本章具體介紹了(le)數據中心制冷系統的種類及原理(lǐ)，和(hé)各自(zì)的優缺點。
- 空(kōng)調的種類
舒适空(kōng)調具有較低(dī)的顯熱負荷能(néng)力。上(shàng)圖是一般常見舒适空(kōng)調，這(zhè)種空(kōng)調主要部署在人類活動且人類産生潛熱的地方。
一般具有簡單的恒溫器和(hé)溫度控制，沒有濕度控制，一般也(yě)缺乏加濕和(hé)去濕的控制能(néng)力，目前有些(xiē)家用(yòng)空(kōng)調能(néng)夠去濕。由于以上(shàng)原因，這(zhè)種空(kōng)調主要部署在辦公室和(hé)家庭中，在全年24小(xiǎo)時(shí)應用(yòng)的情況下(xià)其壽命一般不超過3年。過濾器部分通常更多地保護空(kōng)調器本身的内部，而不是保護其目标區(qū)域免受灰塵影響，因此它們缺乏适合的過濾能(néng)力，除非安裝了(le)額外(wài)的傳感器，否則這(zhè)些(xiē)裝置通常缺少遠程控制和(hé)監控接口。
精密空(kōng)調具有高(gāo)顯熱負荷能(néng)力，非常适合計(jì)算(suàn)機房産生的熱量類型。
精密空(kōng)調具有良好(hǎo)的溫度控制和(hé)加濕能(néng)力，并提供精确和(hé)穩定的冷卻能(néng)力，配有适當的過濾器，不僅可以保護空(kōng)調設備本身，還可以爲計(jì)算(suàn)機房提供足夠的過濾。精密空(kōng)調設計(jì)和(hé)制造适用(yòng)于連續運行，與舒适空(kōng)調相比，是在計(jì)算(suàn)機房環境中部署的非常好(hǎo)的選擇，它們通常具有非常好(hǎo)的監控接口功能(néng)，便于遠程監控各種參數。
第二節 制冷原理(lǐ)
空(kōng)調的基本原理(lǐ)很(hěn)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栅，在格栅的一側暖空(kōng)氣進入，通過格栅冷酶将帶走熱量，因此格栅的另一面會(huì)很(hěn)涼爽。
冷凝器Condenser：能(néng)量不能(néng)隻是出現(xiàn)或消失，它總是需要轉換，所以熱量通過蒸發器排出，一定随着另一種介質到(dào)了(le)某個地方，這(zhè)就是通過冷凝器完成的。這(zhè)個單元把将熱量提取來(lái)，讓另一種介質（通常是空(kōng)氣）帶走。
空(kōng)調整體的工(gōng)作(zuò)原理(lǐ)示意圖
制冷原理(lǐ)：
空(kōng)調壓縮機是在空(kōng)調制冷劑回路中起壓縮驅動制冷劑的作(zuò)用(yòng)，一般裝在室外(wài)機中。空(kōng)調壓縮機把制冷劑從(cóng)低(dī)壓區(qū)抽取來(lái)經壓縮後送到(dào)高(gāo)壓區(qū)冷卻凝結，通過散熱片散發出熱量到(dào)空(kōng)氣中。空(kōng)調壓縮機不斷工(gōng)作(zuò)，就不斷地把低(dī)壓區(qū)一端的熱量吸收到(dào)制冷劑中再送到(dào)高(gāo)壓區(qū)散發到(dào)空(kōng)氣中，起到(dào)調節氣溫的作(zuò)用(yòng)。
空(kōng)調制冷劑Coolant：制冷劑是制冷循環的工(gōng)作(zuò)介質，俗稱冷媒，利用(yòng)制冷劑的相變來(lái)傳遞熱量，既制冷劑在蒸發器中汽化時(shí)吸熱，在冷凝器中凝結時(shí)放(fàng)熱。 當前能(néng)用(yòng)作(zuò)制冷劑的物質有80多種，最常用(yòng)的是氨、氟裏昂類、水(shuǐ)和(hé)少數碳氫化合物等。在IT環境中最常用(yòng)的制冷劑是R-22。因爲臭氧消耗的環境問題，有些(xiē)國家要求使用(yòng)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(xiē)特性：
- 環境友好(hǎo)，不破壞臭氧層。
- 毒性低(dī)。
- 不可燃，空(kōng)氣中的可燃極性低(dī)。
- 化學和(hé)熱穩定性高(gāo)。
第三節 常用(yòng)制冷系統
機房空(kōng)調(CRAC)按照是否自(zì)帶冷源方式可以分爲直接膨脹式（DX）和(hé)通冷型(CW)
- 直接膨脹式（DX）：DX機組自(zì)身具有制冷系統，任何使用(yòng)制冷劑和(hé)蒸發器盤管的系統都可以稱爲DX系統。其中DX機組按冷凝器冷卻單元不同又分爲：風(fēng)冷機組、水(shuǐ)冷機組、乙二醇機組。
- 通冷型(Chilled Water)：CW機組自(zì)身不帶制冷系統，需要利用(yòng)冷水(shuǐ)機組提供低(dī)溫冷源。
風(fēng)冷式機房空(kōng)調廣泛應用(yòng)于各種規模的IT環境中，成爲中小(xiǎo)型機房的主要制冷産品。 這(zhè)種類型的系統經常作(zuò)爲DX系統或分離系統，在空(kōng)氣冷卻系統中，制冷循環的一半組件位于空(kōng)氣冷卻系統中的計(jì)算(suàn)機房空(kōng)調（也(yě)稱爲CRAC單元），其餘在室外(wài)空(kōng)氣冷卻冷凝器。DX系統（直接膨脹系統）直接使用(yòng)制冷劑作(zuò)爲冷卻介質。蒸發器内的制冷劑直接從(cóng)用(yòng)于目标空(kōng)間的空(kōng)氣中吸收熱量。
優點：總體成本低(dī)廉，容易維護。
缺點：必須在現(xiàn)場安裝制冷劑管道(dào)，隻有正确設計(jì)的管道(dào)系統，仔細考慮IT環境和(hé)室外(wài)環境之間的距離和(hé)高(gāo)度變化，才能(néng)提供可靠的性能(néng)。根據技術規範，數據中心内的CRAC與建築物外(wài)部的冷凝器之間的距離應保持在限制的範圍内。多個計(jì)算(suàn)機房空(kōng)調不能(néng)連接到(dào)單個風(fēng)冷冷凝器，每個CRAC必須有自(zì)己的冷凝器。
部署場合：通常用(yòng)于配線櫃室，計(jì)算(suàn)機房和(hé)中小(xiǎo)型數據中心，具有中等可用(yòng)性要求的地方。
空(kōng)氣冷卻獨立直接膨脹系統
獨立系統将制冷循環的所有部件封裝在一個外(wài)殼中，熱量随着熱氣流（約49°C）從(cóng)獨立系統中排出，這(zhè)股熱空(kōng)氣必須從(cóng)IT室傳送到(dào)室外(wài)，以确保計(jì)算(suàn)機設備的正常冷卻，建築的空(kōng)調系統必須有足夠的能(néng)力來(lái)處理(lǐ)這(zhè)種額外(wài)的熱負荷，吸入的空(kōng)氣（經過冷凝器銅管成爲熱廢氣）也(yě)應從(cóng)機房外(wài)部供應。獨立室内系統通常容量有限，需要額外(wài)的空(kōng)間來(lái)容納所有的制冷循環部件和(hé)管理(lǐ)廢氣所需的大(dà)型空(kōng)氣管道(dào)。
優點：室内獨立系統的安裝成本最低(dī)，所有制冷循環組件都包含在一個單元内，并經過工(gōng)廠(chǎng)密封和(hé)測試，系統實現(xiàn)最高(gāo)可靠性。
缺點：冷卻能(néng)力低(dī)，不具有非常好(hǎo)的調節能(néng)力，并且不屬于精密空(kōng)調，具有溫度和(hé)濕度控制波動的問題，因而一般分類爲舒适空(kōng)調。
部署場合：配線間、實驗室環境和(hé)中等可用(yòng)性要求的計(jì)算(suàn)機房，有時(shí)用(yòng)會(huì)用(yòng)于修複數據中心的過熱點。
流體冷卻-乙二醇
這(zhè)種類型的系統将所有制冷循環組件封裝在一個外(wài)殼裏(如獨立系統)，但(dàn)是用(yòng)一個體積小(xiǎo)得多的熱交換器取代了(le)龐大(dà)的冷凝盤管。熱量交換器使用(yòng)流動的乙二醇從(cóng)制冷劑中收集熱量并将其從(cóng)IT環境中運走。冷卻器使用(yòng)風(fēng)扇使得室外(wài)空(kōng)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(wài)部大(dà)氣中。該方法是兩階段過程，使用(yòng)空(kōng)氣和(hé)水(shuǐ)的組合來(lái)排出熱量。
優點：整個制冷循環包含在計(jì)算(suàn)機房空(kōng)調裝置内，和(hé)具有相同的占地面積要求的分體式風(fēng)冷系統相比，原工(gōng)廠(chǎng)的密封和(hé)測試使其具有最高(gāo)的可靠性。乙二醇管道(dào)可以比制冷劑管道(dào)(風(fēng)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(dào)10°C以下(xià)的溫度，可以繞過CRAC裝置中的熱交換器并直接流到(dào)專門(mén)安裝的節能(néng)器盤管(節能(néng)器代替了(le)蒸發器)。因而，可以關閉制冷循環并使空(kōng)氣通過節能(néng)器盤管，節能(néng)器盤管裏充滿冷卻的乙二醇，來(lái)冷卻IT環境。 這(zhè)個過程被稱爲自(zì)然冷卻，使得機房運營成本降低(dī)。
缺點：與風(fēng)冷DX系統相比，額外(wài)需要的組件增加了(le)資金(jīn)和(hé)安裝成本，需要維護系統内乙二醇的容量和(hé)質量。
部署場合：計(jì)算(suàn)機房和(hé)具有中等可用(yòng)性要求的中小(xiǎo)型數據中心。
水(shuǐ)冷
水(shuǐ)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内的空(kōng)調内。水(shuǐ)冷系統使用(yòng)水(shuǐ)回路(冷凝水(shuǐ))代替乙二醇來(lái)收集和(hé)傳輸熱量，通過冷卻塔将熱量排放(fàng)到(dào)外(wài)部大(dà)氣中，冷卻塔将來(lái)自(zì)IT環境的溫熱的冷凝器水(shuǐ)噴灑到(dào)冷卻塔頂部的海綿狀材料上(shàng)，水(shuǐ)擴散開(kāi)來(lái)，當它滴落并流到(dào)冷卻塔的底部時(shí)，它們中的一些(xiē)會(huì)蒸發掉，通過海綿狀填充材料底部吸入空(kōng)氣，從(cóng)海綿狀材料抽出濕熱空(kōng)氣，連同IT室内的熱量排放(fàng)到(dào)室外(wài)環境中。冷凝水(shuǐ)回路和(hé)冷卻塔通常不是僅爲水(shuǐ)冷機房空(kōng)調系統的使用(yòng)而安裝，它們通常是較大(dà)系統的一部分，也(yě)常用(yòng)于舒适空(kōng)調等。
優點：所有制冷循環組件都包含在計(jì)算(suàn)機房空(kōng)調裝置内，原工(gōng)廠(chǎng)密封和(hé)測試使其具有最高(gāo)的可靠性。冷凝器水(shuǐ)管道(dào)可以很(hěn)容易地長距離運行，一個冷卻塔能(néng)爲許多計(jì)算(suàn)機房空(kōng)調機組和(hé)其他(tā)設備提供服務。在租賃的IT環境中，建築物冷凝水(shuǐ)的使用(yòng)通常比冷凍水(shuǐ)便宜。
缺點：冷卻塔、泵和(hé)管道(dào)系統的初始成本較高(gāo)。由于頻繁的清潔和(hé)水(shuǐ)處理(lǐ)要求，維護成本非常高(gāo)。
部署場合：适用(yòng)于中高(gāo)可用(yòng)性要求的小(xiǎo)型、中型和(hé)大(dà)型數據中心，并且可與其他(tā)建築系統聯合使用(yòng)。
冷凍水(shuǐ)Chilled water
在冷凍水(shuǐ)系統中，制冷循環的部件從(cóng)計(jì)算(suàn)機房空(kōng)調系統重新定位到(dào)稱爲冷水(shuǐ)機的裝置中。冷卻器的功能(néng)是産生冷凍水(shuǐ)(冷凍至約8℃的水(shuǐ))。冷凍水(shuǐ)從(cóng)冷卻器泵送到(dào)位于IT環境中的計(jì)算(suàn)機室空(kōng)氣處理(lǐ)器(CRAH單元)，CRAH通過從(cóng)IT機房中抽出溫暖的空(kōng)氣，流過充滿循環冷凍水(shuǐ)的冷水(shuǐ)盤管來(lái)冷卻空(kōng)氣(除去熱量)。
冷凍水(shuǐ)
在冷卻器處，從(cóng)返回的冷凍水(shuǐ)中移除的熱量通常被排放(fàng)到(dào)冷凝器水(shuǐ)回路以便運輸到(dào)外(wài)部大(dà)氣。冷凍水(shuǐ)系統通常是共用(yòng)的，被許多計(jì)算(suàn)機房空(kōng)氣處理(lǐ)器共用(yòng)，通常用(yòng)于冷卻整個建築物。
優點：與具有相同占地面積的計(jì)算(suàn)機房空(kōng)調相比，計(jì)算(suàn)機房空(kōng)氣處理(lǐ)器通常成本更低(dī)，部件更少，并且具有更大(dà)的除熱能(néng)力。冷水(shuǐ)管道(dào)回路可以很(hěn)容易地長距離運行，并且可以從(cóng)一個冷卻裝置工(gōng)廠(chǎng)爲許多IT環境（或整個建築物）提供服務。
缺點：對(duì)于低(dī)于100kW的IT負載的部署，冷凍水(shuǐ)系統通常具有最高(gāo)的資本成本。CRAH通常會(huì)從(cóng)數據中心空(kōng)氣中去除比CRAC更多的水(shuǐ)分，在許多氣候條件下(xià)需要更多資金(jīn)來(lái)加濕房間。
自(zì)由冷卻
自(zì)由冷卻是通過使用(yòng)自(zì)然冷卻的空(kōng)氣或水(shuǐ)代替機械制冷來(lái)降低(dī)建築物或數據中心的空(kōng)氣溫度的方法。在某些(xiē)季節或者一天中的某些(xiē)時(shí)間，在許多緯度和(hé)海拔高(gāo)度的環境，特别是在幹燥，涼爽的氣候條件下(xià)，室外(wài)空(kōng)氣可以比數據中心設備所需要的空(kōng)氣更冷。通過将寒冷的室外(wài)空(kōng)氣直接過濾和(hé)加濕，或加熱等處理(lǐ)送到(dào)數據中心，可以在大(dà)多數工(gōng)作(zuò)時(shí)間内減少或消除機械冷卻的使用(yòng)。
本章内容部分參考《The Different Technologies for Cooling Data Centers》White Paper 59， by Tony Evans。