高低壓離心式冷水機組在數據中心應用中的對比分析

張 錚，王桂坤

（中通服咨詢設計研究院有限公司，江蘇 南京 210019）

0 引 言

近年來，移動互聯網、大數據應用、云計算等業務爆發式增長，帶動了數據存儲規模、計算能力以及網絡流量的大幅提升，推動了新型基礎建設的發展速度，數據中心的建設也進入了高速發展階段。數據中心正在向著高密度、高效率、高智能、高可信以及高彈性的方向發展，單體超過3 000個標準機柜的大型和超大型數據中心越來越多。

目前，離心式冷水機組在大型數據中心應用廣泛，按電壓等級可分為高壓（10 kV）離心機和低壓（380 V）離心機。因受到建筑面積以及機柜密度的限制，冷源選用的離心冷水機組的單臺容量也越來越大，高壓離心機組得到了越來越多的應用。本文針對天津某數據中心項目分別選用高壓離心冷水機組和低壓離心冷水機組的情況下，從占用建筑面積、初投資和全生命周期內的運營效益等方面進行對比分析。

1 項目概況

天津某數據中心項目，地上建筑面積約46 000 m2，地下空調水池和消防水池及水泵房面積約1 250 m2，總建筑面積 47 250 m2。建筑高度38.6 m，地上6層，地下1層，主要包括制冷機房、網絡機房、IT機房、變配電室、電池室等輔助用房以及庫房和運維辦公室等。建筑內二至六層為數據中心機房，總服務器機架數超過4 500個，單機柜功率8 kW。空調冷源采用離心式水冷冷水機組，冷凍水供回水溫度18 ℃/24 ℃，冷卻水供回水溫度33 ℃/38 ℃。

2 空調冷負荷

數據中心的機房有著高負荷、顯熱量高、需全年供冷的特點，對空調系統運行安全性、可靠性和適用性要求較高。充分考慮到天津當地的地域氣候特點、能源條件、綠色節能、建筑平面布局要求等諸多因素，本數據中心機房空調配置冷凍水型機房空調，空調冷源配置為離心式冷水機組+板換+冷卻塔。當室外濕球溫度較高時，冷水機組進行完全機械供冷；當室外濕球溫度降低到一定程度時，系統進入部分自然冷卻狀態，由冷水機組+板換聯合供冷；室外濕球溫度進一步降低時，系統進入完全自然冷卻狀態，關閉冷水機組，由板換+冷卻塔提供全部冷量[1,2]。

考慮建筑圍護結構負荷、照明和人員負荷以及相關專業提供的最終滿配置情況下的數據設備的裝機容量，計算確定整個機房的空調負荷。

機房內空調計算冷負荷Q=Q1+Q2，其中Q1為設備散熱量，Q2為機房外墻等圍護結構、太陽輻射、人員及照明等因素引起的冷負荷。數據中心的空調總冷負荷為43 135.8 kW。

3 設備配置

目前，采用離心式水冷冷水機組的大型數據中心的冷源系統主要設備包括冷凍水泵、冷卻水泵、板式換熱器、冷卻塔、全自動加壓裝置、旁流水處理器以及定壓補水排氣裝置等。

由于受項目空間限制，制冷機房空間較緊張。故本項目冷凍水系統采用一次泵變頻變流量系統，冷卻水系統采用干管制的形式。空調系統采用環狀供水管網，連接設備之間設置隔斷閥，管道通過設置必要的閥門可以保證設備在管道故障、維護時可切換，并實現在線維護的要求。

離心冷水機組額定電壓有380 V、6 kV、10 kV。一般情況下，冷水機組的電源選用380 V或10 kV的供電電源，兩種機組優劣勢對比如表1所示。

表1 高低壓冷水機組對比分析

根據空調總冷負荷可選擇冷機方案為10臺（8+2）1 600 RT低壓變頻冷水機組或8臺（6+2）2 100 RT高壓變頻冷水機組，兩種方案冷源主要設備參數如表2所示。

表2 兩種方案冷源主要設備表

4 全生命周期經濟效益對比分析

建筑的全生命周期是指從項目的規劃階段開始，經過設計階段、設備采購、建設施工、交付、到后期的運營、維護直至項目報廢的全部過程。不同的方案主要從安全可靠性、占用建筑面積、初投資費用、運營維護費用等方面考慮。對于現在大型數據中心所采用的一線品牌的離心式冷水機組，無論低壓冷機和高壓冷機，其技術都已非常成熟，可以認為機組的可靠性都基本相同。低壓冷機方案和高壓冷機方案所采用的系統架構相同，都可以滿足單點故障時數據中心在線維護的需求，故系統的維護費用也近似相同。所以，兩種方案的對比主要從占用建筑面積、初投資費用以及運營費用3個方面進行[3]。

4.1 占用建筑面積

本項目分為兩個制冷模塊，每個制冷模塊分別設置一個制冷機房和冷機配電室。低壓冷機方案每個機房設置4+1臺低壓離心式冷水機組，及其對應的冷凍水泵、冷卻水泵，水處理設備等，單個制冷機房面積約為1 000 m2。冷機配電室主要包括變頻柜、配電柜和冷凍水泵用UPS等，面積約為180 m2。

高壓冷機方案由于冷機及其對應的水泵臺數為3+1臺，設備數量減少，單個制冷機房面積約為790 m2。但是由于高壓冷機無法設置機載變頻器，需要在配電室設置變頻柜，且變頻柜尺寸較大，冷機配電室的面積會增大，約230 m2。

總體上看，高壓冷機方案單個制冷模塊可節省面積約160 m2左右，項目兩個制冷模塊共節省建筑面積約320 m2。

4.2 初投資費用

空調系統的初投資包括了離心式冷水機組，冷凍水泵，冷卻水泵，板式換熱器，冷卻塔以及全自動加壓裝置，旁流水處理器和定壓補水排氣裝置等設備，水系統管路，閥門，末端采用的精密空調以及相應的配電設備，電纜等。

由于兩種方案的冷源及末端空調系統相同，即空調冷凍水、冷卻水的管路基本相同，機房末端空調部分完全一致，故兩種方案這部分投資基本相同，不在比較范圍內。

兩種方案的空調主要設備投資對比如表3所示。

表3 主要設備投資表

從表3中可以看出，高壓冷機方案的設備單價比低壓冷機方案的設備單價高，雖然高壓冷機方案采用的每種設備總數均少了2臺，但是冷水機組總投資增加362萬元，水泵總投資基本持平，冷卻塔總投資增加60萬元。高壓冷機方案的主要設備總投資比低壓冷機方案增加約500.4萬元。

在配電系統方面，低壓冷機方案比高壓冷機方案增加了2套2 500 kV·A的變壓器系統（含配電柜），投資約240萬元。高壓冷機方案增加了高壓開關柜，總投資約40萬元。低壓冷機方案采用型號為4×（4×300）mm2的單相電纜，單價為4×800元/m。高壓冷機方案采用型號為3×35 mm2的高壓電纜，單價為140元/m。按配電間到電機間電纜長度約100 m計算。低壓冷機方案電纜總投資為32萬元，高壓冷機方案電纜總投資為1.4萬元。

綜上所述，高壓冷機方案總投資比低壓冷機方案增加的總投資多500.4-240+40-32+1.4=269.8萬元。

4.3 運行費用對比

當室外濕球溫度t＞19 ℃時，系統為機械制冷模式；當室外濕球溫度 13 ℃＜t≤19 ℃時，系統為部分自然冷卻模式；當室外濕球溫度t≤13 ℃時，系統為完全自然冷卻模式。

通過查詢天津地區全年逐時氣象參數得出，系統按全年運行計算，其中1 904個小時進行機械制冷，1 756個小時進行部分自然冷卻，5 100個小時按完全自然制冷模式運行。

系統冷源主要設備的全年用電量為各設備的功率與全年運行時長乘積。兩種方案冷源設備均為變頻，故采取熱備運行模式，使各設備均在部分負荷下運行，降低系統總功耗。各設備功率及服務系數見表4。

表4 設備用電量及運行費用

高壓冷機方案整套空調冷源系統（包括冷機、水泵、冷卻塔）的用電費用約33 944 024.82 kW·h，按0.7元/（kW·h）電價計算，全年用電費用約2 376.08萬元。而低壓冷機方案整套空調冷源系統的用電費用約35 838 906.90 kW·h，按0.7元/（kW·h）電價計算，全年用電費用約2 508.72萬元。

高壓方案運行費用每年節省132.64萬元左右，采用高壓冷機方案預計2年左右回收投資成本。若按照生命周期15年計算，可節省運行費用約1 724.32萬元。

5 結 論

在大型數據中心中，冷水機組的選型直接關系到整個機電方案選擇，其選型的顆粒度大小對整個數據中心至關重要。本文從占用建筑面積、初投資和全生命周期內的運營效益等方面進行對比分析，得出結論如下。

占地面積上，高壓冷機方案綜合其節省的冷站面積和增大的冷機配電室的面積。對于建筑面積比較緊張的建筑，采用高壓冷機方案優于低壓冷機方案。

初投資上，高壓冷機方案減少了設備數量，但單臺設備的參數和價格都增大了，設備總投資增加了。配電系統部分低壓冷機方案的投資比高壓冷機方案有一定增加。總體上，高壓冷機方案的初投資要高于低壓冷機方案。

運營費用上，高壓冷機方案的運營費用要低于低壓冷機方案，從全生命周期看，節省的運行費用非常可觀。