高低压离心式冷水机组在数据中心应用中的对比分析

张 铮，王桂坤

（中通服咨询设计研究院有限公司，江苏 南京 210019）

0 引 言

近年来，移动互联网、大数据应用、云计算等业务爆发式增长，带动了数据存储规模、计算能力以及网络流量的大幅提升，推动了新型基础建设的发展速度，数据中心的建设也进入了高速发展阶段。数据中心正在向着高密度、高效率、高智能、高可信以及高弹性的方向发展，单体超过3 000个标准机柜的大型和超大型数据中心越来越多。

目前，离心式冷水机组在大型数据中心应用广泛，按电压等级可分为高压（10 kV）离心机和低压（380 V）离心机。因受到建筑面积以及机柜密度的限制，冷源选用的离心冷水机组的单台容量也越来越大，高压离心机组得到了越来越多的应用。本文针对天津某数据中心项目分别选用高压离心冷水机组和低压离心冷水机组的情况下，从占用建筑面积、初投资和全生命周期内的运营效益等方面进行对比分析。

1 项目概况

天津某数据中心项目，地上建筑面积约46 000 m2，地下空调水池和消防水池及水泵房面积约1 250 m2，总建筑面积 47 250 m2。建筑高度38.6 m，地上6层，地下1层，主要包括制冷机房、网络机房、IT机房、变配电室、电池室等辅助用房以及库房和运维办公室等。建筑内二至六层为数据中心机房，总服务器机架数超过4 500个，单机柜功率8 kW。空调冷源采用离心式水冷冷水机组，冷冻水供回水温度18 ℃/24 ℃，冷却水供回水温度33 ℃/38 ℃。

2 空调冷负荷

数据中心的机房有着高负荷、显热量高、需全年供冷的特点，对空调系统运行安全性、可靠性和适用性要求较高。充分考虑到天津当地的地域气候特点、能源条件、绿色节能、建筑平面布局要求等诸多因素，本数据中心机房空调配置冷冻水型机房空调，空调冷源配置为离心式冷水机组+板换+冷却塔。当室外湿球温度较高时，冷水机组进行完全机械供冷；当室外湿球温度降低到一定程度时，系统进入部分自然冷却状态，由冷水机组+板换联合供冷；室外湿球温度进一步降低时，系统进入完全自然冷却状态，关闭冷水机组，由板换+冷却塔提供全部冷量[1,2]。

考虑建筑围护结构负荷、照明和人员负荷以及相关专业提供的最终满配置情况下的数据设备的装机容量，计算确定整个机房的空调负荷。

机房内空调计算冷负荷Q=Q1+Q2，其中Q1为设备散热量，Q2为机房外墙等围护结构、太阳辐射、人员及照明等因素引起的冷负荷。数据中心的空调总冷负荷为43 135.8 kW。

3 设备配置

目前，采用离心式水冷冷水机组的大型数据中心的冷源系统主要设备包括冷冻水泵、冷却水泵、板式换热器、冷却塔、全自动加压装置、旁流水处理器以及定压补水排气装置等。

由于受项目空间限制，制冷机房空间较紧张。故本项目冷冻水系统采用一次泵变频变流量系统，冷却水系统采用干管制的形式。空调系统采用环状供水管网，连接设备之间设置隔断阀，管道通过设置必要的阀门可以保证设备在管道故障、维护时可切换，并实现在线维护的要求。

离心冷水机组额定电压有380 V、6 kV、10 kV。一般情况下，冷水机组的电源选用380 V或10 kV的供电电源，两种机组优劣势对比如表1所示。

表1 高低压冷水机组对比分析

根据空调总冷负荷可选择冷机方案为10台（8+2）1 600 RT低压变频冷水机组或8台（6+2）2 100 RT高压变频冷水机组，两种方案冷源主要设备参数如表2所示。

表2 两种方案冷源主要设备表

4 全生命周期经济效益对比分析

建筑的全生命周期是指从项目的规划阶段开始，经过设计阶段、设备采购、建设施工、交付、到后期的运营、维护直至项目报废的全部过程。不同的方案主要从安全可靠性、占用建筑面积、初投资费用、运营维护费用等方面考虑。对于现在大型数据中心所采用的一线品牌的离心式冷水机组，无论低压冷机和高压冷机，其技术都已非常成熟，可以认为机组的可靠性都基本相同。低压冷机方案和高压冷机方案所采用的系统架构相同，都可以满足单点故障时数据中心在线维护的需求，故系统的维护费用也近似相同。所以，两种方案的对比主要从占用建筑面积、初投资费用以及运营费用3个方面进行[3]。

4.1 占用建筑面积

本项目分为两个制冷模块，每个制冷模块分别设置一个制冷机房和冷机配电室。低压冷机方案每个机房设置4+1台低压离心式冷水机组，及其对应的冷冻水泵、冷却水泵，水处理设备等，单个制冷机房面积约为1 000 m2。冷机配电室主要包括变频柜、配电柜和冷冻水泵用UPS等，面积约为180 m2。

高压冷机方案由于冷机及其对应的水泵台数为3+1台，设备数量减少，单个制冷机房面积约为790 m2。但是由于高压冷机无法设置机载变频器，需要在配电室设置变频柜，且变频柜尺寸较大，冷机配电室的面积会增大，约230 m2。

总体上看，高压冷机方案单个制冷模块可节省面积约160 m2左右，项目两个制冷模块共节省建筑面积约320 m2。

4.2 初投资费用

空调系统的初投资包括了离心式冷水机组，冷冻水泵，冷却水泵，板式换热器，冷却塔以及全自动加压装置，旁流水处理器和定压补水排气装置等设备，水系统管路，阀门，末端采用的精密空调以及相应的配电设备，电缆等。

由于两种方案的冷源及末端空调系统相同，即空调冷冻水、冷却水的管路基本相同，机房末端空调部分完全一致，故两种方案这部分投资基本相同，不在比较范围内。

两种方案的空调主要设备投资对比如表3所示。

表3 主要设备投资表

从表3中可以看出，高压冷机方案的设备单价比低压冷机方案的设备单价高，虽然高压冷机方案采用的每种设备总数均少了2台，但是冷水机组总投资增加362万元，水泵总投资基本持平，冷却塔总投资增加60万元。高压冷机方案的主要设备总投资比低压冷机方案增加约500.4万元。

在配电系统方面，低压冷机方案比高压冷机方案增加了2套2 500 kV·A的变压器系统（含配电柜），投资约240万元。高压冷机方案增加了高压开关柜，总投资约40万元。低压冷机方案采用型号为4×（4×300）mm2的单相电缆，单价为4×800元/m。高压冷机方案采用型号为3×35 mm2的高压电缆，单价为140元/m。按配电间到电机间电缆长度约100 m计算。低压冷机方案电缆总投资为32万元，高压冷机方案电缆总投资为1.4万元。

综上所述，高压冷机方案总投资比低压冷机方案增加的总投资多500.4-240+40-32+1.4=269.8万元。

4.3 运行费用对比

当室外湿球温度t＞19 ℃时，系统为机械制冷模式；当室外湿球温度 13 ℃＜t≤19 ℃时，系统为部分自然冷却模式；当室外湿球温度t≤13 ℃时，系统为完全自然冷却模式。

通过查询天津地区全年逐时气象参数得出，系统按全年运行计算，其中1 904个小时进行机械制冷，1 756个小时进行部分自然冷却，5 100个小时按完全自然制冷模式运行。

系统冷源主要设备的全年用电量为各设备的功率与全年运行时长乘积。两种方案冷源设备均为变频，故采取热备运行模式，使各设备均在部分负荷下运行，降低系统总功耗。各设备功率及服务系数见表4。

表4 设备用电量及运行费用

高压冷机方案整套空调冷源系统（包括冷机、水泵、冷却塔）的用电费用约33 944 024.82 kW·h，按0.7元/（kW·h）电价计算，全年用电费用约2 376.08万元。而低压冷机方案整套空调冷源系统的用电费用约35 838 906.90 kW·h，按0.7元/（kW·h）电价计算，全年用电费用约2 508.72万元。

高压方案运行费用每年节省132.64万元左右，采用高压冷机方案预计2年左右回收投资成本。若按照生命周期15年计算，可节省运行费用约1 724.32万元。

5 结 论

在大型数据中心中，冷水机组的选型直接关系到整个机电方案选择，其选型的颗粒度大小对整个数据中心至关重要。本文从占用建筑面积、初投资和全生命周期内的运营效益等方面进行对比分析，得出结论如下。

占地面积上，高压冷机方案综合其节省的冷站面积和增大的冷机配电室的面积。对于建筑面积比较紧张的建筑，采用高压冷机方案优于低压冷机方案。

初投资上，高压冷机方案减少了设备数量，但单台设备的参数和价格都增大了，设备总投资增加了。配电系统部分低压冷机方案的投资比高压冷机方案有一定增加。总体上，高压冷机方案的初投资要高于低压冷机方案。

运营费用上，高压冷机方案的运营费用要低于低压冷机方案，从全生命周期看，节省的运行费用非常可观。