数据中心(IDC机房)大型冷冻水制冷系统介绍

数据中心大型冷冻水系统介绍
随着互联网行业高速发展，数据业务需求猛增，数据中心单机柜功率密度增加至6~15kw，数据中心的规模也逐渐变大，开始出现几百到上千个机柜的中型数据中心。

随着规模越来越大，数据中心能耗急剧增加，节能问题开始受到重视。

在办公建筑中大量采用的冷冻水系统开始逐渐应用到数据中心制冷系统中，由于冷水机组的COP 可以达到6以上，大型离心冷水机组甚至更高，采用冷冻水系统可以大幅降低数据中心运行能耗。

冷冻水系统主要由冷水机组、板式换热器、冷却塔、冷冻水泵、冷却水泵以及通冷冻水型专用空调末端组成。

系统采用集中式冷源，冷水机组制冷效率高，冷却塔放置位置灵活，可有效控制噪音并利于建筑立面美观，达到一定规模后，相对于直接蒸发式系统更有建造成本和维护成本方面的经济优势。

1、冷水机组
冷水机组包括四个主要组成部分：压缩机，蒸发器，冷凝器，膨胀阀，从
而实现了机组制冷制热效果。

中大型数据中心多采用离心式水冷冷凝器冷水机组。

冷水机组的作用：为数据中心提供低温冷冻水。

原理：冷水机组是利用壳管蒸发器使水与冷媒进行热交换，冷媒系统在蒸发器内吸收高温冷冻水（21℃）水中的热量，使水降温产生低温冷冻水（15℃）后，通过压缩机的作用将热量带至壳管式冷凝器，由冷媒与低温冷却水水进行热交换，使冷却水吸收热量后通过水管将热量带出到外部的冷却塔散热。

如图，开始时由压缩机吸入蒸发制冷后的低温低压制冷剂气体，然后压缩成高温高压气体送冷凝器；高压高温气体经冷凝器冷却后使气体冷凝变为常温高压液体；当常温高压液体流入热力膨胀阀，经节流成低温低压的湿蒸气，流入壳管蒸发器，吸收蒸发器内的冷冻水的热量使水温度下降；蒸发后的制冷剂再吸回到压缩机中，又重复下一个制冷循环。

2、板式换热器
当过渡季节及冬季室外湿球温度较低时，可以使用板式换热器利用间接水侧自然冷却技术为数据中心制冷。

间接水侧自然冷却技术指利用室外较低的湿球温度通过冷却塔来制备冷水，部分或全部替代机械制冷的一项技术，冷却塔自然冷却属于水侧自然冷却，冷却塔自然冷却是目前数据中心采用最多的自然冷却技术之一。

冷却塔自然冷却主要应用为开式冷却塔间接自然冷却，冷却塔的低温冷却水通过板式换热器与机房空调机组的高温冷冻水换热后向空调机组供冷。

板式换热器是由一系列具有一定波纹形状的金属片叠装而成的一种新型高效换热器。

各种板片之间形成薄矩形通道，通过半片进行热量交换。

它与常规的管壳式换热器相比，在相同的流动阻力和泵功率消耗情况下，其传热系数要高出很多。

3、冷冻水泵、冷却水泵
水泵是输送液体的机械。

它将原动机的机械能传送给液体，使液体能量增加，主要用来输送液体。

在数据中心的作用为输送冷却水与冷冻水。

4、冷却塔
冷却塔是水与空气直接接触进行热交换的一种设备，它主要由风机、电机、格删、填料、水分配系统、框架结构、水盘等组成，主要由在风机作用下温度比较低的空气与填料中的水进行热交换从而达到降低水温的目的。

冷却塔系统原理图如下：
5、冷冻水型精密空调
冷冻水型精密空调机组结构简单，组成如下图所示。

机组主要由框架、冷冻水盘管、室内EC风机、电磁两通调节阀（电动球阀）、控制系统、进出风温湿度传感器、冷冻水管路等组成。

15℃低温冷冻水经过精密空调冷冻水盘管，将机房30℃回风冷却为为18℃冷风为机房IT设备降温；15℃低温冷冻水经机房热空气加热成为21℃高温冷冻水。

一般设置为：出风温度控制精密空调两通阀开度，回风温度控制EC风机转速。

6、蓄冷罐
在Uptime Tier等级标准中，Tier IV（容错的现场基础设施）标准明确规定了连续制冷的要求，一般通过设置蓄冷罐来实现。

当然，连续制冷也可以通过冷源系统设置不间断电源等方式来实现，只要确保电力中断时冷源能不中断即可。

只是蓄冷罐的方式是最经济可靠的方式，所以，现实中，连续制冷方式多以蓄冷罐的形式为主。

数据中心主要采用水蓄冷的形式，开式及闭式是蓄冷罐主要的两种形式。

一次泵系统多采用闭式蓄冷罐。

二次泵系统下，机房楼不高选择开式蓄冷罐，机房楼过高则选择闭式蓄冷罐。

当市电断电，制冷系统出现故障时，二次泵或一次泵为UPS供电，此时依然在运行，此时蓄冷罐开始放冷，继续为机房末端提供冷量。

7、产品特点及应用
（1）冷冻水型精密空调利用大型冷水机组或板式换热器做为集中冷源，制冷系统能效较高；冷冻水型精密空调无室外机，其冷冻水系统的冷却塔集中放置，节省安装空间；冷冻水型精密空调的冷冻水输送采用水泵作为输送动力，可远距离输送冷冻水至各个机房空调。

（2）冷冻水型精密空调机组具有大风量、小焓差的特点，显热比达95%以上，主要承担数据中心机房的显热负荷。

机房内的潜热负荷由恒湿机来处理。

显冷量140kW以上冷冻水型精密空调机组采用高效EC风机（如EBM航空级复合材料叶片），能效比可达20以上，相比风冷型直接蒸发式空调机组节能效果明显。