本章具體介紹了數(shù)據(jù)中心制冷系統(tǒng)的種類及原理，和各自的優(yōu)缺點(diǎn)。

• 空調(diào)的種類

舒適空調(diào)具有較低的顯熱負(fù)荷能力。上圖是一般常見舒適空調(diào)，這種空調(diào)主要部署在人類活動(dòng)且人類產(chǎn)生潛熱的地方。

一般具有簡(jiǎn)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(diào)能夠去濕。由于以上原因，這種空調(diào)主要部署在辦公室和家庭中，在全年24小時(shí)應(yīng)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(hù)空調(diào)器本身的內(nèi)部，而不是保護(hù)其目標(biāo)區(qū)域免受灰塵影響，因此它們?nèi)狈m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(yuǎn)程控制和監(jiān)控接口。

精密空調(diào)具有高顯熱負(fù)荷能力，非常適合計(jì)算機(jī)房產(chǎn)生的熱量類型。

精密空調(diào)具有良好的溫度控制和加濕能力，并提供精確和穩(wěn)定的冷卻能力，配有適當(dāng)?shù)倪^濾器，不僅可以保護(hù)空調(diào)設(shè)備本身，還可以為計(jì)算機(jī)房提供足夠的過濾。精密空調(diào)設(shè)計(jì)和制造適用于連續(xù)運(yùn)行，與舒適空調(diào)相比，是在計(jì)算機(jī)房環(huán)境中部署的非常好的選擇，它們通常具有非常好的監(jiān)控接口功能，便于遠(yuǎn)程監(jiān)控各種參數(shù)。

 

第二節(jié) 制冷原理

空調(diào)的基本原理很簡(jiǎn)單，通常由兩部分組成：

蒸發(fā)器Evaporator：某種形式的冷酶液體流過格柵，在格柵的一側(cè)暖空氣進(jìn)入，通過格柵冷酶將帶走熱量，因此格柵的另一面會(huì)很涼爽。

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

空調(diào)整體的工作原理示意圖

制冷原理：

空調(diào)壓縮機(jī)是在空調(diào)制冷劑回路中起壓縮驅(qū)動(dòng)制冷劑的作用，一般裝在室外機(jī)中?？照{(diào)壓縮機(jī)把制冷劑從低壓區(qū)抽取來經(jīng)壓縮后送到高壓區(qū)冷卻凝結(jié)，通過散熱片散發(fā)出熱量到空氣中?？照{(diào)壓縮機(jī)不斷工作，就不斷地把低壓區(qū)一端的熱量吸收到制冷劑中再送到高壓區(qū)散發(fā)到空氣中，起到調(diào)節(jié)氣溫的作用。

空調(diào)制冷劑Coolant：制冷劑是制冷循環(huán)的工作介質(zhì)，俗稱冷媒，利用制冷劑的相變來傳遞熱量，既制冷劑在蒸發(fā)器中汽化時(shí)吸熱，在冷凝器中凝結(jié)時(shí)放熱。?當(dāng)前能用作制冷劑的物質(zhì)有80多種，最常用的是氨、氟里昂類、水和少數(shù)碳?xì)浠衔锏?。在IT環(huán)境中最常用的制冷劑是R-22。因?yàn)槌粞跸牡沫h(huán)境問題，有些國(guó)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(huán)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(xué)和熱穩(wěn)定性高。

第三節(jié) 常用制冷系統(tǒng)

機(jī)房空調(diào)(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(jī)組自身具有制冷系統(tǒng)，任何使用制冷劑和蒸發(fā)器盤管的系統(tǒng)都可以稱為DX系統(tǒng)。其中DX機(jī)組按冷凝器冷卻單元不同又分為：風(fēng)冷機(jī)組、水冷機(jī)組、乙二醇機(jī)組。
• 通冷型(Chilled Water)：CW機(jī)組自身不帶制冷系統(tǒng)，需要利用冷水機(jī)組提供低溫冷源。

風(fēng)冷式機(jī)房空調(diào)廣泛應(yīng)用于各種規(guī)模的IT環(huán)境中，成為中小型機(jī)房的主要制冷產(chǎn)品。?這種類型的系統(tǒng)經(jīng)常作為DX系統(tǒng)或分離系統(tǒng)，在空氣冷卻系統(tǒng)中，制冷循環(huán)的一半組件位于空氣冷卻系統(tǒng)中的計(jì)算機(jī)房空調(diào)（也稱為CRAC單元），其余在室外空氣冷卻冷凝器。DX系統(tǒng)（直接膨脹系統(tǒng)）直接使用制冷劑作為冷卻介質(zhì)。蒸發(fā)器內(nèi)的制冷劑直接從用于目標(biāo)空間的空氣中吸收熱量。

優(yōu)點(diǎn)：總體成本低廉，容易維護(hù)。

缺點(diǎn)：必須在現(xiàn)場(chǎng)安裝制冷劑管道，只有正確設(shè)計(jì)的管道系統(tǒng)，仔細(xì)考慮IT環(huán)境和室外環(huán)境之間的距離和高度變化，才能提供可靠的性能。根據(jù)技術(shù)規(guī)范，數(shù)據(jù)中心內(nèi)的CRAC與建筑物外部的冷凝器之間的距離應(yīng)保持在限制的范圍內(nèi)。多個(gè)計(jì)算機(jī)房空調(diào)不能連接到單個(gè)風(fēng)冷冷凝器，每個(gè)CRAC必須有自己的冷凝器。

部署場(chǎng)合：通常用于配線柜室，計(jì)算機(jī)房和中小型數(shù)據(jù)中心，具有中等可用性要求的地方。

空氣冷卻獨(dú)立直接膨脹系統(tǒng)

獨(dú)立系統(tǒng)將制冷循環(huán)的所有部件封裝在一個(gè)外殼中，熱量隨著熱氣流（約49°C）從獨(dú)立系統(tǒng)中排出，這股熱空氣必須從IT室傳送到室外，以確保計(jì)算機(jī)設(shè)備的正常冷卻，建筑的空調(diào)系統(tǒng)必須有足夠的能力來處理這種額外的熱負(fù)荷，吸入的空氣（經(jīng)過冷凝器銅管成為熱廢氣）也應(yīng)從機(jī)房外部供應(yīng)。獨(dú)立室內(nèi)系統(tǒng)通常容量有限，需要額外的空間來容納所有的制冷循環(huán)部件和管理廢氣所需的大型空氣管道。

優(yōu)點(diǎn)：室內(nèi)獨(dú)立系統(tǒng)的安裝成本最低，所有制冷循環(huán)組件都包含在一個(gè)單元內(nèi)，并經(jīng)過工廠密封和測(cè)試，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)最高可靠性。

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

部署場(chǎng)合：配線間、實(shí)驗(yàn)室環(huán)境和中等可用性要求的計(jì)算機(jī)房，有時(shí)用會(huì)用于修復(fù)數(shù)據(jù)中心的過熱點(diǎn)。

流體冷卻-乙二醇

這種類型的系統(tǒng)將所有制冷循環(huán)組件封裝在一個(gè)外殼里(如獨(dú)立系統(tǒng))，但是用一個(gè)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(dòng)的乙二醇從制冷劑中收集熱量并將其從IT環(huán)境中運(yùn)走。冷卻器使用風(fēng)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(yōu)點(diǎn)：整個(gè)制冷循環(huán)包含在計(jì)算機(jī)房空調(diào)裝置內(nèi)，和具有相同的占地面積要求的分體式風(fēng)冷系統(tǒng)相比，原工廠的密封和測(cè)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(fēng)冷系統(tǒng))運(yùn)行更長(zhǎng)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(jié)能器盤管(節(jié)能器代替了蒸發(fā)器)。因而，可以關(guān)閉制冷循環(huán)并使空氣通過節(jié)能器盤管，節(jié)能器盤管里充滿冷卻的乙二醇，來冷卻IT環(huán)境。?這個(gè)過程被稱為自然冷卻，使得機(jī)房運(yùn)營(yíng)成本降低。

缺點(diǎn)：與風(fēng)冷DX系統(tǒng)相比，額外需要的組件增加了資金和安裝成本，需要維護(hù)系統(tǒng)內(nèi)乙二醇的容量和質(zhì)量。? ? ???

部署場(chǎng)合：計(jì)算機(jī)房和具有中等可用性要求的中小型數(shù)據(jù)中心。

水冷

水冷系統(tǒng)與乙二醇冷卻系統(tǒng)類似，所有制冷循環(huán)組件都位于機(jī)房?jī)?nèi)的空調(diào)內(nèi)。水冷系統(tǒng)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(huán)境的溫?zé)岬睦淠魉畤姙⒌嚼鋮s塔頂部的海綿狀材料上，水?dāng)U散開來，當(dāng)它滴落并流到冷卻塔的底部時(shí)，它們中的一些會(huì)蒸發(fā)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(nèi)的熱量排放到室外環(huán)境中。冷凝水回路和冷卻塔通常不是僅為水冷機(jī)房空調(diào)系統(tǒng)的使用而安裝，它們通常是較大系統(tǒng)的一部分，也常用于舒適空調(diào)等。

??優(yōu)點(diǎn)：所有制冷循環(huán)組件都包含在計(jì)算機(jī)房空調(diào)裝置內(nèi)，原工廠密封和測(cè)試使其具有最高的可靠性。冷凝器水管道可以很容易地長(zhǎng)距離運(yùn)行，一個(gè)冷卻塔能為許多計(jì)算機(jī)房空調(diào)機(jī)組和其他設(shè)備提供服務(wù)。在租賃的IT環(huán)境中，建筑物冷凝水的使用通常比冷凍水便宜。

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

部署場(chǎng)合：適用于中高可用性要求的小型、中型和大型數(shù)據(jù)中心，并且可與其他建筑系統(tǒng)聯(lián)合使用。

冷凍水Chilled water

在冷凍水系統(tǒng)中，制冷循環(huán)的部件從計(jì)算機(jī)房空調(diào)系統(tǒng)重新定位到稱為冷水機(jī)的裝置中。冷卻器的功能是產(chǎn)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(huán)境中的計(jì)算機(jī)室空氣處理器(CRAH單元)，CRAH通過從IT機(jī)房中抽出溫暖的空氣，流過充滿循環(huán)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(yùn)輸?shù)酵獠看髿狻＠鋬鏊到y(tǒng)通常是共用的，被許多計(jì)算機(jī)房空氣處理器共用，通常用于冷卻整個(gè)建筑物。

優(yōu)點(diǎn)：與具有相同占地面積的計(jì)算機(jī)房空調(diào)相比，計(jì)算機(jī)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(zhǎng)距離運(yùn)行，并且可以從一個(gè)冷卻裝置工廠為許多IT環(huán)境（或整個(gè)建筑物）提供服務(wù)。

缺點(diǎn)：對(duì)于低于100kW的IT負(fù)載的部署，冷凍水系統(tǒng)通常具有最高的資本成本。CRAH通常會(huì)從數(shù)據(jù)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(jī)械制冷來降低建筑物或數(shù)據(jù)中心的空氣溫度的方法。在某些季節(jié)或者一天中的某些時(shí)間，在許多緯度和海拔高度的環(huán)境，特別是在干燥，涼爽的氣候條件下，室外空氣可以比數(shù)據(jù)中心設(shè)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(shù)據(jù)中心，可以在大多數(shù)工作時(shí)間內(nèi)減少或消除機(jī)械冷卻的使用。

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