20
0 0 20 40 60 80 100
水侧热量 (kW) 填料 空气-水冷却器
△ta1 △ha
表冷器进出口空气温差，K 塔进出口空气焓差，kJ/kg
不平衡率<20%
防冻实验
实测结果_连续运行
20 15 10 5 0 -5 -10 -15 -20 -25 -30 -35 1:40:48 2:52:48 4:04:48 5:16:48 6:28:48 湿球温度 7:40:48 露点温度
结冰的危害 1. 影响冷却塔的散热效果 2. 损坏冷却塔的承重结构、填料等部件 3. 影响冷却塔的使用寿命 如何防止冷却塔结冰&保证冷却塔冬季正常运行？
数据中心的冷却塔
背景介绍
现有冷却塔防冻措施 使用其他设备替代冷却塔 干冷器代替冷却塔 闭式冷却塔代替开式冷却塔
为冷却塔添加额外的热源 缠绕电伴热带 进风口处增加热水水帘 防冻化冰管 改变冷却塔的结构 安装挡风板 改变布水方式
12.8℃ 0.3 g/kg
-14.4℃ 0.3 g/kg
进风
9.7℃
·环境温度-14.4℃ ·塔内干球温度基本在10℃以上
14.5℃
·塔内湿球温度高于0℃
防冻实验实测结果_表冷器 水逆流15 14 13 温度/℃
12
11 10 9 8
2:24:00 2:52:48 表冷器出水 3:21:36 表冷器进水 3:50:24 4:19:12 4:48:00
进风
进水管数 16
管内流速 m/s 0.85
填料参数 波距20mm的PVC填料
长 /m 1.6 宽 /m 1.6 高 /m 3 表冷器进水
准逆流表冷器
防冻实验
测试方法
测试仪器
1.水温 温度自记仪 2.空气温度&相对湿度 温湿度自记仪 3.水流量 电磁流量计 ② ⑤ ④ 4.风量 热球风速仪
①
③
⑥
温度自记仪 温湿度自记仪 电磁流量计
计算条件：
冷却水 回水
进风A
空气流量2.4 kg/s 水流量4.8 kg/s 填料NTU=3.0 表冷器NTU=3.4
表冷后空气B
排风C 回水D 喷淋水E 表冷后水温F 供水G
8.3
11.9 15.0 11.8 5.5 10.0
0.7
8.4
冷却水供水
并联式间接蒸发冷却塔
表冷器能有效加热进风，但加热后空气温度低于串联式
制冷量 /kW 100
防冻实验
机组传热部件性能 表冷器结构与参数 流形—准逆流/顺流 取消上行弯头，便于排净水 减少表冷器结冰风险
水流量 /m3/h 8.6 高 /m 0.81 迎面风速 /m/s 2.5 宽 /m 1.24 长 /m 0.21 迎风面积 /m2 1.00 传热系数 W/m2/K 41.9 传热能力 /KW/K 6 排数 6 表冷器出水
改变冷却塔的运行方式 风机周期性反转 以上措施均不能解决进风温度低的问题
流程介绍
间接蒸发冷却塔
排风 冷却水 回水 冷却塔 填料
风扇
排风
冷却水供水 风水换热器
进风
板 换 冷冻水 回水 进风
冷却水回水 冷 凝 器 蒸 发 器
冷却水供水
冷却水供水
冷却水 回水
串联式间接蒸发冷却塔
并联式间接蒸发冷却塔
防冻原理：进风被空气-水换热器有效加热
冷冻水供水
流程介绍
全年调节策略 夏季 打开阀门2 关闭阀门1 冷却水: 水泵→板换(不工作) →冷凝器→表冷器→塔顶 冷冻水: 蒸发器 冬季&过渡季 关闭阀门2 打开阀门1 冷却水: 水泵→板换→冷凝器(不工作) →表冷器→塔顶 冷冻水: 板换
冷 凝 器
冷却水 回水
冷却水供水
阀门1 板 换 阀门2
风水顺流
表冷器表面测点温度
·管内水温在12℃以上。 ·管壁温度在5℃以上。 ·对于冬季防冻来说，顺 流比逆流的温度更高, 防冻效果更好。
防冻实验
实测结果_填料的传质能力
4500
体积传质系数定义
体积传质系数/(kg/m3/h) 4000 3500 3000 2500
Kd： 传质系数 kg/s/m2 A： 传质面积 m2 V： 填料体积 m³ ·低迎面风速下，填料的体积传质系数2000~4000kg/m3/h
·塔内空气温度在10℃以上，湿球温度在0℃以上
·表冷器表面温度高于5℃，顺流流形防冻效果较好
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2016.11
5.加热功率 钳形功率计
防冻实验
测试/模拟条件 加热 测点 换热器 水流量 空气流量 功率 流型 /kg/s /kg/s /kW 1 4.9 2 4.8 3 4.9 4 4.9 5 4.8 4.54 6 5 逆流 7 6.4 8 6.2 9 6.6 10 6.3 11 6 12 6.2 4.3 13 6.2 3.6 14 6 120 15 6 6 16 顺流 6 17 6 18 6 19 5.8 20 5.7 21 5.9 22 5.6 23 6 逆流 4.1 24 5.7 25 5.6 26 5.6 27 5.9 28 5.8 测试/模拟结果 空气参数 水参数 进风干/湿 表冷后空气温度/℃ 回水温度/℃ 供水温度/℃ 球/℃ 测试结果 模拟结果 测试结果 模拟结果 测试结果 模拟结果 -6.1/-8.2 13.7 13.9 15.7 15.5 9.8 9.6 -5.2/-7.4 14 14.3 16.2 15.8 10.1 9.9 -5.7/-7.9 14.2 14.3 16.2 16 10.2 10 -5.9/-8.1 14.1 13.9 16 15.7 10.1 9.8 -5.8/-8 14 14.1 16.2 15.9 10.1 10 -6/-8.2 14 14.5 16 16 10.1 10 -5.5/-7.5 13 13.3 14.6 14.9 9.9 10.2 -6.0/-7.9 12.9 12.7 14.5 14 10.1 9.6 -7.1/-8.7 12.8 12.8 14.5 14.1 10 9.6 -6.5/-8.2 12.8 12.7 14.5 14.3 10 9.8 -7.3/-8.8 12.7 12.6 14.5 14.6 9.9 10 -7.2/-8.7 15 14.8 16.4 16.3 11.9 11.8 -8.5/-9.8 18.3 18.3 19.3 19.3 15 15 -2.8/-3.6 11.3 10.3 14.6 14.7 10.1 10.2 -3.3/-4.0 11.1 10.8 14.5 14.3 10 9.8 -3.7/-4.4 11.2 10.9 14.5 14.5 9.9 9.9 -3.2/-3.9 11.4 10.7 14.6 14.5 10.1 10 -2.7/-3.4 11.5 11.3 14.9 14.9 10.4 10.4 -11.7/-13.5 13 12.2 14.9 14.9 10.3 10.2 -13.2/-14.8 13.6 12.6 15.1 14.7 10.5 10.1 -13.8/-15.3 13.5 12.9 15.3 15.2 10.5 10.4 -13.2/-14.8 13.6 12.5 15.2 15.3 10.4 10.5 -13.3/-14.8 13.5 13.4 15.1 15.2 10.4 10.5 -13.6/-15.3 13.6 13.3 15.1 15.2 10.4 10.5 -13.7/-15.3 13.5 13.1 15.1 15.3 10.3 10.5 -13.8/-15.4 13.3 12.5 14.9 14.5 10.3 9.9 -14.4/-15.9 13 12.8 14.6 14.8 10 10.2 -14.4/-16 12.8 12.9 14.5 14.9 9.7 10.1
机房回水
蒸 发 器
只调节冷冻水侧阀门，不调节冷却水 消除冷却水可能存在的死水管路 防止冬季死水管路结冰
机房供水
模拟分析
数学模型
传热
水
空气
传质
塔板
饱和湿空气膜
模拟分析
计算结果_串联式
排风
进风
冷却水供水
冷却水 回水
计算条件： 空气流量2.4 kg/s 水流量4.8 kg/s
状态点 进风A 表冷后空气B
温度/℃ -9.9 13.4
含湿量/g/kg 0.7 0.7
串联式间接蒸发冷却塔
填料NTU=3.0
表冷器NTU=3.4
排风C
回水D 表冷后水温E 供水F
11.6
15.0 12.2 10.0
8.3
塔内空气温度在10℃以上
模拟分析
计算结果_并联式
排风
进风
状态点
温度/℃ -9.9
含湿量/g/kg 0.7
实测结果 ·冷却塔连续运行 ·散热量一定 ·28个工况点 ·两种表冷器流型 ·多种风量和水量 ·多种进风参数
实验工况点能量平衡校验
100
计算方法
80
填料 +20% 水侧热量 风侧热量
表冷器
风侧热量 (kW)
60
40
-20%
cpw mw ma
△tw △tw1
水的定压比热，kJ/kg/K 水流量，kg/s 空气流量，kg/s 塔内水温降，K 表冷器进出口水温差，K
数据中心冷却塔冬季防冻的流程和实验
冯潇潇 江亿 谢晓云
清华大学建筑节能研究中心 2016.11
目录
1. 背景介绍
2. 流程介绍 3. 模拟分析 4. 实测结果 5. 小结
背景介绍
冷却塔结冰问题
数据中心需要全年冷却 北方寒冷及严寒地区冬季平均气温低于0℃ 在需要全年冷却的建筑中，冷却塔结冰现象十分严重
运行条件 ·连续运行4个半小时 ·进风温度低于-10℃ ·风机低频率运行