隨著網絡演進和數據業務的快速發展,數據中心向各行各業不斷擴展,國內數據中心建設如火如荼,大型數據中心屢見不鮮。云計算的應用推廣,業務系統不斷升級,IT需求也相應增長,要求數據中心的設計必須能夠適應不斷變化的IT和業務要求,同時能夠持續提高效率,優化運營成本。模塊化建設具有根據業務按需擴展、在提高數據中心使用率的同時降低能耗、交付迅速、分散投資風險等特點,符合IT產業發展趨勢,逐漸成為數據中心建設的發展方向。當前節能性能較好的集中空調系統成為大型數據中心空調系統的首選形式,冷凍站做為空調冷源設備的安裝場所,是數據中心空調系統的重要組成部分,冷凍站如何能夠符合模塊化建設的要求,是數據中心規劃設計中需要考慮的問題。

1 數據中心對冷凍站性能的要求

為了適應數據中心模塊化建設、靈活部署、按需擴展、快速交付、降低能耗、分散投資的要求,冷凍站需要具備以下性能。

(1)高可靠性、安全性

數據中心是網絡、信息、計算技術的中樞,由于其數據集中、處理能力集中,一旦出現問題影響面較大,因此需要設備可靠、安全工作。數據、通信等設備能夠長期、穩定正常工作,需要機房必須維持一定的溫度、濕度和潔凈度,而這些都需要空調系統去完成,冷凍站是空調系統供冷的核心,對其可靠性、安全性的高要求則是不言而喻的。

(2)高可在線擴展性、快速交付能力

數據中心的業務是逐步發展的,對空調供冷的需求也是逐漸增加的,同時冷凍站設備投資較高,在業務需求不飽滿的數據中心,冷凍站設備一步安裝到位,將增加數據中心投資壓力,故冷凍站應該具備一定擴容能力,冷凍站規模應能隨著業務的擴展而增加,并保證擴容時不影響當前業務的正常運營,同時不應降低系統的可靠性。對于IDC等托管型數據中心,客戶對業務投入使用的時限要求較高,冷凍站還需具備快速交付的能力。

(3)高穩定性、高可維護性

數據中心常年7×24小時運行,空調系統長時間運轉,作為空調核心的冷凍站需要具備穩定運行的能力,設備和安裝具備通用性和標準性,便于后期維護和修復。

(4)高節能性

數據中心的空調系統的能耗僅次于IT設備,位居數據中心能耗的第二位。而冷源設備的能耗占據空調系統能耗的50%以上,這就要求冷凍站在滿足供冷需求的前提下,盡量降低能耗。

(5)高智能化

為了數據中心安全、可靠、高效的運行,冷凍站應設置集中監控管理系統,以實時監測冷凍站設備運行狀況,迅速確定故障,協調各設備間運行,提高整體效率,減少人為操作,簡化維護工作。綜上所述,以模塊化為理念建設的數據中心,其對冷凍站在可靠性、安全性、可在線擴展性、快速交付能力、穩定性、可維護性、節能性、智能化等方面均提出了高要求,冷凍站建設也需要響應模塊化建設的要求,方能更好地適應數據中心的發展。

2 數據中心冷凍站模塊化建設

(1)數據中心冷凍站模塊化建設思路

一直以來,冷凍站以整體冷源的形象出現在數據中心,冷凍站內的各種設備、管道一步安裝到位,或者僅預留設備的安裝位置,冷凍站系統設計沒有考慮可在線擴展、快速交付的需要,使得冷凍站設備擴容時,安裝、調試難度大,施工周期長,對空調系統可靠運行造成了影響,不能適應數據中心發展的要求。

以模塊化理念建設的冷凍站,冷凍站內的設備以模塊的形式出現(如每套冷水機組、冷凍水泵、冷卻水泵可以組成一個供冷模塊,補水定壓等設備可組成輔助設備模塊等),各模塊在冷凍站整體架構的基礎上,可以實現單模塊擴容,降低安裝、調試難度,縮短施工周期,減小對運行中空調系統的影響,達到可在線擴展、快速交付的目的,同時模塊化設計對冷凍站設備的通用性、施工安裝的標準性也有促進,便于運行維護、故障修復。

冷凍站模塊化并不僅僅是空調系統模塊化,還應該包含冷凍站建筑布局、供配電系統、自控系統等各相關系統的建設,只有與冷凍站建設的各方面都圍繞著模塊化這個理念,才能建設出滿足數據中心要求的冷凍站。

(2)冷凍站模塊化建設模式

冷凍站模塊化建設模式主要有兩種,一種是傳統現場安裝建設模式,另一種是模塊化冷凍站建設模式。

①傳統現場安裝模式

傳統現場安裝模式是在冷凍站模塊化設計的基礎上,由機電安裝公司安裝冷凍站設備、管道系統、自控系統、配電系統等的傳統建設模式。

目前國內大多數據中心采用這種模式建設,建設過程中涉及多設備招標采購,多部門(設計單位、設備廠商、施工安裝單位等)、多專業(暖通專業、給排水專業、強電專業、弱電專業等)協同配合,容易出現建設周期長、管理協調工作量大、冷凍站空間利用率低、施工安裝標準化差等問題,尤其是冷凍站擴容或設備更新替換時,冷凍站內施工人員多,且耗時長,對冷凍站安全運行影響大,與數據中心對冷凍站安全可靠運行、快速交付、便于維護的要求有一定差距。

②模塊化冷凍站模式

模塊化冷凍站模式是模塊化冷凍站制造商在冷凍站模塊化設計的基礎上,通過工廠預制+現場組裝的方式建設冷凍站,冷凍站建設由現場施工變為工業產品安裝。這是一種新型的冷凍站建設模式,通過工廠預制測試、模塊運輸、現場拼裝,滿足了冷凍站模塊化建設的要求,這種建設模式具有以下特點:

·安全可靠性高。采用模塊工廠預制的方式,

可在工廠預先測試,減少現場施工、測試工作,提高冷凍站運行的安全可靠性。

·便于快速交付。通過工廠預制(見圖1)、模塊運輸(見圖2)、現場拼裝(見圖3),避免工程現場的交****施工,降低施工管理難度,縮短現場建設周期,在冷凍站擴容或設備更新替換時可快速交付。

·工業化標準產品品質。以產品技能工人替代現場安裝工人,以工業化標準生產保證產品的性能、質量,使設備、安裝具有通用性、標準性,便于冷凍站運行維護。

·便于快速修復。模塊化冷凍站采用拼接形式安裝。對設備、管路、閥部件等的維修、更換方便、快捷。

·高效節能。可以通過系統集成技術,使冷凍站內設備很好的關聯和匹配,自控系統控制冷凍站內設備協同工作,達到冷凍站整體性能最優,實現冷凍站節能、高效運行。

·智能運行。智能化控制,保證冷凍站持續穩定運行,降低系統運行費用和維護難度。

·節地省材。冷凍站整體優化設計、工廠化預制,避免了多專業間交****作業、冷凍站空間利用率低的問題,使冷凍站布局更優,節省冷凍站占地面積和材料耗費,并且能夠靈活適應特定的安裝空間要求。

相對于冷凍站傳統建設模式而言,模塊化冷凍站使冷凍站建設從工程項目變為系統產品安裝,從現場施工變為工廠預制生產+現場組裝。在冷凍站建設中,采用這種建設模式可以減少工程管理協調工作,縮短建設周期,便于冷凍站按需擴容,冷凍站整體性能得到提高、降低能耗,節省冷凍站占地面積,提高冷凍站品質,便于快速維護、修復,更能適應冷凍站模塊化建設的要求。

3 模塊化冷凍站簡介

(1)釋義

模塊化冷凍站又稱集成化冷凍站,是在傳統冷凍站基礎上引入系統集成技術,而形成的機電一體化系統級產品。其構成元素包括了冷源設備(冷水機組、冷凍水泵、冷卻水泵、輔助設備等)、管道系統、自控系統、底座框架等,在傳統冷凍站的基礎上增加了可拆分底座、支架等。它通過工廠預制測試、模塊運輸、現場拼裝,將冷凍站做為機電一體化產品交付使用。模塊化冷凍站的效果圖如圖4所示。

(2)模塊化冷凍站設計

系統集成是模塊化冷凍站的核心,其本質是最優化的綜合統籌設計,所要達到的目標是系統的整體性能最優,即所有部件和成分組合在一起后不但能工作,而且全系統是低成本、高效率和高性能的、可擴充和可維護的綜合系統。模塊化冷凍站利用系統集成技術將冷凍站的各個組成設備很好地關聯和匹配,控制冷凍站內所有設備協同工作,達到冷凍站整體性能最優。

模塊化冷凍站設計包括冷凍站設備優化選型匹配及管路深化設計、整體結構設計、結構仿真校核和自控系統設計。

冷凍站的系統集成并不是對其組成設備進行簡單的供貨和拼裝,而是運用系統集成技術,在詳細了解冷凍站模塊化設計技術要求和充分考慮了冷水機組、冷凍水泵、冷卻水泵、冷卻塔等設備的固有特性后和運行性能的基礎上對設備的型號和參數進行選型匹配,以達到冷凍站的整體性能最優。

模塊化冷凍站整體結構設計主要包括整體布局、系統優化、管道排布、控制系統布置、支吊架及底座設計、模塊的劃分及冷凍站空間結構三維仿真。

結構仿真校核是對管道及支架、底座結構等關鍵承載部件的強度和靜態剛度進行合理設計和校核,以保證使用過程中的安全性及可靠性,并降低振動及噪音。

自控系統的設計主要是根據設備的選型、冷凍站空間布局及數據中心空調系統需求,對控制系統的軟硬件結構和功能進行深化設計,可以實時檢測冷凍站設備運行狀況,迅速確定故障,自動控制,減少人為誤操作。控制系統從單點PID控制演進為關聯預測控制,對冷凍站內各設備進行關聯控制,使得各個設備之間協調運行,從而保證集成冷凍站系統的整體能耗降低。

(3)模塊化冷凍站的工廠預制生產、模塊化運輸、現場組裝

模塊化冷凍站作為系統級產品,經過管路深化設計、設備選型匹配、整體結構設計、自控系統設計以及結構仿真校核,已經具備工業化生產加工的基礎。因此在工廠進行模塊化冷凍站的預制安裝,可以進一步發現并糾正設計、安裝過程中的瑕疵,形成完整的產品。

在冷凍站的結構設計時,考慮了整個冷凍站的模塊化建設要求,因此實現了冷凍站工廠預制完成后可以將模塊運輸到現場進行組裝,從而大大減少了現場安裝時間以及各廠家、各專業的交****施工,降低了施工難度,提高了施工質量,從而保證模塊化冷凍站的整體性能。

(4)模塊化冷凍站的形式

根據安裝場地條件,模塊化冷凍站可以采用不同形式:

①對于在建筑內預留有冷凍站位置的數據中心,可采用室內型模塊化冷凍站,將冷凍站分模塊(冷水機組模塊、水泵模塊、輔助設備模塊、管道支架等)運輸到現場進行拼裝。

②對于建筑內沒有規劃預留冷凍站位置的數據中心,可采用集裝箱式冷凍站直接放置在室外。

(5)模塊化冷凍站在數據中心應用中的問題模塊化冷凍站在數據中心應用時間比較短,在應用中下面幾個問題需要注意:

①目前國內采用模塊化冷凍站的項目,在建設初期并未考慮采用這種建設模式,冷凍站還是按傳統建設模式預留,通常冷凍站預留面積比較大,而便于模塊化冷凍站模塊運輸、模塊替換所需要的運輸通道沒有綜合考慮,甚至在冷凍站內還預留了各種設備的混凝土基礎,增加了二次投入。如果在數據中心設計時,提前引入模塊化冷凍站建設模式的思路,充分利用其整體布局緊湊、節省占地面積的優勢,考慮其安裝、運輸、結構特點,可以使數據中心整體布局更合理,更能適應數據中心的要求,同時可以降低綜合投資。

②模塊化冷凍站在國內應用時間較短,通常以項目的定制化制造為主,還沒有形成針對于數據中心的系列化、標準化產品,雖然其可靠性、靈活性、快速響應等方面比傳統建設模式有了很大提高,但與數據中心的要求還有一定差距,需要進一步完善。

4  結束語

數據中心冷凍站模塊化建設模式能夠更好的適應IT產業和數據中心業務要求,是今后數據中心冷凍站建設發展方向;模塊化冷凍站建設模式較傳統建設模式而言,在縮短建設周期,便于按需擴容,提高冷凍站整體品質,便于快速維護、系統可修復性等方面優勢明顯,但應用時間短,尚未形成系列化、標準化產品是其短板,還需要進一步開發、應用。

編輯：Harris

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