数据中心制冷系统在设计与建设过程中一般按满负荷N+1或2N架构进行，数据中心初期上架率较低、热负荷较低，此时进入冬季运行模式，制冷系统既要保证数据中心制冷安全又要做好自身防冻措施，同时应对外界气温骤降、负荷突增、设备故障等的风险。

闭式冷却塔主要由 蒸发换热盘管 、 喷淋水系统 、 引风系统 、 结构框架 4个部分构成。

冷却水在盘管内封闭循环，喷淋水在盘管外形成水膜蒸发吸热，引风系统将箱体外部温度湿度均较低空气引入箱体与盘管、喷淋水换热，同时带走喷淋水蒸发后的水蒸气，从而达到为冷却水降温的目的。

因为其封闭的冷却水系统，避免了杨絮、沙尘污染，使制冷系统运行时安全性提高，减少了因水质差造成的冷凝器换热降效现象，其水质也可以在冬季运行时将冷冻水冷却水直接连通，使用冷却塔+精密空调模式（无板换模式）直接进行数据中心自然冷却，从而起到节能减排的作用。

也正因为其封闭的冷却换热盘管构造，冻结的风险较大，华北地区数据中心冬季低负荷运行需要采取必要的防冻措施以及相应的应急预案。

#1 低负荷状态下冬季闭式冷却塔的应对措施

1.1 设计时对低温低负荷运行的考量

在数据中心设计之初，设计人员需要充分考虑初期低负荷状态下低温运行的应对措施，并在施工过程中完成。低温低负荷状态下要尽量减少冷却水系统的散热，主要措施有 减少散热面积 、 控制通风量 、 提高冷却水水温 等。所以会从以下几个方面进行设计。

1）选用模块化、组合式、有温控箱控制的可变风量、可变喷淋水量的冷却塔。

闭式冷却塔主要部件之一为换热盘管，大多数冷却塔由多个单独的散热模块组合而成。可以通过 控制换热盘管模块的大小 （盘管排数、直径、总换热面积等），给 换热模块设计独立进出水控制阀门 ，为冷却塔小模块运行提供可能。

通风量是冷却塔散热能力的重要考核指标，通风量越大，换热能力越强。低负荷运行的情况下需要做到 风量可调 ，如使用变频控制系统控制风扇转速从而实现风量调节，也可以使用 多风机组合 ，改变风机投用数量实现冷却塔风量的调节。同理，喷淋水的循环水量也可以如此调节。

2）冷却塔喷淋水集水盘需要有电加热及温控箱设计。

当喷淋水循环量为零时 ，喷淋水无法通过热交换得到充足的热量，在集水盘中不断散热，会造成结冰现象。结冰后，首先会对设备本身造成损坏如胀裂集水盘、冻裂喷淋泵；其次会造成需要喷淋水降温时却无水可用的后果。电加热可以设定在 3℃加热，8℃停止 ，既确保运行安全又避免电加热的频繁启停。

3）冷却塔相关水系统管道需要增加电伴热、保温及自动温控箱设计。

冷却塔相关水系统管道有冷却水管道、喷淋水管道、补水管道以及排水、排污管道。

冷却水管道在室外面积较大，在低负荷运行时有些冷却塔模块会被弃用，冷却水管道很可能无水循环流动，长时间（3~4个月）在低温条件下散热，管内水容易冻结。

喷淋水在闭式冷却塔低负荷运行时也为间歇性运行，喷淋泵、喷淋水管道长时间停用，内部水均有冻结风险。

由于冷却塔冬季低负荷运行时蒸发量很小，补水也是间歇性的，长时间无流动无室温自来水的热量补充，很容易冻结。

另外，在冬季冷却塔清洗、排污过程中，排水、排污管路温度很低、散热很快，管道内的积水及阀门处的死水很容易发生冻结，造成管路、阀门等位置的损坏。

所以 以上管道均应增加电伴热、保温及自动温控箱 。温控箱设定点宜设置在室外温度 低至3℃时 自动送电运行。

4）冷却水系统有补热功能。

冷却水系统补热功能可以通过使用市政供暖热源经过板换实现，也可以通过自备小锅炉或者管道上直接增加电加热单元等方法实现。

这样做首先可以实现工程冬季竣工、无负荷状态下管道冲洗、设备调试期间防止水冻结的功能；其次可以提高冷却水水温实现低负荷下冬季冷却水防冻的功能。

1.2 运行管理需采取的措施与方案

1）充分评估现有热负荷，使之与闭式冷却塔换热盘管模块相匹配，多余的备用模块进行泄水操作。

负荷与流量最低要求。 在低温季节到来前，需对数据中心内负荷进行计算：可以根据设计手册进行理论计算之后根据实际用电量、机柜使用率等实际运行数据进行复核调整，得到最真实的负荷值。此负荷为冷却水的热源，确保冷却水在循环过程中不冻结。

根据某品牌闭式冷却塔厂家数据，当实际负荷不低于单模块铭牌散热量的5%，流量不低于铭牌循环水量80%、管内最小水流速不小于0.5m/s时，冷却水在换热盘管内不会冻结。

考虑运行安全因素决定运行单元。因数据中心安全性的高标准要求，需要尽量保证2N个或N+1个完整的制冷单元同时运行达到基本的备份要求，防止因设备故障造成的运行生产事故。

备用设备的泄水作业。根据负荷评估结果结合运行安全需求，确定需要运行的冷却塔模块数量，对不使用的冷却塔模块进行泄水作业，防止冻结。

2）检查电加热、电伴热系统状态。

在入冬前需要检查辅热系统、冷却系统相关管道电伴热等是否正常。

3）对冷却塔进行必要的改造。

使用橡塑保温对冷却塔四壁进行包裹，在冷却塔进风口使用橡塑板、塑料薄膜或棉门帘做成可开启可调节风口。

4）运行过程中严格控制冷却水水温、循环水量。

运行过程中严格监控水流量不低于单模块的80%，监测冷却塔出水温度不低于5℃，低于此值启动应急预案。为达到此目标可以进行以下作业。

适度提高冷却水水温 。根据运行经验，在运行过程中，适当降低精密空调设定值，并增加空调开启的台数在供冷量不变时会提高冷却水温度。如果将冷却水温度由设计值12℃提升至14℃，在不过分影响安全运行的情况下，可以大大提高冷却水防止冻结的能力，同时还延长了自然冷却模式运行的时间。

闭式冷却塔作为干式冷却器使用 。在低负荷状态下，换热盘管优先在干式状态下运行，不开启喷淋系统，只通过风机变频器调节冷却塔通风量，依靠干冷器原理进行散热，可以有效减少散热量，确保冷却水不冻结。

喷淋泵进行点喷观察 。当通风量达到最大，水温仍持续升高时，喷淋泵投用。投用过程可以点动喷淋泵，立刻停止，防止冷却水水温骤降。同时调整通风量，加大喷淋量，使散热量与负荷平衡，达到出水水温恒定。

5）检查BA系统的报警功能。

使用低负荷运转方案前，冷却水温低温报警、高温报警、流量报警应该进行检查，并根据冬季运行方案进行报警值修订。

#2 未采用乙二醇溶液作为防冻剂的说明

在有些冬季把冷塔作为冷源的制冷系统中，运维人员为了防冻会在冷却水系统中加入乙二醇作为防冻剂使用。但是在闭式冷塔+室内精密空调机（无板换）的运行系统中，未能采用，主要有以下因素进行考虑：

1）乙二醇溶液比热容比水低，载冷量低，会造成冷却塔、精密空调机等换热设备的降效。

2）乙二醇溶液有一定的腐蚀性，室内精密空调机表冷器盘管壁较薄，会降低其使用寿命。

3）乙二醇溶液有一定渗透性，对于由丝扣连接的精密空调机进出水口增加了渗漏的隐患。

4）冷冻水和冷却水系统连通后，系统水量大大增加，需要添加的乙二醇剂量也大大增加，成本过大。