R6-01 一次侧冷源：冷却塔、干冷器与水侧经济器

课程代码 R6-01 · 板块 R 算力中心与液冷 / R6 冷源、自然冷却与能效 时长 约 3.0~3.5 小时（6 讲） 适合对象 要为机房定冷源方案的系统岗与设计岗（主修）；做能效方案、要在用水与电耗之间给结论的方案岗（主修）；负责冷源设备采购与技术协议评审的选型岗（主修，可略读第 4 讲的统计推导，直接用第 6 讲的决策树与清单）；机电顾问、总包与运维岗（选修，读第 1、2、5 讲即可）。 前置 R5-03 逼近温度与换热器选型 逼近温度与换热器选型；A2-04 湿空气物理与焓湿图：空调负荷计算基石 湿空气物理与焓湿图：空调负荷计算基石。⚠ 建议同时具备 R1-03 机房热环境等级与供液温度等级（ASHRAE A 级与 W 级） 机房热环境等级与供液温度等级 的基础；没有也能读，但第 4 讲的反推链会读得吃力。 本讲义定位 讲师授课蓝本 / 学员自学讲义。本课是选型方法课，不是取值手册——它教你把「用冷却塔还是干冷器」这个看起来靠经验拍板的问题，还原成一条由当地气象、设备水温要求与水资源条件共同决定的可算链条；⛔ 它不给任何可以直接抄进项目的自然冷却小时数、耗水量、逼近温度值或能效数字，那些量随气候区、设备要求、水质与运行策略而变，抄一个数就是把别人的边界条件搬进你的项目。

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你手上的事	直接看	还要配
项目刚立项，要在冷却塔与干冷器之间选一个	第 6 讲 6.1：选型决策树	第 2 讲 2.6：分界判据的六个输入
想判「这个地方到底能不能不用水」	第 2 讲 2.3：干湿球温差是决定性变量	第 5 讲 5.4：无水少水方案的代价
设备侧给了供液温度要求，不知道冷源该做到多冷	第 4 讲 4.1：从设备要求反推到冷源出水	R5-03 逼近温度与换热器选型 逼近温度那一环
要估这个方案一年能有多少小时不开压缩机	第 4 讲 4.3：温频统计的做法	R6-02 自然冷却小时数与气候区选址 自然冷却小时数本体
水司说取水指标紧张，要判方案还成不成立	第 5 讲 5.1~5.2：水量平衡与耗水下限	第 5 讲 5.5：用水与能耗同表比较
供应商说「加绝热预冷就相当于冷却塔」，想判这话有没有水分	第 2 讲 2.5：绝热预冷是中间态不是等价物	第 5 讲 5.4
要评审一份别人做的冷源方案	第 6 讲 6.3：评审十二问	第 6 讲 6.2：输入清单
方案已经定了冷却塔，运行后发现补水量远超估算	第 5 讲 5.1：浓缩倍数与排污	〈常见误区〉陷阱三

⛔ 本课不覆盖 · 栏一（每样带去向）：自然冷却小时数的气象数据来源、气候区划分与逐时统计方法本体 → R6-02 自然冷却小时数与气候区选址；能效与用水指标（PUE / WUE / ERF / REF）的口径定义与监管要求 → R6-03 能效指标体系：PUE / WUE / ERF / REF 的口径与监管；分配单元换热器那一环的逼近温度机理、换热面积权衡与全周期经济性算法 → R5-03 逼近温度与换热器选型；分配单元的形态与整机选型 → R5-01 CDU 形态与选型：液-液 / 液-气；二次侧水质、电导率与膨胀管理 → R5-02 二次侧水质、压力与膨胀管理；供液温度等级与机房热环境等级的分级体系 → R1-03 机房热环境等级与供液温度等级（ASHRAE A 级与 W 级）；机房气流组织与风侧末端 → R2-01 冷热通道封闭与机房气流组织、R2-03 机房风侧末端与送风方式选型；冷板本体与二次侧均流 → R3-01 冷板结构与流道设计、R3-02 二次侧流量分配与并联均流；湿空气物性、露点与焓湿图的完整推导 → A2-04 湿空气物理与焓湿图：空调负荷计算基石；蒸气压缩循环本体与机组能效曲线 → C1-01 汽车空调制冷系统原理与部件匹配；冷却水水质、缓蚀与阻垢配方 → H7-01 冷却液（乙二醇型）配方、性能与劣化；标准全景与各体系分别管什么 → R8-01 标准全景：ASHRAE / OCP / GB / EU 各管什么。

⛔ 本课不覆盖 · 栏二（真正不给的数）：① 任何标准、规范或法规的条款内容、等级取值与限值——本课涉及的数据中心能效与用水指标体系、数据中心设计规范只写「它管什么、在哪一步卡住你」，⛔ 未逐条核过原文，编号与版次一律以现行有效目录为准，本课不复述任何一条条款，也不给任何限值；② 任何地点的自然冷却小时数——它由当地逐时气象数据与你自己的目标水温共同决定，本课只给算法，不给结果；③ 任何具体冷源产品的逼近温度、风量、耗水量与价格——它们随盘管排数、填料形式、风机配置与商务条件变化；④ 水价、电价与取水指标——它们是项目的地方性商务与行政输入，不是工程量。

⚠ 栏二之外的平台相关量（冷却塔逼近温度、干冷器逼近温度、浓缩倍数、飘水率、单位排热耗水量、目标设施水温、自然冷却小时数、冷源风机与泵的输配功率占比），本课照给典型区间与常见值锚点，逐条标注「⚠ 典型值、⛔ 不是验收依据，须实测确认」并写明拿到它的路。汇总表在 1.6。

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引言：这道题的答案不在设备样本里

一个新机房要定冷源，团队开会。有人说用冷却塔，理由是「出水温度低，自然冷却时数长，能效好」；有人说用干冷器，理由是「不用水，省事，也没有军团菌的风险」。两边都拿得出案例，都说得出道理，会开到最后通常是资历最深的那个人拍板——而拍板的依据，往往是他上一个项目做了什么。

这就是本课要拆掉的第一个印象：冷源选型不是一道有标准答案的技术题，也不是一道靠经验拍板的偏好题。它是一道有明确输入的计算题，只是那些输入不在设备样本里。

它们在三个地方：

第一，在当地的气象数据里。干冷器能把水做到多冷，取决于当地的干球温度；冷却塔能做到多冷，取决于湿球温度。这两个温度在同一时刻可以差得很远，也可以几乎相等——差多少完全由当地气候决定。在干燥的内陆，两者可能相差很大，冷却塔的优势明显；在湿热的沿海，两者可能贴得很近，冷却塔那点优势要用一整套水处理系统去换。同一个设备方案，换个地方，结论可以反过来。

第二，在设备侧的水温要求里。冷源不是把水做得越冷越好——它只需要满足一个上限。这个上限从芯片的要求出发，一路扣掉分配单元的逼近温度、扣掉管路的输配温升，最后落到冷源出口上。而这个上限每高一度，冷源能独立满足它的小时数就多一截。所以「设备允许多高的水温」和「冷源能做到多低的水温」是同一道题的两端，⛔ 不能分开做。

第三，在水资源与用水指标里。冷却塔的每一度温度优势都是用蒸发的水换来的，而水在很多地方不是一个可以随便扩大的输入——它有取水许可、有水价阶梯、有在部分法域已经进入报告义务的用水效率指标。一个在能耗上占优、在用水上不成立的方案，不是一个更好的方案，是一个过不了审的方案。

把这三样摆在一起，冷源选型就变成了一件可以写进决策文件的事：给定地点、给定目标水温，各种冷源分别能在一年中多少小时里独立满足这个目标，各自要花多少水、多少电，哪些时段必须靠压缩机兜底。这条链上的每一步都能算，也都必须写明输入的来源。

本课就是把这条链一步一步走完。

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第 1 讲　热最终排到哪里

本讲的目标只有一个：让你能在一张纸上画出「机房的热从哪里出去、每一条路径的天花板由哪个环境参数决定」，并说清三种冷源为什么必须组合使用。这一讲不涉及任何设备内部机理，它是后面所有讲的地基。

1.1 所有的热最后都进大气，区别只在推它上去的代价

机房里的电，几乎全部变成了热。这些热不会消失，也没有第二个去处——除了极少数把余热卖给周边热用户的项目（那属于热回收，是另一件事，属主是 R6-03 能效指标体系：PUE / WUE / ERF / REF 的口径与监管 的余热利用率那一栏），绝大多数机房的热，最终一定进入室外空气。

既然终点相同，冷源之间的差别就只剩一件事：把热从「机房里那个温度」推到「室外空气那个温度」，各自付什么代价，以及各自能推到多低。

• 干冷器：让室外空气流过盘管，热以显热的形式传给空气。空气升温带走热。代价是风机电耗。⛔ 不消耗水。
• 冷却塔：让水与空气直接接触，一小部分水蒸发。蒸发要吸收汽化潜热，这部分热就跟着水蒸气走了。代价是风机电耗加上被蒸发掉的水。
• 机械制冷：用压缩机做功，把热从低温侧搬到高温侧，人为制造出一个足够大的温差。代价是压缩机电耗，而且量级上远大于前两者的风机电耗。

⚠ 第三条有一个容易被忽略的性质，图 1 里那根折回的虚线画的就是它：机械制冷并没有把热排到大气，它只是把热搬到了一个更高的温度上；这些热（加上压缩机做的功）最后仍然要靠干冷器或冷却塔排掉。所以在一个完整的方案里，机械制冷永远是叠加在前两者之上的一层，⛔ 不是与它们并列的第三个选项。这一点在算冷凝侧散热量时经常被漏掉——冷凝侧要排的热是蒸发侧吸的热加上压缩功，⛔ 不等于机房的热负荷。

1.2 前两条路径的天花板，各由一个环境温度决定

这是本课全部推导的物理起点，两句话：

干冷器的出水温度必然高于当时的室外「干球」温度。 冷却塔的出水温度可以低于干球温度，但必然高于当时的室外「湿球」温度。

为什么？

干冷器是一个纯粹的显热换热器。它的两侧是循环水与空气，热只能从热的一侧流向冷的一侧。如果出水温度已经等于进风的干球温度，两侧没有温差，就不再有热流。⇒ 出水温度必然高于干球，高多少取决于换热能力。这是热力学第二定律的直接后果，⛔ 没有任何设备设计可以绕过。

冷却塔的机理不同：水直接与空气接触，一部分水蒸发进入空气。蒸发过程从剩余的水里吸走汽化潜热，所以水可以被冷到低于进风干球温度。它的极限是湿球温度——湿球温度的物理含义正是「一小股水在绝热条件下与大量空气充分接触后能达到的最低温度」。⇒ 冷却塔出水必然高于湿球，高多少取决于填料与风量。

⚠ 这里要立刻消掉一个常见误解：湿球温度不是「更低的一个温度」，它是同一时刻同一团空气的另一个属性。干球温度只看空气有多热，湿球温度同时看空气有多热和有多干。空气越干，水越容易蒸发，湿球就比干球低得越多；空气接近饱和时，水几乎蒸发不动，湿球就贴近干球。⇒ 湿球恒不高于干球，两者之差完全由当地的空气湿度决定。湿空气物性与焓湿图的完整推导属于 A2-04 湿空气物理与焓湿图：空调负荷计算基石，本课只用这一条结论。

1.3 于是有了本课的核心式子

把 1.2 的两句话写成一个统一的形式：

T_cs ＝ T_ref ＋ ΔT_ap,cs

其中：

• T_cs　冷源出水温度（K 或 ℃）。这是冷源交付给设施侧的东西，也是整条温度链的起点。⚠ 本符号与 R5-03 逼近温度与换热器选型 的 T_cs 是同一个量、同一个口径（冷源出水断面），本课直接沿用，⛔ 不另起符号。
• T_ref　参照环境温度。干冷器取干球温度 T_db，蒸发式冷源取湿球温度 T_wb。
• ΔT_ap,cs　冷源自身的逼近温度。干冷器写作 ΔT_ap,dc，冷却塔写作 ΔT_ap,ct。

这个式子的三个性质，值得逐条停一下：

第一，T_ref 你改不了。它是天气。你能做的只有两件事：选址（换一个 T_ref 分布更有利的地方，属主 R6-02 自然冷却小时数与气候区选址），或者改变参照量本身（从干球换到湿球，也就是从干冷器换到冷却塔——而这要付水）。

第二，ΔT_ap,cs 是花钱买的。它由换热能力决定：想让它小，就要加换热面积、加风量。这和 R5-03 逼近温度与换热器选型 里分配单元换热器那一环的逻辑完全一样——收益递减，且风量加大意味着风机电耗上升。⇒ 冷源的逼近温度不是一个可以无限压小的量，它有一个由成本和占地决定的经济区间。

第三，T_ref 是逐时变化的，所以 T_cs 也是逐时变化的。规格书上那个「设计工况出水温度」只是一年 8760 小时里的一个点，通常还是最不利的那个点。冷源方案的经济性，写在其余那 8759 个小时里。这是第 4 讲整讲的内容。

1.4 符号约定与跨课口径提醒（⛔ 这一节别跳）

本课有一个符号必须先说清楚，否则你会在两门课之间读出矛盾。

⚠ 「逼近温度」这个词，在本课程体系里被用在两个不同的设备上，指的是两个不同的温差。

	本课的 ΔT_ap,dc / ΔT_ap,ct	R5-03 逼近温度与换热器选型 的 ΔT_app
发生在哪台设备	一次侧冷源（干冷器 / 冷却塔）	分配单元的板式换热器
两个断面是什么	冷源出水温度 与 室外空气（干球或湿球）	二次侧供液温度 与 一次侧进水温度
一边是空气还是水	一边是空气	两边都是液体
谁决定它	盘管排数 / 填料高度 / 风量	板片数量 / 板型 / 两侧流量

⇒ 三条纪律：

1. 本课凡写 ΔT_ap,dc 或 ΔT_ap,ct，一律指冷源那一环；本课⛔ 不使用裸符号 ΔT_app。R5-03 逼近温度与换热器选型 的做法与此对称——它在提到冷源那一环时一律写全称「干冷器自身的逼近温度」。两门课在这一点上是互相知道的，⛔ 不是各写各的。
2. 两者在数值上不可互代，量级也不同。液-液板式换热器两侧都是水、传热系数高，逼近温度做得小；空气侧的传热系数比液体侧低一到两个数量级，同样的钱买不到同样小的温差。⇒ 看到一份方案把冷源逼近温度和分配单元逼近温度写成同一栏、填同一个数，那份方案的温度链是错的。
3. 它们在同一条链上串联相加，⛔ 不是二选一。第 4 讲 4.1 会把整条链摆出来。

另一个必须先对齐的是热量的分母口径：

⚠ 本课的 Q_rej（冷源要排走的热）与 R3-03 混合系统：剩余风冷那一部分怎么设计 的 Q_总、R9-01 NVIDIA 机柜级参考架构解构：GB200 NVL72 与 MGX 的冷却约束 的 P_rack 不是同一个量，⛔ 别互相代入。三者的关系是逐级包含的：P_rack 是单机柜的 IT 功率，⛔ 不含分配单元、机房空调与机房风机；Q_总 是一台设备或一个机柜的热账总量，含柜内风扇与柜内配电损耗；而本课的 Q_rej 是整个设施要经冷源排到大气的总热量，它在 Q_总 之上还要再加：分配单元的泵功、机房空调与风机的电耗、变配电与不间断电源的转换损耗、照明与其他辅助负荷，以及——如果开了压缩机——压缩机自身的功。

⇒ 同一个机房，这三个数依次变大：P_rack 累加 < Q_总 累加 < Q_rej。拿机柜的 IT 功率去选冷源塔的容量，会系统性选小。这是本课在第 6 讲评审清单里第一条要问的事。

1.5 三者常组合：优先级不是偏好，是能耗的量级差

前两条路径的电耗只有风机（和循环泵）；第三条路径要开压缩机。在同样的排热量下，压缩机的电耗通常远大于风机——具体差多少取决于机组形式、冷凝温度与部分负荷率（本课不给数，机组能效曲线的属主是 C1-01 汽车空调制冷系统原理与部件匹配），但量级差异是稳定成立的。

⇒ 于是所有实际方案都长成同一个形状：

能不开压缩机就不开；环境条件不允许时才开；开了也尽量只开一部分。

这个形状在工程上有三种典型的实现，第 3 讲会逐一展开：

• 全自然冷却时段：冷源出水已经满足目标，压缩机完全停机。
• 部分自然冷却时段：冷源出水做不到目标，但比机房回水温度低——这时冷源先把水预冷一段，压缩机只补剩下那一段。这是水侧经济器的核心价值。
• 全机械制冷时段：环境温度太高，冷源已经无法提供任何预冷，压缩机承担全部。

⚠ 这里要防一个常见的简化错误：把「自然冷却小时数」理解成一个二值开关。实际运行中，中间那一档（部分自然冷却）往往占相当大的时间份额，而它省下来的电既不是零也不是全部。⇒ 只统计「完全不开压缩机的小时数」，会低估自然冷却的价值；⛔ 而把中间档也算作「自然冷却小时」，又会高估。这两个口径必须在方案里写明用的是哪一个，属主是 R6-02 自然冷却小时数与气候区选址，本课在 4.4 给出两者的分界画法。

1.6 平台相关量汇总表（⚠ 全部是典型值，⛔ 不是验收依据）

下面这些量，本课照给区间与常见锚点，但它们全部随设备、气候与运行策略变化。⚠ 每一条都是典型值、⛔ 不是验收依据，须实测或向供应商索取工况点下的实测数据确认。

量	典型区间	常见锚点	拿到它的路
冷却塔逼近温度 ΔT_ap,ct（设计工况）	约 3~6 K	约 4~5 K	向塔厂索取指定湿球温度与水量下的热力性能曲线；⚠ 必须同时索取该曲线对应的湿球温度、水量与风机档位，⛔ 不接受不带工况点的单值
干冷器逼近温度 ΔT_ap,dc（设计工况）	约 5~15 K	约 8~10 K	向盘管厂索取指定干球温度与水量下的性能曲线；排数与迎面风速是主要变量
绝热预冷后的等效逼近（相对干球）	约 2~8 K（随空气干燥程度变化极大）	⛔ 不给单一锚点——它随当地干湿球温差变化，干燥地区接近下限、潮湿地区接近上限甚至失效	要求供应商按你所在地的典型年逐时干湿球数据出全年性能，⛔ 不接受单点标称
冷却水浓缩倍数（循环水浓缩几倍后排污）	约 3~6	约 4	由补水水质与水处理方案共同决定；向水处理供应商索取按你的水源水质做的方案；属主 H7-01 冷却液（乙二醇型）配方、性能与劣化
冷却塔飘水率（占循环水量）	约 0.001%~0.01%	约 0.005%	塔厂样本的收水器性能；⚠ 新旧塔差别很大，改造项目须按实物评估
单位排热耗水量（含排污与飘水）	约 1.5~2.5 L/kWh	约 1.9 L/kWh	用 5.2 的水量平衡自己算，输入是你的浓缩倍数与当地气象；⛔ 别直接引用别人项目的数
目标设施水温 T_p,in,max	⛔ 本课不给——它由设备要求逐级反推得到	—	走第 4 讲 4.1 的反推链，输入来自 R1-03 机房热环境等级与供液温度等级（ASHRAE A 级与 W 级） 的等级要求与 R5-03 逼近温度与换热器选型 的逼近温度
自然冷却小时数 H_free	⛔ 本课不给——它由当地逐时气象与目标水温共同决定，同一地点换一度目标温度可以差出很多	—	取当地典型年逐时数据自己统计，方法在 4.3，本体属主 R6-02 自然冷却小时数与气候区选址
冷源侧输配电耗占设施总电耗的比例	约 5%~20%	约 10%	由方案自己算：风机 + 冷却水泵 + 补水处理，逐项累加；⚠ 与能效指标的分母口径强相关，属主 R6-03 能效指标体系：PUE / WUE / ERF / REF 的口径与监管

⇒ 用法只有两条：可行性阶段用它们粗排方案、判一个报价合不合常理；⛔ 不可用于确定设备容量、写进技术协议当验收指标、或作为能效承诺的依据。