高低壓離心式冷水機組在數(shù)據(jù)中心應(yīng)用中的對比分析

張 錚，王桂坤

（中通服咨詢設(shè)計研究院有限公司，江蘇 南京 210019）

0 引 言

近年來，移動互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)應(yīng)用、云計算等業(yè)務(wù)爆發(fā)式增長，帶動了數(shù)據(jù)存儲規(guī)模、計算能力以及網(wǎng)絡(luò)流量的大幅提升，推動了新型基礎(chǔ)建設(shè)的發(fā)展速度，數(shù)據(jù)中心的建設(shè)也進入了高速發(fā)展階段。數(shù)據(jù)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(fā)展，單體超過3 000個標準機柜的大型和超大型數(shù)據(jù)中心越來越多。

目前，離心式冷水機組在大型數(shù)據(jù)中心應(yīng)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(yīng)用。本文針對天津某數(shù)據(jù)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(nèi)的運營效益等方面進行對比分析。

1 項目概況

天津某數(shù)據(jù)中心項目，地上建筑面積約46 000 m2，地下空調(diào)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(wǎng)絡(luò)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(nèi)二至六層為數(shù)據(jù)中心機房，總服務(wù)器機架數(shù)超過4 500個，單機柜功率8 kW?？照{(diào)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(diào)冷負荷

數(shù)據(jù)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(diào)系統(tǒng)運行安全性、可靠性和適用性要求較高。充分考慮到天津當?shù)氐牡赜驓夂蛱攸c、能源條件、綠色節(jié)能、建筑平面布局要求等諸多因素，本數(shù)據(jù)中心機房空調(diào)配置冷凍水型機房空調(diào)，空調(diào)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(tǒng)進入部分自然冷卻狀態(tài)，由冷水機組+板換聯(lián)合供冷；室外濕球溫度進一步降低時，系統(tǒng)進入完全自然冷卻狀態(tài)，關(guān)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(jié)構(gòu)負荷、照明和人員負荷以及相關(guān)專業(yè)提供的最終滿配置情況下的數(shù)據(jù)設(shè)備的裝機容量，計算確定整個機房的空調(diào)負荷。

機房內(nèi)空調(diào)計算冷負荷Q=Q1+Q2，其中Q1為設(shè)備散熱量，Q2為機房外墻等圍護結(jié)構(gòu)、太陽輻射、人員及照明等因素引起的冷負荷。數(shù)據(jù)中心的空調(diào)總冷負荷為43 135.8 kW。

3 設(shè)備配置

目前，采用離心式水冷冷水機組的大型數(shù)據(jù)中心的冷源系統(tǒng)主要設(shè)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(tǒng)采用一次泵變頻變流量系統(tǒng)，冷卻水系統(tǒng)采用干管制的形式?？照{(diào)系統(tǒng)采用環(huán)狀供水管網(wǎng)，連接設(shè)備之間設(shè)置隔斷閥，管道通過設(shè)置必要的閥門可以保證設(shè)備在管道故障、維護時可切換，并實現(xiàn)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(yōu)劣勢對比如表1所示。

表1 高低壓冷水機組對比分析

根據(jù)空調(diào)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(shè)備參數(shù)如表2所示。

表2 兩種方案冷源主要設(shè)備表

4 全生命周期經(jīng)濟效益對比分析

建筑的全生命周期是指從項目的規(guī)劃階段開始，經(jīng)過設(shè)計階段、設(shè)備采購、建設(shè)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(xiàn)在大型數(shù)據(jù)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(shù)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(tǒng)架構(gòu)相同，都可以滿足單點故障時數(shù)據(jù)中心在線維護的需求，故系統(tǒng)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(shè)置一個制冷機房和冷機配電室。低壓冷機方案每個機房設(shè)置4+1臺低壓離心式冷水機組，及其對應(yīng)的冷凍水泵、冷卻水泵，水處理設(shè)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(yīng)的水泵臺數(shù)為3+1臺，設(shè)備數(shù)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(shè)置機載變頻器，需要在配電室設(shè)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(jié)省面積約160 m2左右，項目兩個制冷模塊共節(jié)省建筑面積約320 m2。

4.2 初投資費用

空調(diào)系統(tǒng)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(shè)備，水系統(tǒng)管路，閥門，末端采用的精密空調(diào)以及相應(yīng)的配電設(shè)備，電纜等。

由于兩種方案的冷源及末端空調(diào)系統(tǒng)相同，即空調(diào)冷凍水、冷卻水的管路基本相同，機房末端空調(diào)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(nèi)。

兩種方案的空調(diào)主要設(shè)備投資對比如表3所示。

表3 主要設(shè)備投資表

從表3中可以看出，高壓冷機方案的設(shè)備單價比低壓冷機方案的設(shè)備單價高，雖然高壓冷機方案采用的每種設(shè)備總數(shù)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(shè)備總投資比低壓冷機方案增加約500.4萬元。

在配電系統(tǒng)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(tǒng)（含配電柜），投資約240萬元。高壓冷機方案增加了高壓開關(guān)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(tǒng)為機械制冷模式；當室外濕球溫度 13 ℃＜t≤19 ℃時，系統(tǒng)為部分自然冷卻模式；當室外濕球溫度t≤13 ℃時，系統(tǒng)為完全自然冷卻模式。

通過查詢天津地區(qū)全年逐時氣象參數(shù)得出，系統(tǒng)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(tǒng)冷源主要設(shè)備的全年用電量為各設(shè)備的功率與全年運行時長乘積。兩種方案冷源設(shè)備均為變頻，故采取熱備運行模式，使各設(shè)備均在部分負荷下運行，降低系統(tǒng)總功耗。各設(shè)備功率及服務(wù)系數(shù)見表4。

表4 設(shè)備用電量及運行費用

高壓冷機方案整套空調(diào)冷源系統(tǒng)（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(diào)冷源系統(tǒng)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(jié)省132.64萬元左右，采用高壓冷機方案預(yù)計2年左右回收投資成本。若按照生命周期15年計算，可節(jié)省運行費用約1 724.32萬元。

5 結(jié) 論

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

占地面積上，高壓冷機方案綜合其節(jié)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(yōu)于低壓冷機方案。

初投資上，高壓冷機方案減少了設(shè)備數(shù)量，但單臺設(shè)備的參數(shù)和價格都增大了，設(shè)備總投資增加了。配電系統(tǒng)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(jié)省的運行費用非?？捎^。