数据中心用于IT环境的不同类型的空调系统

用于IT 环境的不同类型的空调设备版次1作者：Tony Evans引言 2 排热方法2 吊顶式和落地式精密制冷系统 8 制冷方式的组合 10 IT 环境的制冷方式选择 12 制冷系统选件 18 可用性考虑及实践 19 结论 20 参考文献 21点击其中一节可跳转目录59号白皮书摘要数据中心和IT 机房排热是所有关键IT 环境过程中最为基本而又最少为人所了解的内容之一。

由于最新的计算设备变得越来越小，而耗电量则与其所替代的设备相同甚至更高，数据中心内会有更多热量产生。

精密制冷和排热设备用于收集这些有害的热量并将其输送至室外大气中。

本文介绍产生冷空气（排热）的设备。

文中解释了旨在将热量由IT 环境输送至室外大气的不同的组件和制冷方法。

它提供了对可提高制冷系统可用性并降低成本的不同IT 环境、常见规范以及设备选件的最佳配置的说明信息。

以本文所提供的信息为基础，IT 专业人士能够成功地管理IT 环境制冷系统的规格选择、安装和运行。

空调机如何工作APC 白皮书57号《信息技术用空调机的基本原理》提供了关于IT 环境的热学性质、制冷循环运行以及精密制冷设备及室外排热设备之基本功能的信息。

气流分配APC 白皮书55号《关键业务设施的气流分配架构体系的选择》提供了利用空气对数据中心和网络机房内的IT 设备进行冷却的9种基本方式的相关信息。

这是制冷系统的一个非常重要的部分，因为IT 设备的气流分配会大大影响其整体性能。

从IT 环境收集有害热量并将其输送至室外环境有5种基本方式。

这些方法中的一种或多种用于对几乎所有关键业务计算机房和数据中心进行冷却。

每种方法均采用将热量由数据中心或计算机房输送或泵送至室外环境的制冷循环。

有些方法会将制冷循环的组件移离IT 环境，有些则是在过程中加装水及其他液体的辅助环路（一体化管道）。

以下各节将详细介绍采用这些方法的系统。

风冷型系统（分体式）风冷型机房空调广泛用于所有规模的IT 环境，并已在小型和中型机房领域确立了“常用设备”的地位。

此类系统经常被称为DX 系统或分体系统。

“DX ”这一命名表示直接蒸发，尽管此术语经常指代风冷型系统，实际上任何采用制冷剂和蒸发器盘管的系统均可被称为DX 系统。

在风冷型系统中，制冷循环组件中有一半位于机房空调（也称为CRAC ）内，其余位于室外的风冷冷凝器中，如图1所示。

制冷剂在室内与室外组件之间称为制冷剂管路的管道中循环。

IT 环境散发出的热量通过这种制冷剂循环流动被“泵送”至室外环境中。

引言《信息技术用空调机的基本原理》相关文献APC 白皮书57号 《任务关键设施的气流分配架构体系的选择》相关文献APC 白皮书55号 排热方法图风冷型DX系统（分体式）∙制冷剂管路必须现场安装。

只有经过适当设计、已认真考虑IT与室外环境之间距离和高度变化的管道系统方可提供可靠的性能。

∙制冷剂管路在长距离条件下无法可靠且经济地铺设。

∙多台机房空调不能连接至同一台风冷冷凝器。

通常用于：∙可用性要求适中的配线间、计算机房和中小型数据中心。

风冷型一体化系统（单体式）一体化系统将制冷循环的所有组件均置于一个柜体中，而此柜体通常位于IT环境内。

被称为热废气的热量（约120°F [49°C]）以热气流的形式从一体化系统中排出。

该热气流必须从IT机房引至室外或一个未经空气调节的空间内，以确保计算机设备的正常冷却，如图2所示。

如果安装在吊顶天花板上方且不使用冷凝器进风和出风风管，来自冷凝盘管的热排风可能会被直接排至吊顶区域内。

楼宇的空调系统必须具备处理这一额外热负荷的可用制冷容量。

通过冷凝盘管吸入的空气（变成热废气）由计算机房的外部提供。

这样将避免在室内造成真空，从而使未经调节的空气进入而变热。

一体化室内系统容量通常有限（最高15kW），因为需要有额外的空间来容纳所有制冷循环组件，并需要大型风管来管理排风。

安装在室外楼顶上的一体化系统的容量可以大得多，但通常并不用于精密制冷场合。

图风冷型一体化系统（单体式）缺点：∙单台设备的排热容量较其他制冷配置低。

∙为冷凝盘管引入和引出IT环境的风通常需要管道和/或吊顶。

通常用于：∙可用性要求适中的配线间、实验室环境和计算机房。

有时用于解决数据中心内的热点问题。

乙二醇冷却型系统此类系统将所有制冷循环组件置于一个机箱内（类似一体化系统），但将笨重的冷凝盘管替换为小得多的热交换器，如图3所示。

热交换器使用流动的乙二醇（水与乙二醇的混合物，类似于汽车防冻液）从制冷剂收集热量，并将其送出IT环境。

热交换器和乙二醇管道规格总是小于冷凝盘管（分体式空气冷却系统）和冷凝器风管（一体化空气冷却系统），因为乙二醇混合物能够收集和输送的热量远远超过空气。

乙二醇通过管道流动至一个称为流体冷却器的室外安装设备。

随着风机强制室外空气通过流体冷却器内较热的充有乙二醇的盘管，热量被排放至室外大气。

使用一套泵组（泵、电机和保护机箱）使乙二醇在与机房空调和流体冷却器之间的环路中往复循环。

冷却IT 环境。

此过程被称为“自然冷却”，可以有效降低运行成本。

缺点：∙ 相比风冷型DX 系统，额外需要的组件（泵组、阀）会提高基建和安装成本。

∙ 系统内的乙二醇的体积和品质需要加以保持。

∙ 将向IT 环境引入额外的流体源。

通常用于：∙ 可用性要求适中的计算机房和中小型数据中心。

水冷型系统水冷型系统与乙二醇冷却型系统的相似之处在于，所有制冷循环组件均位于机房空调内部。

然而，乙二醇冷却型系统与水冷型系统之间存在两项重要区别：∙ 利用冷却水（也称为冷凝水）而非乙二醇混合液从IT 环境中收集热量并将其输送出去。

∙ 热量通过一个冷却塔而非流体冷却器排至室外大气中。

如图4所示，冷却塔将热量从IT 机房排至室外环境的方式是将热的冷凝水喷洒至位于塔顶的海绵状材料上（称为充注）。

水被喷散，在其向冷却塔底部滴落和流动的过程中有一部分会被蒸发（采用一台风机通过充注材料抽取空气，以帮助加快蒸发）。

与人体因汗液蒸发而降温的原理一样，少量水从冷却塔蒸发可用于降低剩余水的温度。

塔底部的冷却水通过一个泵组被收集并送回冷凝水环路。

冷凝水环路和冷却塔通常并不仅仅为使用水冷式计算机房空调系统而安装。

它们通常是一套更大的系统的组成部分，还可用于排放来自楼宇舒适度空调系统（对人员环境进行降温）和水冷却器（水冷却器在下一节中介绍）的热量。

图乙二醇冷却型系统∙ 冷却塔、泵和管道系统的初始成本高。

∙ 由于经常有清洁和水处理的要求，维护成本非常高。

∙ 将向IT 环境引入额外的流体源。

∙ 非专用的冷却塔（用于对整个楼宇进行冷却）的可靠性可能比不上专用于机房空调的冷却塔。

通常用于：∙ 在可用性要求适中或很高的小型、中型和大型数据中心内配合其他楼宇系统使用。

冷水型系统在冷水型系统中，制冷循环的组件被从计算机房空调系统移至称为水冷冷水机组的设备处，如图5所示。

冷机的功能是产生冷冻水（被降温至46°F [8°C]左右的水）。

冷冻水通过管道由冷机被泵送至位于IT 环境中的机房空气处理机（也称为CRAH ）。

机房空气处理机的外观与机房空调类似，但工作方式却不同。

它们冷却空气（排热）的方式是通过充有循环冷冻水的冷水盘管从机房捕获热空气。

从IT 环境排出的热量随着冷冻水流出CRAH （此时较热）并返回冷机的过程而流出。

在冷机处，从回流冷冻水排出的热量通常会被排至一个冷凝水环路（同样供水冷式机房空调使用的冷却水），以送至室外大气。

冷机系统通常在许多计算机房空气处理机间共用，经常用于对整座楼宇制冷。

图水冷型系统优点：∙ 机房空气处理机（CRAH ）通常比占地面积相同的机房空调成本低，零部件较少，且有更大的排热容量。

∙ 冷冻水管环路可以很容易地实现非常长距离的铺设，且可由一个冷水站为许多IT 环境（或整座楼宇）服务。

∙ 冷水型系统可被设计为极其可靠。

∙ 对于大型设施，冷水型系统每kW 成本最低。

缺点：∙ 对于IT 电气负载低于100 kW 的设施，冷水型系统的基建成本通常最高。

∙ 相比其CRAC 对应设备，CRAH 通常会从数据中心空气中去除更多湿气，在某些气候条件下因为需要在机房内加湿而增加运行成本。

∙ 将向IT 环境引入额外的流体源。

通常用于：∙ 在可用性要求适中或很高的中型和大型数据中心内配合其他系统使用，或作为大型数据中心的高可用性专用解决方案使用。

图冷水型系统用于IT 环境的不同类型的空调设备精密制冷设备有2种基本安排方式，即安装在天花板上的吊顶式系统和安装于地面上的落地式系统。

墙壁安装式或微型分体式系统等变化形式与吊顶式系统类似，当有足够的墙壁空间可用时，可以类似方式应用。

吊顶式系统这些系统是悬挂在IT 机房的结构天花板上的小型（300-500 lb ，136-227 kg ）精密制冷设备。

它们对3-17 kW 的计算机设备进行制冷，并了采用5种IT 环境排热方法中的任何一种。

吊顶式系统（图6）不需要占用IT 环境的地面空间，然而由于它们的架空布置方式，安装和维护工作更为复杂。

吊顶式精密制冷系统的规格选择、安装和维护应由IT 专业人士、制冷工程师和制造商代表或机械承包商共同完成。

区分吊顶式系统和房顶式系统十分重要。

一体化房顶DX 系统通常涉及对办公空间和人员的制冷（舒适型制冷）。

提供有一个简要说明，因为有时会采用专门配置或定制的机组来对IT 环境制冷。

多数房顶式DX 系统为完全一体化，容量在40至150 kW 范围内。

包括风冷冷凝器在内的所有制冷系统组件均被置于一个大机箱内。

为了运行，仅需要一个电源和两个吊顶开口，以使空气能够进出。

在IT 环境内，房顶式系统通常需要安装风管，以便向设备负载分配冷风。

使用此类未针对IT 环境优化的系统可能导致低湿度状况出现，这将对IT 设备有潜在的破坏作用。

落地式系统落地式精密制冷系统通常可实现最大范围的特点和功能。

随着计算机设备功耗的持续增长，它们越来越多地被用于对较小型的IT 环境制冷或辅助制冷。

便携型系统（也称为单点冷却器）被视为落地式类别的一部分，然而它们几乎都带有轮子，可以很容易地置于需要精密制冷的任何地方（图7）。

便携型系统对2-6 kW 的计算机设备制冷，经常可采用正常的墙壁插座提供电力（2-4 kW 型号）。

便携型系统几乎都是一体化系统。

多数便携型制冷系统的规格选择、安装和维护均可由IT 专业人士完成，而无需制冷工程师或机械承包商协助。

吊顶式和落地式精密制冷系统图典型的吊顶式机房空调大型落地式精密制冷系统自从出现起已被广泛用于对关键任务型机房环境的制冷。

这些通常是IT 环境中容量最大的制冷设备，单机制冷量从20 kW 至200 kW 。

落地式系统会占用IT 环境地面空间，必须策略性地置于机房内，以实现最高的效用。