数据中心用水冷冷水机组主要是离心式和螺杆式冷水机组。
一、离心式水冷机组
离心式水冷机组示例
1、离心式冷水机组特点：
（1）离心式冷水机组属大冷量冷水机组，它有以下特点：
压缩机输气量大，单机制冷量大，结构紧凑，单位制冷量重量小；
性能系数高；
叶轮作旋转运动，运转平稳，振动小，噪声较低；
在较大的冷量范围内能较经济地实现无级调节；
在低负荷时会发生喘振。
（2）离心式冷水机组的组成构成离心式冷水机组的部件中，主要部件是离心压缩机，其他主要辅助设备比如换热设备、润滑油系统等均有自己特点。
（3）压缩机离心式压缩机，有单级压缩也有采用2级或3级压缩的多级压缩方式。离心制冷压缩机一般由进口调节装置、叶轮、扩压器、蜗室、增速齿轮装置组成；某些离心制冷压缩机采用电机直接驱动的技术没有增速齿轮，多级压缩方式的离心制冷压缩机在每级的扩压器后面还有弯道和回流界，以引导气流进入下一级。
离心式水冷机组压缩机示例
（4）蒸发器和冷凝器大部分离心式冷水机组的蒸发器、冷凝器均为卧式管壳式结构，制冷剂都在壳侧流动。蒸发器、冷凝器换热效果的好坏对机组的能耗、重量和尺寸影响极大。就光管而言，管外制冷剂侧的表面传热系数远低于管内水侧的表面传热系数。提高制冷剂侧传热管外表面传热效果的主要方法有两种：一是通过在管外表面喷涂金属颗粒或通过机械加工在管外表面形成翅片以增大管外表面的传热面积；二是通过改进管外去面翅片的形状以改善表面传热，提高表面传热系数。比如，使冷凝管外表面加工成锯齿肋，使管外表面形成的冷凝液膜易于形成珠状很快滴下，不致覆盖在冷凝管外表面形成新的热阻，从而提高了冷凝换热系数。又如，将蒸发管外表面按制冷剂核态沸腾特性设计，使冷媒蒸发气泡连续生成，避免沸腾气泡被再冷凝，同时气泡在上升过程中又加大了对制冷剂液的扰动，从而提高表面传热系数。目前，很多的传热管外表面传热系数已经达到或超过管内的表面传热系数，有的为了进一步提高管内侧的表面传热系数，甚至在管内壁上加工出了翅片。由于传热管技术的进步。现在蒸发温度与冷水出水温度之差逐步减少，蒸发温度的提高使压缩机的压缩比降低，减少了耗功，也减小了换热器的尺寸和重量。在蒸发器的上部装有挡液网，以防止蒸发飞溅的制冷剂液滴直接被压缩机吸入。
常用的蒸发器的型式有满液式/降膜式，换热方式是液态冷媒在壳体内与铜管内的载冷剂进行换热，换热效率高。
（5）节流装置将冷凝器底部积存的高压、常温制冷剂液体节流降压为低压、低温的制冷剂液体进入蒸发器内蒸发制冷。主要有孔板式、浮球阀、膨胀阀等类型。
常用的节流装置有孔板式 - 利用蒸发器和冷凝器两端压差调节孔板开度调整冷媒流量，热力膨胀阀TXV-依靠过热器，通过膨胀阀感温包内冷媒的蒸发调节冷媒流量，外平衡式使用较多。
（6）润滑油系统润滑油系统由油泵、油冷却器、油过滤器及调节阀门等组成，向压缩机、齿轮轴、主电动机轴的轴承和齿轮的啮合面供油润滑、冷却。由于离心式冷水机组的结构日趋紧凑，其油泵一般为内置式，浸没于油箱中；油泵电机由于要与溶解有制冷剂的润滑油直接接触，其绕组的绝缘材料也应与制冷剂相容。油冷却器一般为板式换热器，利用制冷剂液体在板式换热器中蒸发的汽化潜热冷却润滑油，因此尺寸小，也内置于压缩机机壳内，便于蒸发后的制冷剂蒸气返回压缩机。油过滤器的过滤精度要求很高(一般为10～15μm)，其安装位置应尽量靠近供油口，为及时发现过滤器被杂质堵塞，机组运行中应监视过滤镜前后的压力差。
在离心制冷压缩机中，油箱也处于制冷剂环境中，润滑油与制冷剂是互溶的，且温度越低，制冷剂在油中的溶解度越大。润滑油中溶有制冷剂后其粘度要降低，直接影响启动时机组正常供油压力的建立。为此，在油箱中都设有一组供机组停机阶段加热润滑油的电加热器。
（7）离心式冷水机组的控制系统离心式冷水机组的控制系统已相当完善，大都采用微型计算机，配以可靠的参数传感器、变送器，对机组运行进行控制、调节、保护。对单台机组，可随时显示运行中的冷水进出口温度、冷却水进出口温度、蒸发压力、冷凝压力、供油温度、供油压力、压缩机排气温度、导叶开度百分比、主电动机电流、累计运行时间、启动次数等参数；对运行中发生故障可预先发出警告、指出故障名称，并有故障诊断系统，提示产生故障的几种可能原因。每台机组的基本安全保护功能有：冷凝压力过高、供油压力过低、供油温度过高、蒸发压力过低、冷水出水温度过低、冷水断水、主电动机电流过大、主电动机绕组温度过高、主电动机再次启动延时保护等。运行中可根据热负荷的变化，在保证冷水出口温度一定的情况下，自动调节制冷量，以保持室内空气参数恒定。此外还备有远程通讯接口，与楼宇自动化控制系统(BA)联接，对冷水机组实行远程遥控。
总之，可靠的冷水机组配置先进的自动化控制系统，可以使离心式冷水机组安全、可靠、经济地全自动化运行。
（8）磁悬浮制冷压缩机
随着电子技术、控制工程、信号处理元器件、电磁理论及新型电磁材料的发展和转子动力学的进展，近年来磁悬浮技术得到了长足的发展。磁悬浮是利用磁性“同性相斥，异性相吸”的原理，在轴承的转子和定子间加上相应的电磁场，通过控制电磁场，使之处于相对“悬浮”状态。
磁悬浮系统，它是由转子、传感器、控制器和执行器4部分组成，其中执行器包括电磁铁和功率放大器两部分。磁悬浮轴承是一种利用磁场，使转子悬浮起来，从而在旋转时不会产生机械接触，不会产生机械磨擦，不再需要机械轴承以及机械轴承所必需的润滑系统。在制冷压缩机中使用磁悬浮轴承，所有因为润滑油而带来的烦恼就不再存在了。磁悬浮制冷压缩机正是应用了磁悬浮轴承技术。
磁悬浮离心压缩机外观图
磁悬浮压缩机主要组成部分
磁悬浮压缩机主要组成部分由铝合金精密铸造的压缩机机体、两级压缩的离心叶轮、永磁体材料制成的一体化电动机转子和驱动轴、永磁同步电动机、电磁轴承、可调节的进口导流叶片、AC/DC电源转换系统、电磁轴承控制系统和软启动控制系统等。
磁悬浮压缩机采用磁悬浮数控轴承和高性能传感器, 它利用稀土永磁体和电磁体间产生的强力磁场来实现对压缩机轴的悬浮。在运转时受磁力的作用, 轴被悬浮起来, 不与轴承接触, 保证在运转时轴与转子精确定位。同时,轴承不需要润滑油,避免了普通压缩机内部复杂的润滑油系统,大大提高了机组可靠性。由于整个制冷系统中没有润滑油循环,热交换器表面没有润滑油热阻,提高了换热器传热效率,也提高了机组能效。
磁悬浮离心式压缩机的叶轮、电机转子安设在一条轴上,两端被支承在轴承上。在起动时, 变频电机将转速慢慢升高, 依靠磁力的作用, 将轴向上浮起, 旋转的轴与轴承脱离。摩擦功减低到很小。因而降低了压缩机消耗在轴与轴承间的摩擦功率。
磁悬浮离心压缩机原理示意图
磁悬浮制冷压缩机的特点：
由于采用了直接驱动、多级压缩、变频等技术，使磁悬浮离心机的效率得到提高；
在部分负荷工况下磁悬浮压缩机比普通变频压缩机节能；
轴承无需润滑油，可避免壳管式换热器中油膜覆盖在换热管上导致换热效率下降的影响，提高系统换热效率。同时也消除了油管理配件：油热器，油泵，油分离器，油滤器等；
超轻的机身设计：磁悬浮压缩机重量仅为传统压缩机的1/5；
噪声低；
压缩机内部有大量电子设备(变频器 磁悬浮轴承控制)， 压缩机转速约3~5万转/分钟，会影响整体可靠性；
通常5-8年内需要更换压缩机电容；
需选配谐波过滤器以达到＜5% TDDi的要求；
润滑油对离心机效率的影响不超过1-2%；
磁悬浮离心机同样需要冷媒泄露检查、冷凝器清洗、电气设备检查等其它常规维护，并非免维护。
二、螺杆式水冷机组
螺杆式冷水机组，通常由螺杆压缩机、冷凝器（水冷）、节流装置、蒸发器、经济器（可选）、油泵（开启式螺杆用）、控制箱、启动柜和管路阀门等构成，在生产厂组装成一个设备集成。
螺杆式压缩机按螺杆数量可分为双螺杆和单螺杆形式。
1、双螺杆压缩机
（1）双螺杆压缩机的组成螺杆压缩机属于容积式压缩机，其工作容积是由一对相互平行放置且相互啮合的转子（阴转子和阳转子）的齿槽与包容这一对转子的机壳所组成。机器运转时二转子的齿互相侵入对方齿槽，且随着转子旋转侵入对方齿槽的齿向排气端移动，使被对方齿所封闭的容积逐步缩小，压力逐渐提高，直至达到所要求的压力时，此齿槽方与排气口相通，实现了排气。
随着压缩机运转，侵入齿槽的对方转子的齿向排气端移动，使吸气容积不断扩大，压缩气体的容积不断缩小，从而实现了在每个齿槽的吸气、压缩过程，当压缩气体在齿槽中气体压力达到所要求的排气压力时，这齿槽正好与排气孔口相通，开始了排气过程。被对方转子的齿将齿槽分成的吸气容积和压缩容积的过程是周而复始的，从而实现压缩机的连续吸气、压缩和排气过程。
双螺杆压缩机工作过程示意
（2）双螺杆压缩机的能量调节方式双螺杆压缩机广泛采用滑阀式能量增卸载机构，增卸载滑阀安装在气体缸内两个转子的侧面，靠油压活塞带动，使其可以在平行主轴方向移动，以调节吸入气体的数量。通常分为有级和无级两种能量调节方式。
2、单螺杆压缩机
（1）单螺杆压缩机工作原理单螺杆式压缩机是由一个圆柱形的螺杆与两个对称配置的平面星轮组成啮合副，装在主机壳内。螺杆的螺槽、主机壳的内壁、星轮的齿面三者围成的空间构成了压缩机的工作容积。电机直接带动螺杆轴转动，螺杆再带动星轮旋转。气体由主机上的吸气口进入螺槽内，经压缩后再由主机壳上的排气孔排出。主机壳上还开有喷液孔，将润滑油喷入工作容积内，起到密封、冷却和润滑的作用。单螺杆压缩机结构见图。
单螺杆压缩机结构示意图
压缩过程 ：吸气过程结束后，螺杆继续转动，随着星轮齿沿着螺槽推进，封闭的工作容积逐渐缩小，实现气体的压缩过程。当工作容积与排气孔口连通时，压缩过程结束。
压缩过程示意图
排气过程 ：工作容积与排气孔口连通后，随着螺杆继续转动，被压缩气体由排气孔口输送至排气管道，直至齿离螺槽为止。
排气过程示意图
吸气、压缩和排气的过程周而复始，从而实现压缩机的连续工作过程。
3、螺杆压缩机特点：（1）体积小重量轻，结构简单，零部件少;（2）易损件少，无故障运行时间可达4～10万小时;（3）运转平稳，振动小;（4）适应性强。螺杆压缩机具有强制输气的特点，容积流量几乎不受排气压力的影响，在宽阔的范围内能保持较高效率，在压缩机结构不作任何改变的情况下，适用于多种工况;（5）对液击不敏感，能够容忍一定程度的液压缩;（6）通常单机可在25～100%之间无级能量调节;（7）不存在低负荷喘振的问题；（8）全寿命周期内冷量衰减不明显；（9）油路系统及辅助设备比较复杂；（10）压缩机噪声较高；（11）水冷螺杆式冷水机组用于数据中心具有以下技术优势：（12）较高的可靠性和稳定性;（13）全负荷与部分负荷均有较高能效比;（14）没有低负荷喘振问题;（15）自动化程度高，操作维护方便，操作人员不必经过长时间的专业培训，可实现无人值守运转;（16）备用性高，多压缩机设计，互为备用，提高了可靠性;（17）多压缩机逐台卸载启动，对电网冲击小。
三、数据中心冷源用水冷冷水机组的配置方法
水冷电动压缩式冷水机组的配置请参考下表，经性能价格综合比较后确定类型。
冷水机组类型选择单机名义工况制冷量（kW）冷水机组类型
≤1054螺杆式
1054～1758螺杆式
离心式
≥1758离心式
冷水机组的选型应采用名义工况制冷性能系数（COP）较高的产品，并同时考虑满负荷和部分负荷因素，其性能系数应符合现行国家标准GB50189《公共建筑节能设计标准》以及其他相关标准的有关规定，并应优先选用能效等级较高的节能型产品。
1、电动压缩式冷水机组电动机的供电方式应符合下列规定：（1）当单台电动机的额定输入功率大于1200kW时，应采用高压供电方式；（2）当单台电动机的额定输入功率大于900kW而小于或等于1200kW时，宜采用高压供电方式；（3）当单台电动机的额定输入功率大于650kW而小于或等于900kW时，可采用高压供电方式。
2、进\出水温的变化以及负荷容量变化对冷水机组选型的影响
冷水机组的名义工况的进\出水温为7\12oC，但现在绝大部分新建数据中心行业已经采用更高的进\出水温（12\18oC）甚至更高，因此在选择冷水机组时需要综合考虑水温以及机组在部分负荷时的性能表现。
3、水冷冷水机组的配置方案应能适应负荷全年变化规律，满足季节及部分负荷要求
机组不宜少于两台，且同类型机组不宜超过4台；当小型工程仅设一台时，应选调节性能优良的机型，并能满足建筑最低负荷的要求。对于全年供冷负荷变化幅度较大的建筑，冷水（热泵）机组的台数和容量的选择，应根据冷（热）负荷大小及变化规律确定，单台机组制冷量的大小应合理搭配，当单机容量调节下限的制冷量大于建筑物的最小负荷时，可选一台适合最小负荷的冷水机组，在最小负荷时开启小型制冷系统满足使用要求，这种配置方案已在许多工程中取得很好的节能效果。如果每台机组的装机容量相同，此时也可以采用一台或多台变频调速机组的方式。对于设计冷负荷大于528kW以上的公共建筑，机组设置不宜少于两台，除可提高安全可靠性外，也可达到经济运行的目的。因特殊原因仅能设置一台时，应选用可靠性高，部分负荷能效高的机组。有些项目的后期由于制冷机房的限制，可能在后期将小容量的离心机更换成大型机组。
4、对于实际项目中，通过合理的容量搭配选型，在运行中通过控制技术手段，将机组使用过程中负荷率提高，可以做到低投资成本和高效率的完美搭配。
水冷冷水机组的配置示例
特 点
全定频□初投资低□故障率低□对电网污染少□启动电流大
全变频□可以适应负荷的各种变化□过渡季节的配合节能工况运行效果最好□低启动电流
定变组合
□定频机与变频机优势互补，兼顾机高/低负荷、四季温差变化
□根据季节和负荷变化， 备用机组可轮换使用变频机、定频机
□轮换使用变频机、定频机为备用机组，可利用二种机组能效特点。定变组合的方案比全部变频机的方案，节省初投资
小、大搭配□可解决初期系统负荷较低，离心机组出现喘振的运行问题□初期投资成本低
数据中心的单位平米的热负荷远大于民用建筑，而且需要全年制冷，适合采用大容量、高效的制冷机组。且由于很多数据中心采用分期建设以及内部服务器也有可能是分批安装等原因，会造成建设初期的一段时间内无法达到设计容量，初期建设可能只有总体规划设计容量的1/10，因此需要根据具体的情况选择合适的配置方案。并且实际运行时还需要考虑与自然冷却的结合应用。
（本文摘自：《数据中心冷源系统技术白皮书》2018年，主要参编单位：深圳市英维克科技股份有限公司、世源科技工程有限公司、中数智慧（北京）信息技术研究院有限公司、中国建筑科学研究院、阿里巴巴（中国）有限公司、广东申菱环境系统股份有限公司、特灵空调系统（中国）有限公司、捷联克莱门特商贸（上海）有限公司、德燊（上海）阀门科技有限公司、施耐德电气有限公司、北京英沣特能源技术有限公司、约克（中国）商贸有限公司、华为技术有限公司）
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