数据中心冷冻站模块化建设模式探讨

随着网络演进和数据业务的快速发展，数据中心向各行各业不断扩展，国内数据中心建设如火如荼，大型数据中心屡见不鲜。云计算的应用推广，业务系统不断升级，IT需求也相应增长，要求数据中心的设计必须能够适应不断变化的IT和业务要求，同时能够持续提高效率，优化运营成本。模块化建设具有根据业务按需扩展、在提高数据中心使用率的同时降低能耗、交付迅速、分散投资风险等特点，符合IT产业发展趋势，逐渐成为数据中心建设的发展方向。当前节能性能较好的集中空调系统成为大型数据中心空调系统的首选形式，冷冻站做为空调冷源设备的安装场所，是数据中心空调系统的重要组成部分，冷冻站如何能够符合模块化建设的要求，是数据中心规划设计中需要考虑的问题。

1 数据中心对冷冻站性能的要求

为了适应数据中心模块化建设、灵活部署、按需扩展、快速交付、降低能耗、分散投资的要求，冷冻站需要具备以下性能。

（1）高可靠性、安全性

数据中心是网络、信息、计算技术的中枢，由于其数据集中、处理能力集中，一旦出现问题影响面较大，因此需要设备可靠、安全工作。数据、通信等设备能够长期、稳定正常工作，需要机房必须维持一定的温度、湿度和洁净度，而这些都需要空调系统去完成，冷冻站是空调系统供冷的核心，对其可靠性、安全性的高要求则是不言而喻的。

（2）高可在线扩展性、快速交付能力

数据中心的业务是逐步发展的，对空调供冷的需求也是逐渐增加的，同时冷冻站设备投资较高，在业务需求不饱满的数据中心，冷冻站设备一步安装到位，将增加数据中心投资压力，故冷冻站应该具备一定扩容能力，冷冻站规模应能随着业务的扩展而增加，并保证扩容时不影响当前业务的正常运营，同时不应降低系统的可靠性。对于IDC等托管型数据中心，客户对业务投入使用的时限要求较高，冷冻站还需具备快速交付的能力。

（3）高稳定性、高可维护性

数据中心常年7×24小时运行，空调系统长时间运转，作为空调核心的冷冻站需要具备稳定运行的能力，设备和安装具备通用性和标准性，便于后期维护和修复。

（4）高节能性

数据中心的空调系统的能耗仅次于IT设备，位居数据中心能耗的第二位。而冷源设备的能耗占据空调系统能耗的50%以上，这就要求冷冻站在满足供冷需求的前提下，尽量降低能耗。

（5）高智能化

为了数据中心安全、可靠、高效的运行，冷冻站应设置集中监控管理系统，以实时监测冷冻站设备运行状况，迅速确定故障，协调各设备间运行，提高整体效率，减少人为操作，简化维护工作。综上所述，以模块化为理念建设的数据中心，其对冷冻站在可靠性、安全性、可在线扩展性、快速交付能力、稳定性、可维护性、节能性、智能化等方面均提出了高要求，冷冻站建设也需要响应模块化建设的要求，方能更好地适应数据中心的发展。

2 数据中心冷冻站模块化建设

（1）数据中心冷冻站模块化建设思路

一直以来，冷冻站以整体冷源的形象出现在数据中心，冷冻站内的各种设备、管道一步安装到位，或者仅预留设备的安装位置，冷冻站系统设计没有考虑可在线扩展、快速交付的需要，使得冷冻站设备扩容时，安装、调试难度大，施工周期长，对空调系统可靠运行造成了影响，不能适应数据中心发展的要求。

以模块化理念建设的冷冻站，冷冻站内的设备以模块的形式出现（如每套冷水机组、冷冻水泵、冷却水泵可以组成一个供冷模块，补水定压等设备可组成辅助设备模块等），各模块在冷冻站整体架构的基础上，可以实现单模块扩容，降低安装、调试难度，缩短施工周期，减小对运行中空调系统的影响，达到可在线扩展、快速交付的目的，同时模块化设计对冷冻站设备的通用性、施工安装的标准性也有促进，便于运行维护、故障修复。

冷冻站模块化并不仅仅是空调系统模块化，还应该包含冷冻站建筑布局、供配电系统、自控系统等各相关系统的建设，只有与冷冻站建设的各方面都围绕着模块化这个理念，才能建设出满足数据中心要求的冷冻站。

（2）冷冻站模块化建设模式

冷冻站模块化建设模式主要有两种，一种是传统现场安装建设模式，另一种是模块化冷冻站建设模式。

①传统现场安装模式

传统现场安装模式是在冷冻站模块化设计的基础上，由机电安装公司安装冷冻站设备、管道系统、自控系统、配电系统等的传统建设模式。

目前国内大多数据中心采用这种模式建设，建设过程中涉及多设备招标采购，多部门（设计单位、设备厂商、施工安装单位等）、多专业（暖通专业、给排水专业、强电专业、弱电专业等）协同配合，容易出现建设周期长、管理协调工作量大、冷冻站空间利用率低、施工安装标准化差等问题，尤其是冷冻站扩容或设备更新替换时，冷冻站内施工人员多，且耗时长，对冷冻站安全运行影响大，与数据中心对冷冻站安全可靠运行、快速交付、便于维护的要求有一定差距。

②模块化冷冻站模式

模块化冷冻站模式是模块化冷冻站制造商在冷冻站模块化设计的基础上，通过工厂预制+现场组装的方式建设冷冻站，冷冻站建设由现场施工变为工业产品安装。这是一种新型的冷冻站建设模式，通过工厂预制测试、模块运输、现场拼装，满足了冷冻站模块化建设的要求，这种建设模式具有以下特点：

安全可靠性高。采用模块工厂预制的方式，

可在工厂预先测试，减少现场施工、测试工作，提高冷冻站运行的安全可靠性。

便于快速交付。通过工厂预制（见图1）、模块运输（见图2）、现场拼装（见图3），避免工程现场的交叉施工，降低施工管理难度，缩短现场建设周期，在冷冻站扩容或设备更新替换时可快速交付。

工业化标准产品品质。以产品技能工人替代现场安装工人，以工业化标准生产保证产品的性能、质量，使设备、安装具有通用性、标准性，便于冷冻站运行维护。

便于快速修复。模块化冷冻站采用拼接形式安装。对设备、管路、阀部件等的维修、更换方便、快捷。

高效节能。可以通过系统集成技术，使冷冻站内设备很好的关联和匹配，自控系统控制冷冻站内设备协同工作，达到冷冻站整体性能最优，实现冷冻站节能、高效运行。

智能运行。智能化控制，保证冷冻站持续稳定运行，降低系统运行费用和维护难度。

节地省材。冷冻站整体优化设计、工厂化预制，避免了多专业间交叉作业、冷冻站空间利用率低的问题，使冷冻站布局更优，节省冷冻站占地面积和材料耗费，并且能够灵活适应特定的安装空间要求。

相对于冷冻站传统建设模式而言，模块化冷冻站使冷冻站建设从工程项目变为系统产品安装，从现场施工变为工厂预制生产+现场组装。在冷冻站建设中，采用这种建设模式可以减少工程管理协调工作，缩短建设周期，便于冷冻站按需扩容，冷冻站整体性能得到提高、降低能耗，节省冷冻站占地面积，提高冷冻站品质，便于快速维护、修复，更能适应冷冻站模块化建设的要求。

3 模块化冷冻站简介

（1）释义

模块化冷冻站又称集成化冷冻站，是在传统冷冻站基础上引入系统集成技术，而形成的机电一体化系统级产品。其构成元素包括了冷源设备（冷水机组、冷冻水泵、冷却水泵、辅助设备等）、管道系统、自控系统、底座框架等，在传统冷冻站的基础上增加了可拆分底座、支架等。它通过工厂预制测试、模块运输、现场拼装，将冷冻站做为机电一体化产品交付使用。模块化冷冻站的效果图如图4所示。

（2）模块化冷冻站设计

系统集成是模块化冷冻站的核心，其本质是最优化的综合统筹设计，所要达到的目标是系统的整体性能最优，即所有部件和成分组合在一起后不但能工作，而且全系统是低成本、高效率和高性能的、可扩充和可维护的综合系统。模块化冷冻站利用系统集成技术将冷冻站的各个组成设备很好地关联和匹配，控制冷冻站内所有设备协同工作，达到冷冻站整体性能最优。

模块化冷冻站设计包括冷冻站设备优化选型匹配及管路深化设计、整体结构设计、结构仿真校核和自控系统设计。

冷冻站的系统集成并不是对其组成设备进行简单的供货和拼装，而是运用系统集成技术，在详细了解冷冻站模块化设计技术要求和充分考虑了冷水机组、冷冻水泵、冷却水泵、冷却塔等设备的固有特性后和运行性能的基础上对设备的型号和参数进行选型匹配，以达到冷冻站的整体性能最优。

模块化冷冻站整体结构设计主要包括整体布局、系统优化、管道排布、控制系统布置、支吊架及底座设计、模块的划分及冷冻站空间结构三维仿真。

结构仿真校核是对管道及支架、底座结构等关键承载部件的强度和静态刚度进行合理设计和校核，以保证使用过程中的安全性及可靠性，并降低振动及噪音。

自控系统的设计主要是根据设备的选型、冷冻站空间布局及数据中心空调系统需求，对控制系统的软硬件结构和功能进行深化设计，可以实时检测冷冻站设备运行状况，迅速确定故障，自动控制，减少人为误操作。控制系统从单点PID控制演进为关联预测控制，对冷冻站内各设备进行关联控制，使得各个设备之间协调运行，从而保证集成冷冻站系统的整体能耗降低。

（3）模块化冷冻站的工厂预制生产、模块化运输、现场组装

模块化冷冻站作为系统级产品，经过管路深化设计、设备选型匹配、整体结构设计、自控系统设计以及结构仿真校核，已经具备工业化生产加工的基础。因此在工厂进行模块化冷冻站的预制安装，可以进一步发现并纠正设计、安装过程中的瑕疵，形成完整的产品。

在冷冻站的结构设计时，考虑了整个冷冻站的模块化建设要求，因此实现了冷冻站工厂预制完成后可以将模块运输到现场进行组装，从而大大减少了现场安装时间以及各厂家、各专业的交叉施工，降低了施工难度，提高了施工质量，从而保证模块化冷冻站的整体性能。

（4）模块化冷冻站的形式

根据安装场地条件，模块化冷冻站可以采用不同形式：

①对于在建筑内预留有冷冻站位置的数据中心，可采用室内型模块化冷冻站，将冷冻站分模块（冷水机组模块、水泵模块、辅助设备模块、管道支架等）运输到现场进行拼装。

②对于建筑内没有规划预留冷冻站位置的数据中心，可采用集装箱式冷冻站直接放置在室外。

（5）模块化冷冻站在数据中心应用中的问题模块化冷冻站在数据中心应用时间比较短，在应用中下面几个问题需要注意：

①目前国内采用模块化冷冻站的项目，在建设初期并未考虑采用这种建设模式，冷冻站还是按传统建设模式预留，通常冷冻站预留面积比较大，而便于模块化冷冻站模块运输、模块替换所需要的运输通道没有综合考虑，甚至在冷冻站内还预留了各种设备的混凝土基础，增加了二次投入。如果在数据中心设计时，提前引入模块化冷冻站建设模式的思路，充分利用其整体布局紧凑、节省占地面积的优势，考虑其安装、运输、结构特点，可以使数据中心整体布局更合理，更能适应数据中心的要求，同时可以降低综合投资。

②模块化冷冻站在国内应用时间较短，通常以项目的定制化制造为主，还没有形成针对于数据中心的系列化、标准化产品，虽然其可靠性、灵活性、快速响应等方面比传统建设模式有了很大提高，但与数据中心的要求还有一定差距，需要进一步完善。

4 结束语

数据中心冷冻站模块化建设模式能够更好的适应IT产业和数据中心业务要求，是今后数据中心冷冻站建设发展方向；模块化冷冻站建设模式较传统建设模式而言，在缩短建设周期，便于按需扩容，提高冷冻站整体品质，便于快速维护、系统可修复性等方面优势明显，但应用时间短，尚未形成系列化、标准化产品是其短板，还需要进一步开发、应用。

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