问题；2)开 式冷却塔利用填料作为换热部件，风水与填料直接接触面积大，换热效率高，耗 水量也巨大；3)空调末端不方便清洗对水质要求高，不可以将冷却水直接通入 空调末端，因此开式冷却水系统必须安装板式换热器，将空调末端的内循环水的 热量传热至冷却塔冷却水的外循环，一般存在1.5～2℃的换热温差，为了利用自 然冷却，环境温度必须低1.5～2℃才能利用自然冷却，因此冷水机组开机时间会 延长，水冷冷水机组电机功率十分巨大，整年运行耗电较多；4)开式冷却水系统 为了更好利用自然冷却，在过渡季节采用预制冷的冷却方式，该冷却方式下，供 给空调末端的冷冻水经过的板式换热器和水冷式冷水机组的蒸发器是串联，冷却 塔冷却后的冷却水经过板式换热器和水冷式冷水机组的冷凝器也是串联的，冷冻 水和冷却水分别由板式换热器和冷水机组的蒸发器、冷凝器隔开，水流量控制系 统相对容易，对于冷水机组而言，蒸发器和冷凝器有最小流量要求，不同模式下 水泵的扬程差别不大。

数据中心闭式冷却水系统主要存在以下特点：1)闭式冷却塔作为冷却水的 冷却部件，换热器内部的冷却水与空气不直接接触，可以较好保证水质，不会影 响管道、水冷式冷水机组冷凝器、空调末端换热器的结垢和脏堵；由于闭式水系 统水质较好，无需板式换热器，因此冬季自然冷却的冷却水满足供水水温要求时 可以直接供给空调末端，无开式冷却系统的换热温差，冷水机组停机时间长，和 开式冷却系统相比，整年运行耗电较少；传统闭式冷却塔的喷淋水泵如果停掉， 闭式冷却塔的冷却能力大幅衰减，因此喷淋水泵不能停掉，喷淋水在过渡季节和 冬季时蒸发量大，对于冷却没有帮助，无效蒸发耗水量加大，常年运行耗水量比 开式冷却塔略少，但是绝对耗水量仍然巨大；传统闭式冷却水系统，只有夏季冷 水机组冷却模式和冬季冷却塔冷却模式，无预制冷模式，导致过渡季节仍需开冷 水机组，耗电量大。

开式冷却塔和闭式冷却塔的耗水主要有三部分，散热蒸发耗水、漂水耗水以 及排污耗水。开式或闭式冷却塔的水的蒸发带走大量热量，蒸发水量和热负荷、 风水比、环境相对湿度有关，若风水比未经过优化，无效蒸发量会较大，传统开 式冷却塔和闭式冷却塔常年喷淋运行，散热蒸发耗水率(耗水率为蒸发水量与5℃ 进出水温差时循环水量的比值)为1％～1.5％。开式冷却塔由于喷淋水即为冷却 水，结构特征决定风机距离喷头较近，飘水严重，耗水率为0.5％；开式冷却塔 与大气接触面大，微生物和藻类容易繁殖，为了减缓结垢，需要在冷却塔水池设 计水处理设备，钙镁等金属离子不断浓缩后，需要定期排高浓度金属离子污水才 能确保不结垢，开式冷却塔排污水量大，排污耗水率根据原水水质差距较大 (1％～5％不等)。传统闭式冷却塔由于常年喷淋，无效蒸发耗水量大，因此水盘 内加药后金属离子浓度也交易浓缩，排污量次于开式冷却塔。综合比较，开式冷 却塔的耗水率为2％～4％，闭式冷却塔的耗水率为1.5％～2％，开式冷却塔的耗水 量比闭式冷却塔的耗水量大。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于数据中心的绝热闭式冷却系统，以解决现有数 据中心耗水量巨大、降低能耗、减少排污量的需求，是一种环保型数据中心冷却 水系统解决方案。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种用于数据中心的绝热闭式 冷却系统，包括绝热闭式蒸发冷却塔、水冷冷水机组、内外循环泵组和数据中心 空调末端，所述水冷冷水机组包括冷凝器和蒸发器，其特征在于所述绝热闭式蒸 发冷却塔、水冷冷水机组和数据中心空调末端通过阀门连接，控制系统通过控制 阀门来实现以下三种模式切换；

冷水机组冷却模式，水冷冷水机组作为冷源，通过水冷冷水机组的蒸发器为 数据中心空调末端进行冷却，冷却塔承担水冷冷水机组冷凝器的负荷；

自然冷却模式，采用绝热闭式冷却塔作为冷源，为数据中心空调末端进行冷 却；

预制冷却模式，采用绝热闭式蒸发冷却塔和水冷冷水机组串联运行的方式， 绝热闭式蒸发冷却塔出水直接进入水冷冷水机组蒸发器进一步冷却后，对数据中 心空调末端进行冷却。

进一步地，冷凝器的输出端与绝热闭式蒸发冷却塔的输入端连接，绝热闭式 蒸发冷却塔的输出端通过外循环泵组与冷凝器的输入端连接，蒸发器输出端通过 内循环泵组连接至数据中心空调末端输入端，并从数据中心空调末端输出端回流 至蒸发器输入端，所述外循环泵组和冷凝器输入端之间依次设置第二阀门和第三 阀门，所述第二阀门和第三阀门的连接处与冷凝器输出端之间设置第四阀门；所 述蒸发器输入端与数据中心空调末端之间依次设置第六阀门和第七阀门，所述第 六阀门和第七阀门连接处与蒸发器输出端之间设置第八阀门，所述外循环泵组和 第二阀门连接处还通过第一阀门连接至第六阀门和第七阀门的连接处，第二阀门 和第三阀门连接处还通过第五阀门连接至第七阀门和数据中心空调末端连接处， 所述各阀门均和控制系统连接。

进一步地，所述控制系统还与外循环泵组变频器和内循环泵组变频器连接。

进一步地，所述数据中心空调末端输入端设置供水温度传感器和供水压力传 感器，所述数据中心空调末端输出端设置回水温度传感器和回水压力传感器，绝 热闭式冷却塔上安装环境温湿度传感器，所述供水温度传感器、供水压力传感器、 回水温度传感器、回水压力传感器、环境温湿度传感器均与控制系统连接，控制 系统根据环境温湿度传感器、供水温度传感器和回水温度传感器测得的温度值来 确定切换模式。

进一步地，所述绝热闭式蒸发冷却塔顶部设风机，绝热闭式蒸发冷却塔上部 设铜管铝翅片换热器，铜管铝翅片换热器设进水口和出水口，绝热闭式蒸发冷却 塔下部设绝热加湿装置，底部设储水区，铜管铝翅片换热器上方设有喷淋头，喷 淋头通过喷淋泵与储水区相连，储水区还通过绝热加湿增压泵、电磁阀连接至绝 热加湿装置，所述绝热闭式蒸发冷却塔可在以下三种运行模式中切换，三种运行 模式分别为绝热冷却模式、喷淋冷却模式和干式冷却模式，由风机和绝热加湿装 置实现绝热冷却模式，由喷淋头实现喷淋冷却模式，由风机实现干式冷却模式， 且以绝热冷却为主，喷淋和干式冷却为辅。

本发明的另一目的在于提供一种用于数据中心的绝热闭式冷却方法，以解决 现有数据中心耗水量巨大、降低能耗、减少排污量的需求，是一种环保型数据中 心冷却水系统解决方案。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种用于数据中心的绝热闭 式冷却方法，其特征在于该方法包括三种模式

冷水机组冷却模式，水冷冷水机组作为冷源，水冷冷水机组的蒸发器为数据 中心空调末端进行冷却，冷却塔承担水冷冷水机组冷凝器的负荷；

自然冷却模式，采用绝热闭式冷却塔作为冷源，采用自然冷却模式为数据中 心空调末端进行冷却；

预制冷却模式，采用水冷冷水机组冷却结合冷却塔冷却相结合的模式，即采 用绝热闭式蒸发冷却塔和水冷冷水机组串联运行的方式，绝热闭式蒸发冷却塔出 水直接进入水冷冷水机组蒸发器进一步冷却后，对数据中心空调末端进行冷却；

控制系统根据环境温湿度传感器、供水温度传感器和回水温度传感器测得的 温度值来确定切换的模式。

进一步地，冷水机组冷却模式下，开启第二阀门、第三阀门、第六阀门和第 七阀门，关闭第一阀门、第四阀门、第五阀门和第八阀门，启动内循环泵组和外 循环泵组，水冷冷水机组的蒸发器制取冷冻水，经过内循环泵组输送至数据中心 空调末端，被空调末端回风加热后利用水泵余压回至水冷冷水机组蒸发器形成循 环；冷却水进入绝热闭式蒸发冷却塔进行冷却后，经过外循环泵组输送至水冷冷 水机组的冷凝器升温后通过水泵余压返回至绝热闭式冷却塔形成循环。

进一步地，自然冷却模式下，开启第一阀门、第四阀门、第五阀门和第八阀 门，关闭第二阀门、第三阀门、第六阀门和第七阀门，启动内循环泵组，关闭外 循环泵组，绝热闭式蒸发冷却塔冷却后的水作为供给的冷冻水，经过内循环泵组 输送至数据中心空调末端，被空调末端回风加热后通过内循环水泵的余压回至绝 热闭式冷却塔，形成循环，水冷冷水机组停止运行。

进一步地，预制冷却模式下，开启第一阀门、第三阀门、第五阀门和第六阀 门，关闭第二阀门、第四阀门、第七阀门和第八阀门，启动内循环泵组，关闭外 循环泵组，冷却水经过绝热闭式冷却塔冷却后，进入水冷冷水机组的蒸发器进一 步冷却后通过内循环泵组输送至空调末端加热升温后，利用内循环水泵余压经过 水冷冷水机组的冷凝器升温后，回至绝热闭式冷却塔形成循环，先经过所述绝热 闭式蒸发冷却塔冷却，后经过所述内循环泵组输送至所述水冷冷水机组的蒸发进 一步冷却降温，利用所述内循环泵组余压经过所述数据中心空调末端后形成循环 夏季运行时冷水机组为用户供冷，绝热闭式冷却塔为冷凝器冷却。

进一步地，所述绝热闭式蒸发冷却塔顶部设风机，绝热闭式蒸发冷却塔上部 设铜管铝翅片换热器，铜管铝翅片换热器设进水口和出水口，绝热闭式蒸发冷却 塔下部设绝热加湿装置，底部设储水区，铜管铝翅片换热器上方设有喷淋头，喷 淋头通过喷淋泵与储水区相连，储水区还通过绝热加湿增压泵、电磁阀连接至绝 热加湿装置，根据环境温湿度传感器、供水温度传感器和回水温度传感器测得的 温度值，所述绝热闭式蒸发冷却塔可在以下三种运行模式中切换，三种运行模式 分别为绝热冷却模式、喷淋冷却模式和干式冷却模式，由风机和绝热加湿装置实 现绝热冷却模式，由喷淋头实现喷淋冷却模式，由风机实现干式冷却模式，且以 绝热冷却为主，喷淋和干式冷却为辅。

本发明的有益技术效果为：

绝热闭式蒸发冷却系统新增预制冷却模式，该冷却模式采用水冷冷水机组和 绝热闭式冷却塔串联运行的模式，水冷冷水机组部分负荷运行，与开式冷却系统 相比且无板式换热器，可直接供冷给空调末端，因此水冷冷水机组运行时间大大 缩短，水冷冷水机组耗电量大大下降，与闭式冷却系统相比过渡季节水冷冷水机 组部分负荷运行，另一部分冷量由绝热闭式蒸发冷却塔冷却，水冷冷水机组的负 荷下降，同样可降低全年水冷冷水机组的耗电量，因此相比现有技术，绝热闭式 蒸发冷却系统的耗电量下降；

绝热闭式蒸发冷却系统冬季自然冷却模式和过渡季节预制冷却模式下，外循 环泵组关闭，内循环泵组开启，并根据数据中心负荷变频调节流量，外循环泵组 功率较大，过渡季节和冬季运行时间较长，关闭外循环泵组可以大大降低数据中 心能耗。

冬季自然冷却模式和过渡季节预制冷却模式下，可将自然环境的冷量利用充 分，来自绝热闭式蒸发冷却塔冷却水的冷量可直接全部或部分供给数据中心末端， 无间接式换热器，无换热温差，减少水冷冷水机组运行时间，大大降低数据中心 能耗。

绝热闭式蒸发冷却塔采用绝热加湿冷却为主、喷淋冷却和干式冷却为辅的冷 却方式替代开式冷却塔或闭式冷却塔常年喷淋模式，绝热加湿冷却耗水量为喷淋 冷却耗水量的50％，大大降低耗水量，节省不可再生的水资源；

绝热闭式蒸发冷却塔系统的耗水量降低，补水量也随之下降，为了降低结垢 风险和抑制微生物生长的水处理设备和化学药剂即可减少，可大大降低排污费用 和环保压力；

绝热闭式蒸发冷却系统采用PLC控制系统以及行自动化控制部件可准确测 量环境的散热条件以及热负荷，通过系统的自动化部件调节系统各部件的运行状 态，匹配冷却需求，环境温度下降或负荷减小，可自动降低冷却塔、水冷冷水机 组、内外循环水泵的运行功率，冷却塔的耗水量从而调低冷却能力，最终实现降 低能耗、水耗的目标。系统自动化监测和运行大大降低设备的维护难度，节省用 户运行成本。本发明应用绝热闭式冷却塔，采用以绝热加湿冷却为主，喷淋冷却 和干式冷却为辅的运行策略，可以大大降低水系统耗水量，减少加药量，利于环 镜保护。

附图说明

图1是数据中心绝热闭式蒸发冷却系统的流程图。

图2是绝热闭式蒸发冷却塔的结构示意图。

图3是图2的左视图。

图4是现有数据中心开式冷却系统的流程图。

图5是开式冷却系统和绝热闭式冷却系统运行费用对比图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明的技术方案作进一步详细地说说明：

一种用于数据中心的绝热闭式冷却系统，包括：绝热闭式蒸发冷却塔1、外 循环泵组2、内循环泵组3、水冷冷水机组4、PLC控制系统5、自动化控制部件 6、定压补水装置7、数据中心空调末端8、同程式系统管道9，绝热闭式冷却系 统根据环境温湿度传感器6-16和供水温度传感器6-9、回水温度传感器6-10计 算出的数据中心热负荷自动控制运行在冷水机组冷却模式、自然冷却模式和预制 冷却模式。

所述数据中心空调末端8的供水水温常年要求恒定在范围12～18℃，并且常 年发热量大，需要每日24小时为所述数据中心空调末端8提供冷冻水。

夏季室外环境温度较高，采用冷却机组作为冷源，为冷水机组冷却模式，该 模式下开启图1的阀门第二阀门6-2、第三阀门6-3、第六阀门6-6、第七阀门6-7， 关闭第一阀门6-1、第四阀门6-4、第五阀门6-5、第八阀门6-8，内循环泵组3 和外循环泵组2均起动，内循环泵组变频器6-14根据供水压力传感器6-10和回 水压力传感器6-13的差值与设定值对比自动调节，水冷冷水机组4的蒸发器制 取冷冻水，经过内循环泵组3输送至数据中心空调末端8，被空调末端回风加热 后利用水泵余压回至水冷冷水机组蒸发器形成循环，冷却水进入绝热闭式蒸发冷 却塔1进行冷却后，经过外循环泵组2输送至水冷冷水机组4的冷凝器升温后通 过水泵余压返回至绝热闭式冷却塔形成循环，该模式下水冷冷水机组的蒸发器承担数据中心空调末端的全部负荷，冷却塔承担水冷冷水机组冷凝器的负荷。该模 式下绝热闭式冷却塔可运行在喷淋模式和绝热加湿模式，根据环境温湿度传感器 6-16和数据中心热负荷(供水温度传感器6-9、回水温度传感器6-10)自动判断 确定，湿球温度越高、热负荷越大，运行在喷淋模式，反之运行在绝热加湿模式。 喷淋模式下冷却能力强，耗水率为1～1.5％，且喷淋泵和风机全部开启，耗电量 大，绝热冷却模式下绝热闭式冷却塔的冷却能力稍弱，耗水率为0.5％，喷淋泵 关闭，风机数量可减少，因此耗水量大大减少，耗电量也比喷淋模式小，由于耗 水量减少导致金属离子结垢速率减缓，投放的水处理药剂量减少，排污量也随之 减少。

冬季室外环境温度较低，采用绝热闭式冷却塔作为冷源，为自然冷却模式， 开启第一阀门6-1、第四阀门6-4、第五阀门6-5、第八阀门6-8，关闭第二阀门 6-2、第三阀门6-3、第六阀门6-6、第七阀门6-7关闭，内循环泵组3起动，外 循环泵组2关闭，内循环泵组变频器6-14根据供回水压力传感器差值(回水压 力传感器6-13、供水压力传感器6-12)自动调节；绝热闭式蒸发冷却塔冷却后 的水作为供给的冷冻水，经过内循环泵组3输送至数据中心空调末端8，被空调 末端回风加热后通过内循环水泵的余压回至绝热闭式冷却塔，形成循环，水冷冷 水机组4、外循环泵组2停止运行，自然冷却模式下绝热闭式冷却塔可运行在喷 淋模式、绝热加湿模式和干式冷却模式下，根据环境湿球温度和数据中心热负荷 自动判断确定，湿球温度越高、热负荷越大，运行在喷淋模式，随着湿球温度和 热负荷下降，可运行在绝热加湿模式和干式冷却模式，喷淋模式下冷却能力强， 耗水率为1％，且喷淋泵和风机全部开启，耗电量大，绝热冷却模式下绝热闭式 冷却塔的冷却能力稍弱，耗水率为0.5％，喷淋泵关闭，风机数量可减少，因此 耗水量大大减少，耗电量也比喷淋模式小。

过渡季节环境温度介于夏季和冬季之间，采用水冷冷水机组冷却结合冷却塔 冷却相结合的模式，为预制冷却模式，采用绝热闭式蒸发冷却塔和水冷冷水机组 串联运行的方式，开启第一阀门6-1、第三阀门6-3、第五阀门6-5、第六阀门6-6， 关闭第二阀门6-2、第四阀门6-4、第七阀门6-7、第八阀门6-8关闭，内循环泵 组3启动外循环泵组2关闭，冷却水经过绝热闭式冷却塔冷却后，进入水冷冷水 机组4的蒸发器进一步冷却后通过内循环泵组3输送至空调末端8加热升温后， 利用内循环水泵余压经过水冷冷水机组4的冷凝器升温后，回至绝热闭式冷却塔 形成循环，先经过所述绝热闭式蒸发冷却塔1冷却，后经过所述内循环泵组3 输送至所述水冷冷水机组的蒸发进一步冷却降温，利用所述内循环泵组3余压经 过所述数据中心空调末端8后形成循环夏季运行时水冷冷水机组为用户供冷，绝 热闭式冷却塔为冷凝器冷却，冬季运行时绝热闭式冷却塔的冷却水直接为用户供 冷。过渡季节冷却塔出水温度低于18℃即可进入预制冷模式，冷却塔出水(低 于18℃)直接进入水冷冷水机组蒸发器，出水降至12℃，回水先经过冷凝器后 进入冷却塔，由于充分利用自然冷量，冷水机组负荷降低，耗电量大大降低。

绝热闭式蒸发冷却塔由风机1-1、第一电磁阀1-2、绝热加湿装置1-3、铜管 铝翅片换热器1-4、喷淋泵1-5、第二电磁阀1-6、液位传感器1-7、绝热加湿增 压泵1-8、喷雾管补水管1-9组成，如图所示，所述绝热闭式蒸发冷却塔顶部设 风机1-1，绝热闭式蒸发冷却塔上部设铜管铝翅片换热器1-4，铜管铝翅片换热 器1-4设进水口1-10和出水口1-11，绝热闭式蒸发冷却塔下部设绝热加湿装置 1-3，底部设储水区，铜管铝翅片换热器1-4上方设有喷淋头，喷淋头通过喷淋 泵1-5与储水区相连，储水区还通过绝热加湿增压泵1-8、第二电磁阀1-6连接 至绝热加湿装置1-3，绝热加湿装置1-3还通过第一电磁阀1-2、喷雾管补水管 1-9与外界连接。储水区设有溢流口1-12和排污口1-13。

绝热闭式蒸发冷却塔运行可随时切三种运行模式，采用以绝热冷却模式为主、 喷淋冷却模式和干式冷却模式为辅的策略，全年运行可大大降低耗水量；喷淋冷 却模式下，风机1-1、喷淋泵1-5开启，绝热加湿装置1-3、电磁阀1-2、电磁阀 1-6、绝热加湿增压泵关闭，所述喷淋冷却模式绝热闭式冷却塔的换热能力最强， 耗水率较高，为1～1.5％，耗电量也相对较高，风机1-1数量可根据冷却需求增 加或减少，喷淋冷却模式适用于夏季环境温度较高的情况；绝热冷却模式下风机 1-1、绝热加湿装置1-3、电磁阀1-2、电磁阀1-6、绝热加湿增压泵开启，喷淋泵 1-5关闭，绝热加湿增压泵根据液位传感器1-7的信号间歇性开启，所述绝热加 湿冷却模式的换热能力稍弱，仅次于喷淋冷却模式，耗水率大幅下降，为0.5％， 耗电量随着风机数量减少也大幅下降，绝热加湿冷却模式适用于过渡季节；干式冷却模式下，风机1-1开启，喷淋泵1-5开启、绝热加湿装置1-3、电磁阀1-2、 电磁阀1-6、绝热加湿增压泵关闭，绝热闭式蒸发冷却塔无水的蒸发，冷却能力 虽然下降，但是无耗水，适用冬季环境温度较低的情况。需要注意的是，这里所 述的夏季、冬季和过渡季节与总系统中的夏季、冬季和过渡季节的控制策略并不 完全相同，但是都是根据环境温湿度传感器、供水温度传感器和回水温度传感器 测得的温度值来确定切换的模式。

绝热闭式蒸发冷却系统冬季自然冷却模式和过渡季节预制冷却模式下，外循 环泵组关闭，内循环泵组开启，根据数据中心负荷变频调节流量，由于预制冷却 模式下水系统水路流程最长，阻力最大，内循环水泵设计时按照最大扬程设计， 并配置变频器，在夏季冷水机组冷却模式和冬季自然冷却模式下通过变频降低流 量，外循环泵组功率较大，过渡季节和冬季运行时间较长，关闭可以大大降低数 据中心能耗。

绝热闭式蒸发冷却系统采用绝热闭式蒸发冷却塔1，替代传统开式冷却塔或 闭式冷却塔，与开式冷却塔相比，从原理上可解释耗水量更小，与传统闭式冷却 塔常年喷淋运行模式为主相比，由于采用三种冷却模式分段运行，且运行时间以 绝热加湿冷却为主，耗水量比现有技术大幅下降；耗水量下降，可降低冷却塔水 盘内的补水量，工业用水中含一定浓度钙、镁等金属离子，若不添加缓释阻垢剂 容易结垢，浓度越高越容易结垢，降低冷却塔水盘内容易引起结垢的金属离子浓 度，从而减少水盘内缓释阻垢剂的加药量，减少排污水量，降低环保风险和成本。

绝热闭式蒸发冷却水系统采用PLC控制系统5以及行自动化控制部件6，采 集绝热闭式冷却塔上安装温湿度传感器6-16、供水温度传感器6-9、回水温度传 感器6-10，本发明所述的数据中心应用设置参数会随着使用当地的气象条件不同 而设置不同参数，若当地夏季设计湿球温度为28℃，数据中心空调末端8的供 水温度为12℃，回水温度为18℃，当环境湿球温度高于21℃，且供回水温差不 小于4℃，判断为夏季冷水机组冷却模式，若供回水温差小于4℃，判断为预制 冷却模式；当湿球温度低于21℃，以冷却塔出水温度为依据判定运行模式，当 冷却塔出水温度低于12℃，且供回水温差小于4℃，则运行在自然冷却模式，若 温差大于4℃，那么运行预制冷冷却模式；当冷却塔出水温度介于12～21℃，且 当供回水温差不小于4℃，那么运行预制冷却模式。在不同的系统运行模式下， 根据冷却塔的出水温度与设定的曲线参数，可判断绝热闭式蒸发冷却塔的运行模 式；PLC控制系统5可优化水冷冷水机组4、绝热闭式蒸发冷却塔1、内循环泵 组3、外循环泵组2的耗电部件，充分利用环境冷却能力，降低运行电功耗和耗 水量。

某数据中心冷却水系统的设计工况，水冷冷水机组以4台制冷量为1900TR (1RT为3.516kw)的冷水机组为一个单元，水冷冷水机组3用1备，共4个单 元，冷却塔夏季设计工况下循环水流量为3600m3/h，冷却塔的进出水设计水温 37/32℃，湿球温度29℃，冬季设计工况下冷却塔循环水流量2863m3/h，水温 18/12℃，湿球温度为8℃，要求常年给空调末端的供水温度为12℃，回水温度 为18℃。

本发明以绝热闭式蒸发冷却传统与开式冷却系统对比，比较运行能耗和水耗 以及运行费用；

图4所示为开式冷却系统的流程图。开式冷却塔逼近度(冷却塔的出水温度 与湿球温度的差值)为2.5℃，板式换热器冷热两侧流体设计温差1.5℃；夏季室 外环境温度较高，采用冷却机组作为冷源，为冷水机组冷却模式，开式冷却塔为 冷水机组冷凝器冷却，该模式下开启图4的阀门10-8、10-10、10-12，关闭阀门 10-6、10-7、10-9、10-11、10-13，内循环泵组10-3和外循环泵组10-2、开式冷 却塔10-1、冷水机组10-4均起动，板式换热器10-5不工作，当开式冷却塔出水 温度高于18℃，即可运行在冷水机组冷却模式；冬季室外环境温度较低，采用 开式冷却塔为冷源，该冷却模式下开启阀门10-6、10-9、10-11、10-13，关闭阀 门10-7、10-8、10-10、10-12、，内循环泵组10-3、外循环泵组10-2、开式冷却 塔10-1均起动，板式换热器10-5工作，冷水机组10-4停机，当冷却塔出水温度 低于12℃，采用开式冷却塔制冷模式；过渡季节采用开式冷却塔和冷水机组相 结合制冷的模式，开启阀门10-7、10-9、10-10、10-11，关闭阀门10-6、10-8、 10-12、10-13，内循环泵组10-3、外循环泵组10-2、开式冷却塔10-1均起动， 板式换热器10-5工作，冷水机组10-4工作在部分负荷。

开式冷却系统运行耗水耗电计算如下表。

而根据本发明的具体实施例，绝热闭式冷却塔逼近度(冷却塔的出水温度与 湿球温度的差值)也为2.5℃，当绝热闭式冷却塔出水温度高于18℃时，进入完 全冷水机组冷却模式，绝热闭式冷却塔为水冷冷水机组的冷凝器提供冷却水，水 冷冷水机组、内外循环泵组、绝热闭式冷却塔均运行；当冷却塔出水温度12<t<18℃ 时，进入预制冷却模式，绝热闭式冷却塔冷却后的出水先进入水冷冷水机组蒸发 器，冷水机组部分负荷运行，控制供水温度为12℃，因此供回水温差小于6℃ (18-12＝6℃)，冷水机组负荷下降，降低压缩机功耗。此模式下，内外循环水泵 串联运行，水流量通过变频器控制一致，水冷冷水机组、内外循环泵组、绝热闭 式冷却塔均运行；当绝热闭式冷却塔出水温度<12℃，进入冷却塔冷却模式，冷 却塔冷却模式下水冷冷水机组关闭，冷却负荷全部由绝热闭式冷却塔承担，耗电 量最低。

绝热闭式冷却塔方案各部件耗水耗电计算详见下表。

绝热闭式冷却塔方案耗水耗电表

开式冷却系统和绝热闭式冷却系统运行状态对比如下：

运行比较表

*备注：开式冷却水系统板式换热器冷热流体的温差按1℃计算，开式冷却塔逼 近度2.5℃，绝热闭式冷却塔的逼近度为2.5℃。

开式冷却系统和绝热闭式冷却系统的耗水耗电数据对比见图5。

通过详细计算两种方案发现，开式冷却水系统由于板换两侧的水存在1.5℃ 的换热温差，无论是冷却塔冷却模式还是预制冷模式，自然冷量利用效率相对低 些，两种模式的运行时间比绝热闭式冷却塔方案的完全冷却塔冷却模式和预制冷 模式分别短些，因此绝热闭式冷却系统的冷水机组耗电低；

如果开启完全冷却塔冷却模式，开式冷却水系统需要同时开启内外循环水泵， 而绝热闭式冷却塔只需要开启内循环水泵，该模式下内循环水泵克服冷却塔和沿 程管道阻力降，与夏季冷水机组制冷模式需要克服蒸发器和沿程管道阻力降相比， 扬程没有太大变化，因此比开塔板换方案节省了水泵开启时间，水泵功率较高， 节省电费明显；

绝热闭式冷却塔的风机和水泵总功率比开式冷却塔的总功率要高，综合计算 以上部件耗电，绝热闭式冷却系统比开塔板换系统节电7.1％；

考虑到数据中心使用的水冷冷水机组的冷却水进水温度限制(低于12.7℃可 能会导致离心冷水机组报警)，若采用开式冷却水系统，需要开启外循环旁通让 冷凝器水温维持在12.7℃以上，耗水大又耗能；而采用绝热闭式冷却塔方案，在 过渡季节时采用绝热加湿模式或干式冷却模式，可以让冷凝器进水温度维持在 12.7℃以上，如果采用变频水泵，节水和节能效果明显；

开式冷却塔耗水量大，主要分三部分，散热蒸发、漂水以及排污，开塔常年 喷淋运行，散热蒸发消耗的水大(1％～1.5％)，绝热闭式冷却塔有喷淋、喷雾、 干式等冷却模式，随着用户负荷和环境温度变换自动切换，喷雾模式耗水率较低 (0.5％)，干式无耗水，因此绝热闭式冷却蒸发的水比开式冷却塔小。开塔由于 结构原因无收水器，飘水率比闭式冷却塔高。另外开式系统与大气接触面大，微 生物和藻类容易繁殖，为了减缓结垢，需要在外循环设计水处理设备，金属离子 不断浓缩后，需要排污才能确保不结垢。根据多个开式系统和绝热采集数据，总 体上开式系统的耗水率为1.5％，比绝热闭式冷却系统要高的多，绝热闭式冷却 系统比开塔板换系统节水27％。

开式系统即使采用加药处理，由于水质变差使得冷凝器容易结垢，导致其换 热温差加大。若采用自动反清洗旁滤装置，需要增加额外电功率以及维护成本； 而绝热闭式冷却塔的工艺水循环是闭式系统，水质得到充分保证，水冷冷水机组 的冷凝器不容易结垢，因此对机组效率影响较小；同时由于水质差和严重的污垢 对管道和设备(包括水冷冷水机组、电动阀门，水泵等)有不同程度的腐蚀和损 害，大大降低整个水冷却系统的可靠性和寿命。

Claims (10)

1.一种用于数据中心的绝热闭式冷却系统，包括绝热闭式蒸发冷却塔、水冷冷水机组、内外循环泵组和数据中心空调末端，所述水冷冷水机组包括冷凝器和蒸发器，其特征在于所述绝热闭式蒸发冷却塔、水冷冷水机组、内外循环泵组和数据中心空调末端通过阀门连接，控制系统通过控制阀门来实现以下三种模式切换；

冷水机组冷却模式，水冷冷水机组作为冷源，通过水冷冷水机组的蒸发器为数据中心空调末端进行冷却，冷却塔承担水冷冷水机组冷凝器的负荷；

自然冷却模式，采用绝热闭式冷却塔作为冷源，为数据中心空调末端进行冷却；

预制冷却模式，采用绝热闭式蒸发冷却塔和水冷冷水机组串联运行的方式，绝热闭式蒸发冷却塔出水直接进入水冷冷水机组蒸发器进一步冷却后，对数据中心空调末端进行冷却。

2.如权利要求1所述的一种用于数据中心的绝热闭式冷却系统，其特征在于冷凝器的输出端与绝热闭式蒸发冷却塔的输入端连接，绝热闭式蒸发冷却塔的输出端通过外循环泵组与冷凝器的输入端连接，蒸发器输出端通过内循环泵组连接至数据中心空调末端输入端，并从数据中心空调末端输出端回流至蒸发器输入端，所述外循环泵组和冷凝器输入端之间依次设置第二阀门和第三阀门，所述第二阀门和第三阀门的连接处与冷凝器输出端之间设置第四阀门；所述蒸发器输入端与数据中心空调末端之间依次设置第六阀门和第七阀门，所述第六阀门和第七阀门连接处与蒸发器输出端之间设置第八阀门，所述外循环泵组和第二阀门连接处还通过第一阀门连接至第六阀门和第七阀门的连接处，第二阀门和第三阀门连接处还通过第五阀门连接至第七阀门和数据中心空调末端连接处，所述各阀门均和控制系统连接。

3.如权利要求2所述的一种用于数据中心的绝热闭式冷却系统，其特征在于所述控制系统还与外循环泵组变频器和内循环泵组变频器连接，所述内循环变频泵组频率在自然冷却模式下比在冷水机组模式下高，所述内循环变频泵组频率在预制冷模式下比自然冷却模式下更高。

4.如权利要求3所述的一种用于数据中心的绝热闭式冷却系统，其特征在于所述数据中心空调末端输入端设置供水温度传感器和供水压力传感器，所述数据中心空调末端输出端设置回水温度传感器和回水压力传感器，绝热闭式冷却塔上安装环境温湿度传感器，所述供水温度传感器、供水压力传感器、回水温度传感器、回水压力传感器、环境温湿度传感器均与控制系统连接，控制系统根据环境温湿度传感器、供水温度传感器和回水温度传感器测得的温度值来确定切换模式。

5.如权利要求2所述的一种用于数据中心的绝热闭式冷却系统，其特征在于所述绝热闭式蒸发冷却塔顶部设风机，绝热闭式蒸发冷却塔上部设铜管铝翅片换热器，铜管铝翅片换热器设进水口和出水口，绝热闭式蒸发冷却塔下部设绝热加湿装置，底部设储水区，铜管铝翅片换热器上方设有喷淋头，喷淋头通过喷淋泵与储水区相连，储水区还通过绝热加湿增压泵、电磁阀连接至绝热加湿装置，所述绝热闭式蒸发冷却塔可在以下三种运行模式中切换，三种运行模式分别为绝热冷却模式、喷淋冷却模式和干式冷却模式，由风机和绝热加湿装置实现绝热冷却模式，由喷淋泵实现喷淋冷却模式，由风机实现干式冷却模式。

6.一种用于数据中心的绝热闭式冷却方法，其特征在于该方法包括以下三种模式：

冷水机组冷却模式，采用水冷冷水机组作为冷源，水冷冷水机组的蒸发器为数据中心空调末端进行冷却，冷却塔承担水冷冷水机组冷凝器的负荷；

自然冷却模式，采用绝热闭式冷却塔作为冷源，采用自然冷却模式为数据中心空调末端进行冷却；

预制冷却模式，采用水冷冷水机组冷却结合冷却塔冷却相结合的模式，即采用绝热闭式蒸发冷却塔和水冷冷水机组串联运行的方式，绝热闭式蒸发冷却塔出水直接进入冷水机组蒸发器进一步冷却后，对数据中心空调末端进行冷却；

控制系统根据环境温湿度传感器、供水温度传感器和回水温度传感器测得的温度值来确定切换的模式。

7.如权利要求6所述的一种用于数据中心的绝热闭式冷却方法，其特征在于冷水机组冷却模式下，开启第二阀门、第三阀门、第六阀门和第七阀门，关闭第一阀门、第四阀门、第五阀门和第八阀门，启动内循环泵组和外循环泵组，水冷冷水机组的蒸发器制取冷冻水，经过内循环泵组输送至数据中心空调末端，被空调末端回风加热后利用水泵余压回至水冷冷水机组蒸发器形成循环；冷却水进入绝热闭式蒸发冷却塔进行冷却后，经过外循环泵组输送至水冷冷水机组的冷凝器升温后通过水泵余压返回至绝热闭式冷却塔形成循环。

8.如权利要求6所述的一种用于数据中心的绝热闭式冷却方法，其特征在于自然冷却模式下，开启第一阀门、第四阀门、第五阀门和第八阀门，关闭第二阀门、第三阀门、第六阀门和第七阀门，启动内循环泵组，关闭外循环泵组，绝热闭式蒸发冷却塔冷却后的水作为供给的冷冻水，经过内循环泵组输送至数据中心空调末端，被空调末端回风加热后通过内循环水泵的余压回至绝热闭式冷却塔，形成循环，水冷冷水机组停止运行，所述内循环变频泵组频率在自然冷却模式下比冷水机组模式下高。

9.如权利要求6所述的一种用于数据中心的绝热闭式冷却方法，其特征在于预制冷却模式下，开启第一阀门、第三阀门、第五阀门和第六阀门，关闭第二阀门、第四阀门、第七阀门和第八阀门，启动内循环泵组，关闭外循环泵组，冷却水经过绝热闭式冷却塔冷却后，进入水冷冷水机组的蒸发器进一步冷却后通过内循环泵组输送至空调末端加热升温后，利用内循环水泵余压经过水冷冷水机组的冷凝器升温后，回至绝热闭式冷却塔形成循环，先经过所述绝热闭式蒸发冷却塔冷却，后经过所述内循环泵组输送至所述水冷冷水机组的蒸发器进一步降温，利用所述内循环泵组余压经过所述数据中心空调末端后形成循环夏季运行时水冷冷水机组为用户供冷，绝热闭式冷却塔为冷凝器冷却，所述内循环变频泵组频率在预制冷模式下比自然冷却模式下更高。

10.如权利要求7~9中任一项所述的一种用于数据中心的绝热闭式冷却方法，其特征在于所述绝热闭式蒸发冷却塔顶部设风机，绝热闭式蒸发冷却塔上部设铜管铝翅片换热器，铜管铝翅片换热器设进水口和出水口，绝热闭式蒸发冷却塔下部设绝热加湿装置，底部设储水区，铜管铝翅片换热器上方设有喷淋头，喷淋头通过喷淋泵与储水区相连，储水区还通过绝热加湿增压泵、电磁阀连接至绝热加湿装置，根据环境温湿度传感器、供水温度传感器和回水温度传感器测得的温度和湿度值，所述绝热闭式蒸发冷却塔可在以下三种运行模式中切换，三种运行模式分别为绝热冷却模式、喷淋冷却模式和干式冷却模式，由风机和绝热加湿装置实现绝热冷却模式，由喷淋头实现喷淋冷却模式，由风机实现干式冷却模式，且以绝热冷却为主，喷淋和干式冷却为辅。