簡介:IT機房或數(shù)據(jù)中心在用電的同時會產(chǎn)生熱量，而這些熱量必須從這些空間里排走。數(shù)據(jù)中心和IT機房排熱是理解關(guān)鍵 IT 環(huán)境工作流程最基本也是最起碼的要點之一。

本文將從IT的角度介紹精確制冷系統(tǒng)的基本工作原理和主要組件，為數(shù)據(jù)中心或網(wǎng)絡(luò)機房的技術(shù)規(guī)格和設(shè)計提供基本的概念。

IT環(huán)境內(nèi)熱量的本質(zhì)

熱量是能量的一種。當(dāng)數(shù)據(jù)中心內(nèi)的 IT 設(shè)備用電時，便會產(chǎn)生熱量。除極少數(shù)的情況之外，IT設(shè)備用電量的 99%以上被轉(zhuǎn)換成了熱量。如果不將這些多余的熱量排出，室內(nèi)溫度就會不斷升高，并最終導(dǎo)致 IT 設(shè)備發(fā)生故障。服務(wù)器所產(chǎn)生的熱量中約有 50%來自于微處理器本身，故而可以使用風(fēng)機將冷風(fēng)對準芯片組件直吹進行制冷。含有微處理器的服務(wù)器或機架式刀片服務(wù)器通常從機箱的正面進風(fēng)，然后從機箱背面出風(fēng)，請參見圖1。

圖1 微處理器和服務(wù)器的制冷氣流

熱量具有一種獨特的特性，即它只能從高溫向低溫朝著這一個方向轉(zhuǎn)移流動。比如，將一個溫度較低的物體放到一個溫度較高的房間內(nèi)，這個物體的溫度不但不會下降，反而只會升高，因為熱量是從高溫的房間轉(zhuǎn)移至低溫的物體。由此，人們發(fā)明了空調(diào)和冰箱。它們利用電能或機械能將熱量從一個位置轉(zhuǎn)移到另一個位置，甚至可以將熱量從低溫空間逆勢轉(zhuǎn)移到高溫空間。利用這些裝置，即使室外的溫度高于數(shù)據(jù)中心內(nèi)的溫度時，我們也可以將熱量排到室外，這種功能為高功耗計算機設(shè)備在密閉空間內(nèi)正常運行給予了重要保證。了解這種功能的工作原理是理解IT制冷系統(tǒng)的設(shè)計和運行的基礎(chǔ)。

制冷循環(huán)

熱量從IT機房被轉(zhuǎn)移到室外環(huán)境實際上是通過制冷循環(huán)來完成的。這種方式已經(jīng)被使用了上百年。制冷循環(huán)是一種被稱為“制冷劑”的液體的閉合循環(huán)過程，包括蒸發(fā)、壓力變換、冷凝和流量調(diào)節(jié)。圖2所示即為制冷循環(huán)及其應(yīng)用于 IT環(huán)境中的主要組件。它的具體工作流程和組件下面我們將詳細介紹。

圖2 通過制冷循環(huán)排熱

蒸發(fā)

蒸發(fā)是將熱量從IT機房排出的第一步。蒸發(fā)器盤管的工作原理類似于逆向工作的汽車散熱器。IT機房的熱風(fēng)被風(fēng)機送到蒸發(fā)器盤管，同時向這些由管道組成的盤管供送低溫制冷劑。當(dāng)IT機房熱風(fēng)穿過低溫蒸發(fā)器盤管時，熱風(fēng)被冷卻，其所形成的冷風(fēng)被送回IT機房。

壓縮

如圖2所示，攜帶有數(shù)據(jù)中心熱量的低溫氣態(tài)制冷劑被送入壓縮機。壓縮機有兩個重要作用：

1.它推動攜帶有熱量的制冷劑在制冷回路里流動。

2.它將來自蒸發(fā)器盤管的氣態(tài)制冷劑壓縮到 200psi或1379kPa以上。

氣體的一個基本屬性是在壓縮后測量溫度會上升。因此，壓縮機內(nèi)流動的氣態(tài)制冷劑經(jīng)過壓縮后會變熱，溫度約在52°C(125°F)以上。壓縮造成溫度上升是制冷回路將熱量釋放到室外環(huán)境的一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

冷凝

壓縮后的高溫制冷劑將 IT 機房的熱量從壓縮機帶到冷凝盤管。就像蒸發(fā)器盤管一樣，這個盤管的作用也是將熱量轉(zhuǎn)移到另一個介質(zhì)上，比如空氣。但是，蒸發(fā)器盤管的溫度比通過盤管的氣流溫度低，而冷凝盤管的溫度卻比空氣溫度高。也就是說冷凝盤管會加熱空氣氣流，而冷卻其內(nèi)部流過的高溫氣態(tài)制冷劑。熱量從制冷劑轉(zhuǎn)移到空氣中?？諝庖话阌娠L(fēng)機送到冷凝盤管，也就將熱風(fēng)送到室外。利用這種方法，IT機房的熱量被排到了室外。

膨脹

冷凝盤管內(nèi)的制冷劑為高溫高壓液態(tài)物質(zhì)。然后制冷劑經(jīng)由管道送到一個被稱為“膨脹閥”的裝置，這個裝置位于蒸發(fā)器盤管的入口處。這個閥對于制冷循環(huán)有兩個重要作用：

1.它可以按照一定額度精確調(diào)整高壓制冷劑在低壓蒸發(fā)器盤管里的流量，保持適當(dāng)壓差，確保制冷劑在離開盤管前全部得到充分蒸發(fā)。

2.在從膨脹閥離開并重新進入蒸發(fā)器盤管后，制冷劑可以重新被數(shù)據(jù)中心熱量所蒸發(fā)（沸騰）。

這樣制冷循環(huán)就可以反復(fù)進行，其結(jié)果就是熱量不斷流入蒸發(fā)器盤管又不斷從冷凝盤管流出。以這種方式工作的空調(diào)可以不斷將熱量排出數(shù)據(jù)中心。

制冷劑

所有的空調(diào)都含有一定量的，被稱作“制冷劑”的液體。制冷劑是一種用來將 IT環(huán)境內(nèi)產(chǎn)生的熱量轉(zhuǎn)移到室外環(huán)境的物質(zhì)。許多常見的物質(zhì)都可以被用作制冷劑，包括氨氣、二氧化碳、空氣和水。當(dāng)前的系統(tǒng)通常使用不易燃且無毒的氟化烴作為制冷劑。IT專業(yè)人員和制冷專業(yè)人員應(yīng)當(dāng)協(xié)同合作，在基于環(huán)保政策和設(shè)備預(yù)期使用壽命的綜合考量下，確保選擇正確的制冷設(shè)備和制冷劑。

制冷環(huán)境在IT制冷系統(tǒng)中的應(yīng)用

IT機房和數(shù)據(jù)中心通常使用專門的空調(diào)設(shè)備進行制冷，通常稱為“精密制冷系統(tǒng)”。這些系統(tǒng)與普通的家用或商用空調(diào)系統(tǒng)不同，它可以近距離的調(diào)整氣流的溫度和濕度為IT設(shè)備提供更為精確和穩(wěn)定的環(huán)境。

圖3 普通排熱和散熱組件

IT 環(huán)境之內(nèi)的制冷設(shè)備（室內(nèi)機）

IT機房或數(shù)據(jù)中心內(nèi)精密制冷系統(tǒng)的常見配置包括大型落地式IT機房空氣調(diào)節(jié)裝置（CRAC）、 IT機房空氣處理裝置（CRAH）、吊頂式空調(diào)以及便攜式空調(diào)（也稱作“熱點冷卻器”）。所有常見的計算機空調(diào)都可以進行制冷，但是還有許多送風(fēng)量、出風(fēng)量和連接問題需要IT專業(yè)人員小心注意，因為任何一個環(huán)節(jié)出現(xiàn)失誤都可能導(dǎo)致IT設(shè)備發(fā)生故障。如圖3所示，一個落地式IT機房空調(diào)系統(tǒng)可以將35~150kW的熱量從IT環(huán)境內(nèi)排出。一臺設(shè)計用于排出50kW熱量的空調(diào)系統(tǒng)的送風(fēng)量、出風(fēng)量和物理特性如下：

• 每分鐘226.5立方米以上特定溫度和濕度的空氣從數(shù)據(jù)中心進入空調(diào)。這個數(shù)值比兩輛牽引拖車的容量還多。

• 空調(diào)每分鐘釋放出有等量的、溫度和濕度在用戶設(shè)定水平的新空氣。

• 三相空調(diào)耗電約30kW（這個熱量空調(diào)自己會移除，不會釋放到 IT 環(huán)境里）。

• 兩根直徑約為25毫米的管道分別負責(zé)向室外排熱裝置循環(huán)輸送和運回制冷劑。

• 一根直徑為22.2毫米的管道負責(zé)將空調(diào)內(nèi)的水排放到建筑排水管內(nèi)。這個管道稱為“冷凝水管”。

• 一根直徑為6.4毫米與建筑飲用水供水管連接的管道向空調(diào)釋放出的空氣添加水蒸氣以調(diào)節(jié)出風(fēng)濕度。

• 空調(diào)自身178cm（長）x89cm（深）x193cm（高）（相當(dāng)于3個IT設(shè)備機架式機柜的大?。?，重612公斤。

IT環(huán)境之外的制冷設(shè)備（室外機）

IT專業(yè)人員通常非常熟悉位于IT機房或數(shù)據(jù)中心內(nèi)的IT機房空氣調(diào)節(jié)裝置或空氣處理裝置。但卻不太了解制冷系統(tǒng)的另外一部分—外置排熱裝置。除了一些吊頂式和便攜式空氣調(diào)節(jié)裝置外，制冷系統(tǒng)總有一臺或多臺主要組件被外置到IT環(huán)境的外面。這些外置裝置的作用是將IT環(huán)境內(nèi)產(chǎn)生的熱量轉(zhuǎn)移到室外。前面講到的IT機房空氣調(diào)節(jié)裝置需要配備一臺稱為“風(fēng)冷冷凝器”的裝置

來將IT環(huán)境產(chǎn)生的熱量轉(zhuǎn)移到室外。與圖3所示IT機房空氣調(diào)節(jié)裝置匹配的風(fēng)冷冷凝器規(guī)格如下：

• 機身304cm（長）x 122cm（高）x122cm（寬），重408公斤。

• 連接兩根從IT環(huán)境室內(nèi)IT機房空調(diào)設(shè)備接出的制冷劑管道。

• 每分鐘經(jīng)過風(fēng)冷冷凝器的室外空氣流量在 566 立方米以上，以便將熱量從IT環(huán)境內(nèi)排出。

• 它必須固定在室外的屋頂或混凝土基座上。

• 三相風(fēng)冷冷凝器大約消耗 5kW 的電能。

結(jié)論：數(shù)據(jù)中心和IT機房的制冷系統(tǒng)利用制冷循環(huán)移除IT設(shè)備產(chǎn)生的熱量。制冷不足或不可靠會引發(fā)設(shè)備過熱而增加宕機風(fēng)險，從而影響IT可用性。掌握精密制冷系統(tǒng)、組件和配置相關(guān)知識的IT專業(yè)人員可以與制冷專業(yè)人員進行更加有效的溝通，確保選擇和采購最佳的制冷解決方案。

本文標題：數(shù)據(jù)中心機房空調(diào)系統(tǒng)基本原理

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