本章具體介紹了數據中心制冷系統的種類及原理，和各自的優缺點。

• 空調的種類

舒適空調具有較低的顯熱負荷能力。上圖是一般常見舒適空調，這種空調主要部署在人類活動且人類產生潛熱的地方。

一般具有簡單的恒溫器和溫度控制，沒有濕度控制，一般也缺乏加濕和去濕的控制能力，目前有些家用空調能夠去濕。由于以上原因，這種空調主要部署在辦公室和家庭中，在全年24小時應用的情況下其壽命一般不超過3年。過濾器部分通常更多地保護空調器本身的內部，而不是保護其目標區域免受灰塵影響，因此它們缺乏適合的過濾能力，除非安裝了額外的傳感器，否則這些裝置通常缺少遠程控制和監控接口。

精密空調具有高顯熱負荷能力，非常適合計算機房產生的熱量類型。

精密空調具有良好的溫度控制和加濕能力，并提供精確和穩定的冷卻能力，配有適當的過濾器，不僅可以保護空調設備本身，還可以為計算機房提供足夠的過濾。精密空調設計和制造適用于連續運行，與舒適空調相比，是在計算機房環境中部署的非常好的選擇，它們通常具有非常好的監控接口功能，便于遠程監控各種參數。

 

第二節 制冷原理

空調的基本原理很簡單，通常由兩部分組成：

蒸發器Evaporator：某種形式的冷酶液體流過格柵，在格柵的一側暖空氣進入，通過格柵冷酶將帶走熱量，因此格柵的另一面會很涼爽。

冷凝器Condenser：能量不能只是出現或消失，它總是需要轉換，所以熱量通過蒸發器排出，一定隨著另一種介質到了某個地方，這就是通過冷凝器完成的。這個單元把將熱量提取來，讓另一種介質（通常是空氣）帶走。

空調整體的工作原理示意圖

制冷原理：

空調壓縮機是在空調制冷劑回路中起壓縮驅動制冷劑的作用，一般裝在室外機中。空調壓縮機把制冷劑從低壓區抽取來經壓縮后送到高壓區冷卻凝結，通過散熱片散發出熱量到空氣中。空調壓縮機不斷工作，就不斷地把低壓區一端的熱量吸收到制冷劑中再送到高壓區散發到空氣中，起到調節氣溫的作用。

空調制冷劑Coolant：制冷劑是制冷循環的工作介質，俗稱冷媒，利用制冷劑的相變來傳遞熱量，既制冷劑在蒸發器中汽化時吸熱，在冷凝器中凝結時放熱。?當前能用作制冷劑的物質有80多種，最常用的是氨、氟里昂類、水和少數碳氫化合物等。在IT環境中最常用的制冷劑是R-22。因為臭氧消耗的環境問題，有些國家要求使用替代制冷劑，如R-134a。有的是混合制冷劑，由兩種制冷劑組成。

制冷劑的一些特性：

• 環境友好，不破壞臭氧層。
• 毒性低。
• 不可燃，空氣中的可燃極性低。
• 化學和熱穩定性高。

第三節 常用制冷系統

機房空調(CRAC)按照是否自帶冷源方式可以分為直接膨脹式（DX）和通冷型(CW)

• 直接膨脹式（DX）：DX機組自身具有制冷系統，任何使用制冷劑和蒸發器盤管的系統都可以稱為DX系統。其中DX機組按冷凝器冷卻單元不同又分為：風冷機組、水冷機組、乙二醇機組。
• 通冷型(Chilled Water)：CW機組自身不帶制冷系統，需要利用冷水機組提供低溫冷源。

風冷式機房空調廣泛應用于各種規模的IT環境中，成為中小型機房的主要制冷產品。?這種類型的系統經常作為DX系統或分離系統，在空氣冷卻系統中，制冷循環的一半組件位于空氣冷卻系統中的計算機房空調（也稱為CRAC單元），其余在室外空氣冷卻冷凝器。DX系統（直接膨脹系統）直接使用制冷劑作為冷卻介質。蒸發器內的制冷劑直接從用于目標空間的空氣中吸收熱量。

優點：總體成本低廉，容易維護。

缺點：必須在現場安裝制冷劑管道，只有正確設計的管道系統，仔細考慮IT環境和室外環境之間的距離和高度變化，才能提供可靠的性能。根據技術規范，數據中心內的CRAC與建筑物外部的冷凝器之間的距離應保持在限制的范圍內。多個計算機房空調不能連接到單個風冷冷凝器，每個CRAC必須有自己的冷凝器。

部署場合：通常用于配線柜室，計算機房和中小型數據中心，具有中等可用性要求的地方。

空氣冷卻獨立直接膨脹系統

獨立系統將制冷循環的所有部件封裝在一個外殼中，熱量隨著熱氣流（約49°C）從獨立系統中排出，這股熱空氣必須從IT室傳送到室外，以確保計算機設備的正常冷卻，建筑的空調系統必須有足夠的能力來處理這種額外的熱負荷，吸入的空氣（經過冷凝器銅管成為熱廢氣）也應從機房外部供應。獨立室內系統通常容量有限，需要額外的空間來容納所有的制冷循環部件和管理廢氣所需的大型空氣管道。

優點：室內獨立系統的安裝成本最低，所有制冷循環組件都包含在一個單元內，并經過工廠密封和測試，系統實現最高可靠性。

缺點：冷卻能力低，不具有非常好的調節能力，并且不屬于精密空調，具有溫度和濕度控制波動的問題，因而一般分類為舒適空調。

部署場合：配線間、實驗室環境和中等可用性要求的計算機房，有時用會用于修復數據中心的過熱點。

流體冷卻-乙二醇

這種類型的系統將所有制冷循環組件封裝在一個外殼里(如獨立系統)，但是用一個體積小得多的熱交換器取代了龐大的冷凝盤管。熱量交換器使用流動的乙二醇從制冷劑中收集熱量并將其從IT環境中運走。冷卻器使用風扇使得室外空氣通過溫暖的乙二醇填充的盤管，熱量因此被帶走并排除在外部大氣中。該方法是兩階段過程，使用空氣和水的組合來排出熱量。

優點：整個制冷循環包含在計算機房空調裝置內，和具有相同的占地面積要求的分體式風冷系統相比，原工廠的密封和測試使其具有最高的可靠性。乙二醇管道可以比制冷劑管道(風冷系統)運行更長的距離。在寒冷的地方，冷卻液中的乙二醇可以冷卻到10°C以下的溫度，可以繞過CRAC裝置中的熱交換器并直接流到專門安裝的節能器盤管(節能器代替了蒸發器)。因而，可以關閉制冷循環并使空氣通過節能器盤管，節能器盤管里充滿冷卻的乙二醇，來冷卻IT環境。?這個過程被稱為自然冷卻，使得機房運營成本降低。

缺點：與風冷DX系統相比，額外需要的組件增加了資金和安裝成本，需要維護系統內乙二醇的容量和質量。? ? ???

部署場合：計算機房和具有中等可用性要求的中小型數據中心。

水冷

水冷系統與乙二醇冷卻系統類似，所有制冷循環組件都位于機房內的空調內。水冷系統使用水回路(冷凝水)代替乙二醇來收集和傳輸熱量，通過冷卻塔將熱量排放到外部大氣中，冷卻塔將來自IT環境的溫熱的冷凝器水噴灑到冷卻塔頂部的海綿狀材料上，水擴散開來，當它滴落并流到冷卻塔的底部時，它們中的一些會蒸發掉，通過海綿狀填充材料底部吸入空氣，從海綿狀材料抽出濕熱空氣，連同IT室內的熱量排放到室外環境中。冷凝水回路和冷卻塔通常不是僅為水冷機房空調系統的使用而安裝，它們通常是較大系統的一部分，也常用于舒適空調等。

??優點：所有制冷循環組件都包含在計算機房空調裝置內，原工廠密封和測試使其具有最高的可靠性。冷凝器水管道可以很容易地長距離運行，一個冷卻塔能為許多計算機房空調機組和其他設備提供服務。在租賃的IT環境中，建筑物冷凝水的使用通常比冷凍水便宜。

缺點：冷卻塔、泵和管道系統的初始成本較高。由于頻繁的清潔和水處理要求，維護成本非常高。? ??? ? ??

部署場合：適用于中高可用性要求的小型、中型和大型數據中心，并且可與其他建筑系統聯合使用。

冷凍水Chilled water

在冷凍水系統中，制冷循環的部件從計算機房空調系統重新定位到稱為冷水機的裝置中。冷卻器的功能是產生冷凍水(冷凍至約8℃的水)。冷凍水從冷卻器泵送到位于IT環境中的計算機室空氣處理器(CRAH單元)，CRAH通過從IT機房中抽出溫暖的空氣，流過充滿循環冷凍水的冷水盤管來冷卻空氣(除去熱量)。

 

冷凍水

在冷卻器處，從返回的冷凍水中移除的熱量通常被排放到冷凝器水回路以便運輸到外部大氣。冷凍水系統通常是共用的，被許多計算機房空氣處理器共用，通常用于冷卻整個建筑物。

優點：與具有相同占地面積的計算機房空調相比，計算機房空氣處理器通常成本更低，部件更少，并且具有更大的除熱能力。冷水管道回路可以很容易地長距離運行，并且可以從一個冷卻裝置工廠為許多IT環境（或整個建筑物）提供服務。

缺點：對于低于100kW的IT負載的部署，冷凍水系統通常具有最高的資本成本。CRAH通常會從數據中心空氣中去除比CRAC更多的水分，在許多氣候條件下需要更多資金來加濕房間。

自由冷卻

自由冷卻是通過使用自然冷卻的空氣或水代替機械制冷來降低建筑物或數據中心的空氣溫度的方法。在某些季節或者一天中的某些時間，在許多緯度和海拔高度的環境，特別是在干燥，涼爽的氣候條件下，室外空氣可以比數據中心設備所需要的空氣更冷。通過將寒冷的室外空氣直接過濾和加濕，或加熱等處理送到數據中心，可以在大多數工作時間內減少或消除機械冷卻的使用。

本章內容部分參考《The Different Technologies for Cooling Data Centers》White Paper 59， by Tony Evans。