我国数据中心建设近年来蓬勃发展,尤其是近两年,为应对全球疫情爆发导致的经济增长率下滑,中共中央政治局常务委员会召开会议,提出“加快5G网络、数据中心等新型基础设施建设进度”,未来几年内,我国数据中心建设将迎来新一轮的快速发展。
　　
　　如何快速、高效、高质量建设数据中心,缩减建设工期成为了目前亟待解决的问题,本文针对两种预制冷站形式进行方案介绍,分别对其在数据中心应用中的特点、工期、经济性、施工工艺等问题进行研究分析。
　　
　　1 数据中心制冷站施工现状及存在的主要痛点
　　
　　一个典型的数据中心水冷冷冻水空调原理图如图1所示,制冷系统采用离心式冷水机组+冷却塔+板式换热器供冷方式,板换与冷却塔结合在冬季为数据中心供冷,充分利用自然冷源。系统通常由以下设备组成:离心式冷水机组、冷却塔、板式换热器、冷冻水循环泵、冷却水循环泵、蓄冷水罐、分水器、集水器、加药装置、定压补水装置、定压补水泵、软水器、软水箱等[1]。
　　
　　由于设备、管线、阀门众多且繁杂,经调研,制冷站施工存在以下痛点问题:
　　
　　(1)施工工期长
　　
　　各专业交叉施工,除锈、冲洗、试压等工作均在现场进行,工序多;受设计、设备采购等因素影响施工进度;现场条件差、切割焊接工作量大,导致施工周期长,一般需要5～9个月,个别项目会超过1年时间。
　　
　　(2)施工质量参差不齐
　　
　　现场条件差,切割焊接工作量大,防腐不到位,质量不可控;施工工艺规范取决于工人熟练程度和技术水平,施工精度误差大。
　　
　　(3)施工材料损耗大
　　
　　由于施工精度误差大,现场加工条件有限,导致施工材料存在大量浪费。
　　
　　(4)现场施工动火动电存在安全隐患
　　
　　现场条件差,存在大量动火、动电操作,安全生产和施工质量难以保证,也给现场带来大量环境污染;后期替换更新对数据中心现网业务运行设备影响较大。
　　
　　(5)设备厂家与总包之间施工配合难度大
　　
　　项目责任主体较多,质量责任归属方难以界定,经常出现责任主体之间互相扯皮推诿的现象;施工界面复杂、协调工作难。
　　
　　(6)自控不到位,系统运维难度大
　　
　　水系统控制复杂,群控难度大,牵涉面较多,运营商内部行家较少、需要配置大量专职的设备管理人员,维护和管理成本较高;自控系统由单独厂商来做,对冷源系统设备了解不深入,仅表面控制,缺乏科学的系统运行算法和控制策略,系统调节能力较差,能效无法达到设计要求。
　　
　　(7)设备分散布置,占地面积大
　　
　　设备、管路分散安装,集成度不高,维护预留空间仍有余量,冷站面积及层高占用多。由于存在以上痛点问题,数据中心行业内发展出两种预制冷站模式来应对,一种是预制装配式冷站,另一种是预制化集成冷站,后面分别进行介绍。
　　
　　2 装配式冷站在数据中心的应用研究
　　
　　(1)方案介绍
　　
　　预制装配式冷站针对大型新建数据中心制冷站内管道施工去工程化,可以实现空调冷源系统各个部件完全工厂预制、现场简单连接,装配式冷站是对传统冷站的系统进行优化,根据功能和设备配置为主机模块,换热模块,水力模块,控制系统等基础模块,在工厂进行结构优化设计,预制装配成集成冷站,实现快速安装和系统调试。
　　
　　与传统冷站相比,大大减少了现场安装的工作量和技术要求。各模块之间的连锁及性能匹配得到优化,通过模块运输,做简单的管路连接即可,实现缩短工期、去工程化、产品化、降低成本的目的。
　　
　　(2)主要特点
　　
　　①缩短建设工期
　　
　　预制加工机械化程度高,可平行流水作业,只要有材料和管道单线图,不必等待现场的基础、设备和结构施工完毕,就可进行预制,避免交叉作业和相互牵制的影响。同时预制加工厂为施工操作提供了良好的环境，不受场地影响，不受气候干扰，这样就可以提前预制，争取了时间，缩短了施工工期。
　　
　　通过测算,某大型数据中心制冷站按照传统施工方式施工,工期大概需要145天,采用装配式冷站仅需约60天,通过对比看出装配式冷站在管道焊接安装节省了大量时间,大部分均在工厂完成。
　　
　　②保证工程质量
　　
　　由于管道的加工、组对、焊接、探伤、热处理均在预制厂内进行,施工条件比现场好,同时又最大限度地采用机械,这样可以提高施工质量。由于工厂化施工,使管道的垂直、水平运输、下料及坡口加工等,均可最大限度地使用机械,提高了机械化施工水平。
　　
　　现在工厂内有自动焊接机器,使用机器人切割保证管件尺寸精确,装配公差比原来精确25%;机器人可24h不间断工作,焊接质量稳定、均一,焊缝更为结实、密封,同时提升刚度。
　　
　　除此外,工厂还有专业的防锈防腐设备、弯管设备、数控切割和坡口设备、管道对位设备、起吊设备等,大大提高了施工质量。
　　
　　③保证工程施工安全
　　
　　加工厂内可最大限度地利用垂直、水平运输机械,减轻了笨重的体力劳动,减少了高空作业,改善了工人的劳动条件,因而有利于安全生产。
　　
　　④节约材料,降低材料成本
　　
　　在预制加工厂内,管道集中加工,自始至终由一个作业组负责下料,做到“量体取材”,避免了长管乱截现象。做到合理使用和管理材料,节约了材料,降低了成本。
　　
　　⑤施工配合难度低
　　
　　装配式冷站集成单位也可以认为是一种冷源系统专业的总包施工单位,不同于传统总包单位,所有设备均拉至工厂内进行组装,可以实现工厂内安装协调,提高了流程效率,避免了现场施工配合问题,互不交叉。
　　
　　⑥节约空间、自控程度高
　　
　　由于对预制模块以产品设计的形式精细化安装施工,且结合设备实际采购的尺寸进行精细化优化布置,可以使得在满足维护空间的前提下,节省管道、设备空间,节省制冷站面积及层高。由于由专业的冷却系统继承总包进行自控设计,对于系统设备理解更深入,可以提供更科学的系统运行算法和控制策略,提高系统能效。
　　
　　(3)关键技术研究
　　
　　①装配式模块划分原则及搬运装配式冷站模块划分主要考虑以下因素:
　　
　　•搬运尺寸:模块最大尺寸需要考虑运输,通常尽量不超过陆运超限尺寸要求,且兼顾冷站建设规模,一般高度≤3m、宽度≤3.5m、长度≤14m(参考交通部《超限运输车辆行驶公路管理规定》),超限尺寸货物上路需要书面申请,报备规划好运输路由;
　　
　　•设备相关性:相关的设备通常会集成在一起做一个装配式模块,例如几台水泵、冷机和板换、水处理设备、定压补水设备会独立做模块,当体积较大时可以拆分成小设备及配套的管道进行装配预制。
　　
　　具体预制模块分类如图2所示。
　　
　　②施工工艺流程
　　
　　一个典型装配式冷站施工工艺、工序如图3所示。
　　
　　③设计、施工及运维要点
　　
　　•设备基础:制冷站内地面保持平整,完成第一次浇筑后即可,装配式冷站设备钢底座可以与制冷站地面直接固定安装;
　　
　　•法兰连接:预制冷站预制及现场拼接的特点,通常采用法兰连接,安装简单、后期拆卸维护方便、密封性能好的优点,但应用也需注意保证预制法兰盘的连接面平正互相平行,相邻两段预制加工段的法兰孔相互匹配对正[2];
　　
　　•与施工总包配合:需要提前采购好设备,包括确定好集采设备,或者提前确定好厂家,相应设备运送到冷站加工工厂,加工好后再运送现场;•管道支吊架:既可以落地框架支撑,也可以吊挂,但考虑到预制集成度,建议采用框架支撑一体成型后运送现场;
　　
　　•扩容适应性:装配式冷站既可以适配完全新建的场景,也可以适应改造扩容的场景,只需要详细做好现场查勘,了解预留接口位置,根据扩容的建设内容精准设计预制模块,运到现场拼接即可,同时还需做好和原有群控系统对接;
　　
　　•与设计院配合:设计院需要提供CAD系统图、设备配置表及平面布置图,厂家通过BIM深化出预制模块;
　　
　　•运维要点:装配式冷站相比于传统制冷站,主要是施工方式的改变,维护空间会有所减少,但也会在满足维护要求的前提下进行优化,因此运维方式基本没有变化。
　　
　　④投资对比分析
　　
　　以某制冷量规模约8000RT的数据中心制冷站为例进行投资对比,由于两种冷站模式主设备基本相同,因此设备费不参与投资对比,主要针对施工安装材料费进行对比,传统冷站加工工艺按照二次镀锌防腐考虑,从对比结果中可以看出相对于传统冷站施工,可以节省投资约300万元,节约成本26%,投资对比见表1。
　　
　　3 预制化集成冷站在数据中心的应用研究
　　
　　(1)方案介绍
　　
　　预制化集成冷站是将传统的冷水机组机房系统进行有机整合,集冷水机组、冷水输配及水处理系统、冷却水输配及水处理系统、换热站、动力系统、集中智慧控制系统于一体的高效冷水机房系统,具有高效集成、节能绿色、智慧运行、无人值守安装、管理及维护成本低等特点,基于“即插即用”的理念,通常以集装箱的形式在工厂预制好,相比装配式冷站,集成度更高,且可以放置在室外绿地或屋面,不占用室内面积,灵活度更高,适用于已建成数据中心改造或快速扩容部署。
　　
　　预制化集成冷站有采用多种独立冷站集装箱模块连接的形式(模块化集装箱冷站)、也有采用所有冷源设备部件集成一体的形式(一体化集成冷站)。
　　
　　(2)主要特点
　　
　　①设备集成度高
　　
　　传统数据中心冷冻水空调系统中的冷机、水泵、冷却塔、板换、水处理设备及相应的管道阀门均集成到一个多个集装箱冷站内,数据中心内仅需建设走廊管道,同时机房内按需施工空调末端小机电工程;
　　
　　②缩短建设工期
　　
　　通过测算,某大型数据中心制冷站按照传统施工方式施工,工期大概需要145天,采用预制化集成冷站仅需约45天,通过对比可以看出集成冷站不仅在管道焊接安装节省了大量时间,现场安装时间也很短,大部分均在工厂完成,但由于室外冷却塔需要钢架平台,此部分需要额外一些施工时间;
　　
　　③自控系统优、系统节能
　　
　　对于模块化集装箱冷站,主要系统架构还是维持原有系统方案,主要通过设备管路优化进行集成,因此节能程度与传统冷站冷源系统大体相同,但仍有小幅提升,主要以下两个方面:
　　
　　•自控系统优:由专业的冷却系统继承总包进行自控设计，对于系统设备理解更深入，可以提供更科学的系统运行算法和控制策略，提高系统能效;
　　
　　•节省水泵能耗:由于冷却塔与冷机、水泵就近布置,可以节省一部分管路输送阻力,节省水泵输送能耗。
　　
　　对于一体化冷站,通常为了进一步提高集成度,会采用与传统冷站不同的冷源系统,应用一部分节能技术,对节能性有一定提升,节能影响主要以下几个方面:
　　
　　•自控系统优:同上,集成度更高,可以调试出过渡季部分自然冷源利用工况;
　　
　　•节省水泵能耗:同上;
　　
　　•蒸发冷凝冷机:冷却塔和冷机冷凝器融合,利用强制循环空气与喷淋冷却水直接接触的直接蒸发冷却能力将冷水机组冷凝侧的制冷剂凝结热带走的蒸发技术,可以进一步提高冷机能效,蒸发冷凝冷水系统主要由蒸发冷凝冷水机组、循环水泵、水管路、阀门、机房室内空调末端和控制系统等组成。蒸发冷凝冷水系统,通常与自然冷却系统结合使用,两个系统之间通过中间板式换热器做二次换热,以便更为的充分利用室外环境,机组主要的运行模式可以分为机械冷却模式、混合冷却模式和完全自然冷却模式三种。
　　
　　④节约空间
　　
　　由于预制化集成冷站不占用室内制冷站空间,所有预制模块均布置在室外地面、钢架或屋顶空间,与室内对接即可,因此可以大幅节约空间,典型2万平方米数据中心制冷站面积约1000m2,此部分面积可以省去。由于室内没有制冷站,首层层高也可以相应降低,也不用进行下沉开挖。
　　
　　对于室外,由于为集装箱集成度较高的布置形式,可结合设备实际采购的尺寸进行精细化优化布置,可以使得在满足维护空间的前提下,节省管道、设备空间,进一步节省室外布置空间。
　　
　　⑤保证工程质量、保证工程施工安全、节约材料，降低材料成本、施工配合难度低同装配式冷站。
　　
　　(3)关键技术研究
　　
　　①集成模块分类及尺寸
　　
　　模块划分主要考虑以下因素:
　　
　　•集装箱尺寸:由于冷站主要采用集装箱形式,因此模块尺寸主要参考标准集装箱尺寸,同时考虑陆运搬运尺寸要求,按照500mm模数做一定放大定制,由于受集装箱尺寸的限制,单个模块的设备容量不会太大。对于一体化集成冷站通常最大尺寸容量为500RT(12192×3495×4150h),对于模块化集装箱冷站通常最大尺寸容量为750RT(12192×3495×4150h);
　　
　　•设备相关性:相关的设备通常会按相关性集成在一起做一个集装箱模块,例如冷机模块、冷冻水泵模块、冷却水泵模块、水处理定压补水设备模块或集成一体化模块。
　　
　　具体组合方式还会有以下细分:模块化集装箱冷站、冷却塔钢架布置:不同功能模块独立布置在集装箱内,室外布置钢架基础,单独布置冷却塔。
　　
　　一体化集成冷站、冷却塔架顶布置或贴临布置:以一台冷机单元及相关水泵冷却塔设备作为独立单元布置在集装箱内,每个产品均为1集装箱,冷却水泵、冷冻水泵均为1台,模块中含配电柜、定压补水装置、水处理装置等,冷却塔在集装箱顶布置或贴临布置。
　　
　　②集成模块生产制造、运输及安装工厂接受生产任务单后,将严格按设计图纸、生产与制造工艺流程的要求组织本项目整装式集成冷水机房的生产与制造。主要有以下步骤,如图4所示:
　　
　　③投资对比分析
　　
　　以某制冷量规模约8000RT的数据中心制冷站为例进行投资对比,其中传统模式采用4台2000RT(3用1备)10kV高压离心冷水机组,预制化集成冷站采用10台750RT(8用2倍)380V低压离心冷水机组。
　　
　　由于两种冷站模式主设备容量及采购来源均不相同,因此投资对比中设备费、施工安装材料费均需要计算,通过计算对比结果如下,可以看出相对于传统冷站施工,预制化集成冷站投资超出约350万元,成本提高约11%(不包含工期节省带来的时间成本),投资对比表见表2所示。
　　
　　④设计、施工要点
　　
　　•设备基础:室外及屋面设置普通条形混凝土或金属钢架基础即可，表面平整，若采用模块化集装箱，室外还需要设置二层钢结构，用于布置冷却塔;
　　
　　•设备扩容:由于集装箱均为提前加工好的产品,孔洞接管均为前期定制,因此远期若存在扩容
　　
　　场景,集装箱需提前预留好接口,或者远期也可采用独立设置一套集装箱冷站设备,室内管道预留接口即可完成对接增容,同时还需做好和原有群控系统对接;
　　
　　•设备定制:集装箱冷站不同于传统独立设备,需要根据不同项目系统方案、设备容量进行组合拼装,因此集装箱冷站均为定制产品,非标准产品;
　　
　　•连续供冷:需要独立设置蓄冷罐,集装箱预留接口,管道与蓄冷罐外部连接;
　　
　　•冷媒泄露:冷站内配备有专门的冷媒泄漏检测仪,同时内部设置有通风风机,当检测到冷媒泄露时,自动启动排风风机;
　　
　　•防冻及空调:冷站内可以布置分体空调调节室内环境温度,避免室外环境高温影响,同时冷站内可以设置供暖设施,箱体结构也会最好保温,避免严寒地区低温冻结影响;
　　
　　•防水:由于箱体室外布置,防水影响很重要,箱体防水等级可以做到IPX5(防止喷射的水浸入、从任何方向对准设备的射水不应引起损害);
　　
　　•消防:冷站内主要配备有灭火器;
　　
　　•降噪:箱体外壳均采用消音降噪材料板设计;
　　
　　•管道支撑:机组外部管路应有有效支撑,以免外部管路的重量损坏机组内部管道密封;
　　
　　•与设计院配合:设计院需要提供CAD系统图、设备配置表,厂家通过BIM优化、拆分、深化出集装箱冷站模块。设计院配合在室外预留好冷站基础,屋顶布置的话还需预留好载荷。拿到图纸后,工厂按以下进行拆分审核:与原材料有关的图纸、与制造工艺相关的图纸、与焊接工艺相关的图纸、与过程检验相关的图纸、与外协部门相关的图纸;
　　
　　•与施工总包配合:针对传统架构冷站,需要提前采购好设备,包括确定好集采设备,或者提前确定好厂家,相应设备运送到冷站加工工厂,加工好后再运送现场;针对蒸发冷凝冷机架构,可以作为独立产品直接采购安装;
　　
　　•减震:为避免因振动和噪音的传递而影响机组运行及周围环境,机组底座与基础之间应采取有效的减震措施,可以采用阻尼弹簧减震器减震;
　　
　　•排水:机组附近应备有足够排放能力的排水措施,以便系统停止运行或维修时排放系统中的水;机组的补水管上必须加水阀,排水管需连接到排水地漏,并保持畅通。
　　
　　⑤运维要点
　　
　　设备故障更换:集装箱内小型设设备均设置有搬运通道,冷机体积较大,通常靠近端头布置,且端头大门可以整体开启搬运更换冷机。
　　
　　冷站人工维护:集装箱内均设置有人工巡检通道,集装箱大门做了门禁,内部做了无死角监控摄像头,维护人员可以现场维护,也可以远程进行维护。由于集装箱为独立模块,现场巡检需要分别进入维护。
　　
　　冷站自动运维：集成冷站可以实现高度集成智能化控制系统，大部分时间无需人工现场维护干预。
　　
　　4 结束语
　　
　　通过以上分析研究,对于不同的预制冷站形式在数据中心的应用有以下建议:
　　
　　①装配式冷站:所有新建、改造、扩容数据中心冷站均适用,但对于落地支架带来的美观影响有特殊需求时谨慎采用;
　　
　　②预制化集成冷站:对于已建成的数据中心,适用于局部扩容改造的场景,且屋面空间和载荷足够或室外场地空间足够,冷源系统自成系统;对于新建的数据中心,适用于规模不大的场景,制冷负荷宜不超过3500RT,以避免冷站并联机组台数过多;
　　
　　③为充分利用预制冷站带来的节省工期优势,该技术适用于土建和机电工程同期施工的场景,且提前招标集成厂家,实现冷站和土建并行推进,最大程度节省工期,同时设计阶段需提前介入,做好场地条件预留、精准设计。
　　
　　参考文献
　　
　　[1]姜宇光.数据中心冷水空调系统与间接蒸发冷却空调系统建模对比分析[J].暖通空调,2021,51(1):76-83.
　　
　　[2]庄军涛,陈旭峰,赵小红,等.论法兰连接技术在装配式冷站施工中的应用[J].日用电器,2018(1):58-62.
　　
　　作者简介
　　
　　姜宇光,男,1988年3月生,硕士研究生,硕士,中级工程师。
　　
　　编辑：Harris