数据中心冷却系统降噪工程案例分析
1 测试与评估背景
某数据中心建在深圳近郊,建设时忽略了冷却塔等室外设备长期运行对周边民居的噪声污染。项目投入运营后1个月内接连收到周边居民的投诉。经实测,距离30 m处的居民房冷却塔A声级噪声达到60 dB以上(测试条件为民房室外,距外墙或窗户1 m,距地面1.5 m),环保局依据GB 3096—2008《声环境质量标准》责令整改,否则要求停止运行。
在此情况下,对安装的冷却塔进行专业的降噪处理。冷却塔降噪的措施为:1) 进出风口周边加装消声静压箱和消声格栅(片式阻性消声,内填离心玻璃棉,护面板为镀锌穿孔钢板,A声级噪声消声量约为10～15 dB);2) 靠近居住区侧加装半封闭隔声屏,减小淋水噪声、减速机和电动机的机械噪声,尽量把噪声控制在隔声屏内,减少传播出去的噪声(隔声屏为全金属框架结构,内置75 mm厚隔声材料;外壳用50 mm厚彩钢夹芯板拼装,消声插片用100 mm厚防潮离心玻璃棉作为吸声层,用憎水玻纤布包覆);3)接水盘加装消声棉(消声填料),在冷却塔落水直接撞击水面之前,先在消声棉上以黏滞减速、挑流分离、疏散洒落等消能形式的过渡,取得消减落水冲击噪声的效果。冷却塔消声降噪做法示意图见图1。降噪后,经过环保部门测试,在距冷却塔30 m处A声级噪声降低到了42 dB(测试条件同上),达到了噪声环境标准 [1]。
图1 冷却塔消声降噪措施示意图
降噪措施会导致冷却塔风量降低,从能效的角度来说,风量降低,冷却塔最大排热能力下降,其他参数如冷却水流量等受到影响较小,可忽略不计。因此,测试分析冷却塔热力性能问题时可简化为分析风量降低对冷却塔有效冷却能力(冷却塔的冷却作用是通过水与空气进行直接或间接的热质交换来实现的,在标准工况下,冷却塔的散热能力也称为冷却能力 [2])的影响。本文对冷却塔降噪工程进行了降噪前后的对比和分析,以确定降噪工程对冷却塔冷却性能的影响。
2 降噪前后的基本情况
2.1 项目设计工况
该项目数据中心机柜数量为453个;机房总设计空调冷负荷为1 305.1 kW;冷水机组额定制冷量为1 512 kW(430 rt),一用一备;设计冷却塔散热量为1 671 kW;设计冷却水流量为288 m3/h;冷却水泵选型额定流量为300 m3/h。
2.2 冷却塔选型
选用AT110-21型冷却塔2台,一用一备。该型号冷却塔的额定设计工况为:冷却能力1 985.47 kW,进/出口水温37 ℃/32 ℃,湿球温度28 ℃,冷却水额定流量342 m3/h,风机功率11 kW(380 V,50 Hz),风机排风量44.7 m3/s,冷却塔内水的蒸发量0.68 m3/s。冷却塔置于3层屋面东侧,屋面高度16.5 m。
3 降噪后冷却塔效率估算
3.1 测试数据
降噪改造前,于2011年11月26日和29日分别进行了2次测试;降噪改造后,于2011年12月21日进行了测试。长边进风面测点分别位于进风口中心线位置1/6,1/2,5/6处,短边进风面测点分别位于进风口中心线位置1/6,1/2,5/6处。计算时根据测点位置将进风口均分为3块,测点均位于每块的中心点。降噪前后测试的相关参数主要有:冷却塔进出口水温、冷却水流量、室外温湿度、冷却塔出风温湿度、风机电流、风机电压、冷却塔进风量,结果如表1,2所示。
表1 冷却塔降噪前测试数据(除风量外,其他参数不变)
| 测点 | 测量次数 | 进风口风速/(m/s) | 平均值/(m/s) | 进风口面积/m2 | 进风量/(m3/s) | |
| 11月26日测 | 11月29日测 | |||||
| 东1 | 1 | 3.56 | 2.87 | 3.36 | 1.35 | 4.54 |
| 2 | 4.32 | 2.99 | ||||
| 3 | 4.32 | 3.14 | ||||
| 东2 | 1 | 5.21 | 3.81 | 3.89 | 1.35 | 5.27 |
| 2 | 4.57 | 3.53 | ||||
| 3 | 4.57 | 3.10 | ||||
| 东3 | 1 | 4.67 | 3.81 | 3.54 | 1.35 | 4.80 |
| 2 | 4.47 | 2.99 | ||||
| 3 | 3.86 | 2.64 | ||||
| 南1 | 1 | 4.22 | 3.45 | 4.04 | 0.74 | 2.97 |
| 2 | 4.72 | 3.76 | ||||
| 南2 | 1 | 5.03 | 3.56 | 4.23 | 0.74 | 3.11 |
| 2 | 4.78 | 3.56 | ||||
| 南3 | 1 | 4.37 | 2.54 | 3.30 | 0.74 | 2.43 |
| 2 | 4.42 | 1.88 | ||||
| 西1 | 1 | 4.83 | 3.35 | 4.10 | 1.35 | 5.55 |
| 2 | 5.33 | 3.85 | ||||
| 3 | 5.08 | 3.63 | ||||
| 西2 | 1 | 4.83 | 3.48 | 3.95 | 1.35 | 5.34 |
| 2 | 5.33 | 3.48 | ||||
| 3 | 4.98 | 3.22 | ||||
续表
| 测点 | 测量次数 | 进风口风速/(m/s) | 平均值/(m/s) | 进风口面积/m2 | 进风量/(m3/s) | |
| 11月26日测 | 11月29日测 | |||||
| 西3 | 1 | 5.38 | 3.71 | 4.02 | 1.35 | 5.44 |
| 2 | 4.72 | 3.30 | ||||
| 3 | 4.32 | 3.86 | ||||
| 北1 | 1 | 3.96 | 2.79 | 3.56 | 0.74 | 2.61 |
| 2 | 4.42 | 3.05 | ||||
| 北2 | 1 | 4.93 | 3.71 | 4.28 | 0.74 | 3.15 |
| 2 | 4.93 | 3.56 | ||||
| 北3 | 1 | 5.08 | 4.57 | 4.72 | 0.74 | 3.47 |
| 2 | 4.57 | 4.67 | ||||
| 合计 | 48.67 | |||||
表2 冷却塔降噪后测试数据（除风量外，其他参数不变）
| 测试参数 | 测量次数 | 进风口风速/(m/s) | 平均值/(m/s) | 进风口面积/m2 | 进风量/(m3/s) | |
| 12月21日上午测 | 12月21日下午测 | |||||
| 东1 | 1 | 4.32 | 2.89 | 3.59 | 1.35 | 4.86 |
| 2 | 5.08 | 2.94 | ||||
| 3 | 4.72 | 3.25 | ||||
| 东2 | 1 | 4.47 | 3.02 | 3.39 | 1.35 | 4.58 |
| 2 | 3.96 | 2.91 | ||||
| 3 | 4.27 | 2.94 | ||||
| 东3 | 1 | 4.27 | 3.05 | 2.91 | 1.35 | 3.94 |
| 2 | 3.96 | 2.74 | ||||
| 3 | 2.95 | 1.73 | ||||
| 南1 | 1 | 4.17 | 3.05 | 3.81 | 0.74 | 2.80 |
| 2 | 4.57 | 3.45 | ||||
| 南2 | 1 | 4.78 | 3.71 | 4.23 | 0.74 | 3.11 |
| 2 | 4.78 | 3.66 | ||||
| 南3 | 1 | 4.62 | 3.66 | 3.89 | 0.74 | 2.86 |
| 2 | 4.01 | 3.25 | ||||
| 西1 | 1 | 5.23 | 3.32 | 3.94 | 1.35 | 5.33 |
| 2 | 5.13 | 3.45 | ||||
| 3 | 4.72 | 3.40 | ||||
| 西2 | 1 | 4.62 | 3.17 | 3.69 | 1.35 | 4.99 |
| 2 | 4.93 | 3.17 | ||||
| 3 | 4.57 | 3.17 | ||||
| 西3 | 1 | 4.67 | 2.94 | 3.26 | 1.35 | 4.41 |
| 2 | 4.62 | 2.79 | ||||
| 3 | 3.66 | 2.44 | ||||
| 北1 | 1 | 4.06 | 3.00 | 3.98 | 0.74 | 2.92 |
| 2 | 5.23 | 3.61 | ||||
| 北2 | 1 | 5.33 | 3.66 | 4.29 | 0.74 | 3.16 |
| 2 | 4.72 | 3.45 | ||||
| 北3 | 1 | 4.52 | 3.25 | 3.52 | 0.74 | 2.59 |
| 2 | 3.51 | 2.79 | ||||
| 合计 | 45.50 | |||||
3.2 降噪前后测试数据对比
因为电子信息设备负载率很低,冷水机组启动时间非常短,测出的冷却水供回水温度和流量变动幅度过大,测试数据无法有效利用;冷却水流量为295.5 m3/h,频率为50 Hz,降噪前后未发生任何变化。表3给出了降噪前后风量降低与冷却塔效率、设计负荷的关系,表4给出了以额定风量为基准,根据风机功率推算降噪前后风量的对比。
3.3 风量测试及分析
3.3.1 通过风机功率分析风量
据测试冷却塔风机功率值,以设备出厂额定风量为基准,结合流体力学公式 [3]可推导出降噪前的风量,该风量为折算到标准工况下的风量,见表4。
表3 降噪前后风量降低与冷却塔效率、设计负荷的关系
| 设计工况 | 冷却塔额定工况 | 降噪前测试工况 | 降噪后测试工况 | 备注 | |
| 冷却塔散热量/kW | 1 671.0 | 1 985.5 | |||
| 冷却水温差/℃ | 5 | 5 | 1～3 | 1～2 | |
| 冷却水流量/(m3/h) | 288.0 | 342.0 | 295.5 | 295.5 | |
| 冷却塔额定风量/(m3/s) | 44.70 | ||||
| 冷却塔实测风量/(m3/s) | 48.67 | 45.50 | 已考虑温度因素折算,取最不利参数 | ||
| 冷却塔折算风量/(m3/s) | 44.70(认为降噪前风机风量为额定风量) | 41.80(根据降噪前后的比例0.935,折算成额定风量) | 折算至风机额定工况,取最不利参数 |
3.3.2 通过进风口风速测量分析风量
降噪前后冷却塔进风口风量测试值对比见表5。
表4 根据风机功率推算降噪前后风量对比
| 设备出厂额定值 | 降噪前测试(2号冷却塔) | 降噪后测试(2号冷却塔) | |
| 电流/A | 18.9 | 18.1 | |
| 电压/V | 409.0 | 387.2 | |
| 功率/kW | 11.0 | 11.4 | 10.9 |
| 风量/(m3/s) | 44.70 | 44.80 | 43.90 |
| 与额定值的风量差/(m3/s) | 0.10 | -0.80 | |
| 与额定值的风量差值比/% | 0.2 | -1.8 | |
| 降噪后与降噪前的风量差/(m3/s) | -0.98 | ||
| 降噪后与降噪前的风量差值比/% | -2.2 |
注:负值表示减少。
表5 降噪前后冷却塔进风口风量测试值对比
| 设备出厂额定值 | 降噪前(2号冷却塔) | 降噪后(2号冷却塔) | 降噪前(1号冷却塔) | 降噪后(1号冷却塔) | |
| 风量/(m3/s) | 44.70 | 48.67 | 45.50 | 48.00 | 46.30 |
| 与额定值的风量差/(m3/s) | 3.97 | 0.80 | 3.30 | 1.60 | |
| 与额定值的风量差值比/% | 8.9 | 1.8 | 7.3 | 3.6 | |
| 降噪后与降噪前的风量差/(m3/s) | -3.17 | -1.7 | |||
| 降噪后与降噪前的风量差值比/% | -6.5 | -3.5 |
注:负值表示减少。
3.3.3 风量测试值分析
1) 从风机功率的角度分析,2号冷却塔降噪前风量比额定值高0.2%;降噪后风量比额定值降低了1.8%,比降噪前降低了2.2%。
2) 从实测值与额定值的角度分析,测试的风量降噪前后均高于额定值。
3) 从实测值降噪前后的角度分析,降噪后,2号冷却塔风量比降噪前降低了6.5%,1号冷却塔风量比降噪前降低了3.5%;2号冷却塔的风量折损率大于1号冷却塔,为了安全起见,以2号冷却塔的折损率进行有效冷却能力计算。
4) 降噪后2号冷却塔风量比降噪前减少了6.5%,以冷却塔额定风量为基准,降噪后的折合风量为44.7 m3/s×(1-6.5%)=41.8 m3/s。
3.4 风量与冷却塔效率分析
3.4.1 理论分析说明
冷却塔内热水与空气之间既有热量传递又有质量传递,德国的麦克尔(Merkel)把传热与传质统一为焓变,从而建立了麦克尔焓差方程。根据Merkel的冷却塔传热传质理论,在一定的淋水填料和塔形条件下,冷却塔本身具有的冷却能力,称为冷却塔特性数,常用Ω表示,特性数Ω越大,则冷却塔的性能越好。
冷却塔特性数Ω为 [4]
Ω=kβxvVQ=cpt1∫t2dth″-h (1)Ω=kβxvVQ=cp∫t2t1dth′′−h (1)
式中 k为蒸发水量散热系数;βxv为容积散质系数,kg/(m3·h)(冷却塔填料特性会随着时间发生改变,通常用容积散质系数衡量其散热性能);V为淋水装置有效容积,m3;Q为冷却水流量,kg/h;cp为水的比定压热容,kJ/(kg·℃);h,h″分别为空气比焓、饱和空气比焓,kJ/kg;t1,t2分别为进、出水温度,℃;t为温度,℃。
βxv的物理意义为单位容积淋水装置有效容积V在单位比焓差Δhm的推动力作用下所能散发的热量。在冷却塔其他因素不变的条件下,βxv越大,冷却塔散热能力越大,塔的体积越小;或者冷却塔的体积不变,冷却水量增加。式(1)最右侧表示冷却塔冷却任务的大小,称冷却特性数或交换数,由设计的进出水温度、温差及大气气象条件决定;式(1)中间为选定的淋水填料所具有的冷却能力,与选择填料的热力性能和气水比有关。对于给定的冷却任务而言,可以选择适当的填料及填料体积来满足冷却任务。式(1)最右侧可用图2所示的冷却塔工艺热平衡形象地表述水与空气之间的关系及焓差推动力 [5]。
图2 冷却塔工艺热平衡示意图
注:tm为平均温度;h1,h2为进出口空气比焓;h″1,h″2为进出口饱和空气比焓;Δhm为进出口空气比焓差。
图2中AB线为饱和曲线,与进出水温度t1和t2有关,CD线为空气操作线,C点比焓为进塔空气比焓,D点比焓为出塔空气比焓,CD线取决于大气条件、气水比λ及温差。
想要严谨地对冷却塔的热力性能作出评价,需要根据实测气水比按式(2) [6]进行计算,并且结合评价指标(实际有效冷却能力与设计冷却能力之比)对冷却塔的热力性能作出评价。
ηsQ=G1Qdλc=QcQd×100% (2)
式中 ηsQ为评价指标;G1为实测进塔空气质量流量,kg/h;Qd为设计冷却水质量流量,kg/h;λc为修正到设计工况下的气水比;Qc为修正到设计工况下进塔水流量,kg/h。
3.4.2 风量对冷却塔效率的影响
该机房冷却塔效率测试因负载率低、室外空气温度偏低等不利因素,很难准确得出实际冷却塔的效率曲线;厂家虽然没有提供该型号冷却塔的效率曲线,但给出了冷却塔在不同气水比工况下的测试性能参数。可由气水比推算出冷却塔的有效冷却能力和评价指标。
根据厂家提供的冷却塔性能参数,计算出2组气水比λt和相对应的冷却塔特性数Ω,分别绘在修正气水比图上,得b1和b2两点,如图3所示。
图3 冷却塔冷却特性曲线图
b1对应的工况:有效冷却能力为1 985.47 kW,湿球温度为28 ℃,水流量为342 m3/h,风量为44.7 m3/s,λt=0.52,Ω=1.29。b2对应的工况:有效冷却能力为1 671.97 kW,湿球温度为29 ℃,水流量为288 m3/h,风量为44.7 m3/s,λt=0.61,Ω=1.43。
由图3及式(2)可以看出:当风量不变时,水流量降低,气水比升高,湿球温度升高,冷却塔的单位水流量冷却能力增大;当风量不变时,随着冷却水流量的降低,冷却塔的综合有效冷却能力降低。
3.5 风量与冷却塔效率、设计负荷的关系
根据实测数据,冷却塔降噪前,在室外温度26.6 ℃、相对湿度61%、水流量295.5 m3/h、风量48.67 m3/s的情况下,λc=0.62。冷却塔降噪后,在室外温度20.6 ℃、相对湿度61.6%、水流量295.5 m3/h、风量45.50 m3/s的情况下,λc=0.59。根据以上数据计算评价指标值,见表6。
表6 降噪前后冷却塔有效冷却能力对比
| 实测进 塔风量/ (m3/s) |
设计冷却 水流量Qd/ (m3/h) |
修正到设 计工况下 的气水比λc |
实测冷却能 力与设计冷 却能力之比 |
降噪后冷却 能力降低百 分比/% |
|
| 降噪前 | 48.67 | 295.5 | 0.62 | 0.896 | |
| 降噪后 | 45.50 | 295.5 | 0.59 | 0.893 | 0.3 |
由表6可知:
1) 降噪前,冷却水流量为295.5 m3/h,冷却塔实际有效冷却能力相当于额定工况下的89.6%;经降噪后,冷却塔实际有效冷却能力相当于额定工况下的89.3%。设备的实际有效冷却能力比降噪前降低约0.3%,没有超过2%。
2) 当冷却水流量为295.5 m3/h时,即使风量从48.67 m3/s降低了6.5%,冷却塔的有效冷却能力为1 985.47 kW×89.3%=1 773.02 kW,依然大于1 671 kW,满足工程项目1 671 kW排热量需求。
可见,降噪后的冷却塔不会影响设计负荷工况下的排热量需求,完全能够满足设计负荷下的工况需求。
4 湿球温度、冷却水进出水温度与有效冷却能力的关系
4.1 室外湿球温度与有效冷却能力的关系
通常冷却塔的选择是根据其制冷量而定的,空调制冷系统冷却塔的循环水量由制冷机的制冷能力、冷却水进出水温差而定(进出水温差指标准工况下设计值,即进/出水温度为37 ℃/32 ℃,湿球温度为28 ℃)。当冷却塔所在地区湿球温度不是标准工况,进出水温度也变化时,其逼近度(出水温度与湿球温度之差)也将变化。如在北京地区,湿球温度为26.4 ℃,进/出水温度为35 ℃/29.5 ℃,其逼近度为3 ℃。逼近度直接影响冷却塔的制冷量,逼近度越小,其冷却能力越小;反之,越大。
根据厂家提供的数据,当冷却塔室外空气湿球温度变化而其他设计额定参数均不变时,冷却塔的有效冷却能力如表7所示。
表7 室外湿球温度与有效冷却能力的关系
| 室外空气湿球温度/℃ | 冷却塔的有效冷却能力计算值/kW |
| 28 | 1 985.47 |
| 29 | 1 877.45 |
| 30 | 1 582.01 |
| 31 | 1 466.46 |
由表7可知,当冷却水进/出水温度为37 ℃/32 ℃时,冷却塔的有效冷却能力衰减速度将加快;而深圳市夏季最大室外湿球温度可能会达到31 ℃ [7],必须采用有效方法降低室外湿球温度升高带来的不利影响,而这种影响远大于冷却塔风量降低5%所带来的影响。
4.2 冷却水进出水温度与有效冷却能力的关系
针对深圳市夏季高温高湿的气候特性,解决方法是调整冷却水的进/出水温度至38 ℃/33 ℃。室外湿球温度29 ℃,调整冷却水进出水温度时,冷却塔有效冷却能力如表8所示。
表8 冷却水进出水温度与有效冷却能力的关系
|
冷却水进/出水 温度/℃ |
温差/℃ | 冷却塔的有效冷却 能力/kW |
| 37/32 | 5 | 1 877.45 |
| 38/33 | 5 | 2 058.93 |
| 39/34 | 5 | 2 446.00 |
由表8可知,当室外湿球温度偏高时,只要维持冷却水进出水温差为5 ℃,冷却塔水量、冷却水的进出水温度与室外湿球温度同步升高,就能够有效提升冷却塔的冷却能力。
5 降噪工艺对冷却能力的影响分析
冷却塔降噪并没有影响有效冷却能力的主要原因:
1) 由于冷却塔降噪对有效冷却能力的影响很难预估,因此对降噪方提出了较高要求,即冷却塔热力性能降低不能超过2%,给降噪方施加了一定的难度。
2) 为了避免超过2%,降噪方尽可能加大了冷却塔底部送风和顶部排风尺寸,降低风路阻力。通过实地测量,取最不利情况(即风量最大降低比例为5.1%)进行设计,结果比预期设想的要好。
3) 冷却塔设计选型时,机房的设计负荷为1 671 kW,而选择的ATI 10-218型号冷却塔额定有效冷却能力达到1 985 kW,约有15.8%余量,这给冷却塔降噪提供了良好的实施条件。
6 结论及建议
1) 从冷却塔额定有效冷却能力角度来说,降噪后冷却塔的有效冷却能力比降噪前降低0.3%。
2) 因为设计选型时有一定的余量,当冷却水流量为295.5 m3/h时,降噪后的冷却塔额定风量由48.67 m3/s降低6.5%(取最不利情况),冷却塔的有效冷却能力为1 773.02 kW,大于机房设计排热量1 671 kW,不会影响设计负荷工况下的排热量,能够满足设计负荷工况需求,不需减少服务器机柜数量。冷却塔的进水流量分布均匀程度和气水比对传热性能具有重要的影响,应保证冷却塔进水流量的分布均匀,更有效地利用冷却塔传热面积,提高冷却塔传热性能。
3) 深圳夏季高温高湿,在湿球温度升高时,冷却塔的冷却水流量、进出水温度需适当随着湿球温度同步升高,保持进出水温差5 ℃,冷水机组的选型需考虑极端冷却水温度,保障冷却塔实际有效冷却能力满足机房排热要求。
建议夏季同时启动2台冷却塔,各承担一半的空调负荷,不仅能降低因冷却塔故障带来的运行风险,还能有效降低冷却塔风机的能耗,降低冷却水的出水温度,提高冷水机组和空调系统效率,降低系统能耗。
参考文献
[1] 中国环境科学研究院,北京市环境保护监测中心,广州市环境监测中心站.声环境质量标准:GB 3096—2008[S].北京:中国环境科学出版社,2008:2-3
[2] 赵振国.冷却塔[M].北京:中国水利水电出版社,2001:113-117
[3] 张兆顺,崔桂香.流体力学[M].北京:清华大学出版社,2015:26-28
[4] MERKEL F V S.Zeitschrift des vereines deutshcer Ingenieure VDI[M].Berlin:[s.n.],1925
[5] 闫全英,刘迎云.热质交换原理与设备[M].北京:机械工业出版社,2010:18-135
[7] 中国气象局气象信息中心气象资料室,清华大学建筑技术科学系.中国建筑热环境分析专用气象数据集[M].北京:中国建筑工业出版社,2005:90-106
作者简介： 韩武松，男，1982年8月生，工学硕士，高级工程师100044北京市西城区车公庄大街19号中国建筑设计研究院有限公司二院E-mail:hws1998@163.com;
收稿日期：2019-03-21
Case study on noise reduction of cooling system in data centers
Han Wusong Tang Ya
China Architecture Design and Research Group Co.,Ltd.
Due to the neglect of the noise pollution of the cooling tower to the surrounding residents in the early stage of the construction of a data center, it is necessary to implement the noise reduction reconstruction project, but the noise reduction will lead to the thermal performance decline of the cooling tower. Through the detailed test and demonstration of the thermodynamic performance of the cooling tower before and after noise reduction, determines the influence of the noise reduction project on the thermal performance of the cooling tower. The effective cooling capacity of the cooling tower after noise reduction is about 0.3% lower than that before noise reduction. It can be seen that after noise reduction, the effective cooling capacity of the data center can be guaranteed. Puts forward some suggestions to ensure the safe, reliable and efficient operation of the cooling tower in the later stage.
data center; cooling tower; noise reduction; thermal performance; cooling capacity; energy consumption;
Received： 2019-03-21
本文引用格式：韩武松， 汤娅.数据中心冷却系统降噪工程案例分析[J].暖通空调，2019，49（12）：43-48，23