簡介:IT機房或數據中心在用電的同時會產生熱量，而這些熱量必須從這些空間里排走。數據中心和IT機房排熱是理解關鍵 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，為數據中心或網絡機房的技術規(guī)格和設計提供基本的概念。

IT環(huán)境內熱量的本質

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

圖1 微處理器和服務器的制冷氣流

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，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移至低溫的物體。由此，人們發(fā)明了空調和冰箱。它們利用電能或機械能將熱量從一個位置轉移到另一個位置，甚至可以將熱量從低溫空間逆勢轉移到高溫空間。利用這些裝置，即使室外的溫度高于數據中心內的溫度時，我們也可以將熱量排到室外，這種功能為高功耗計算機設備在密閉空間內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)的設計和運行的基礎。

制冷循環(huán)

熱量從IT機房被轉移到室外環(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、冷凝和流量調節(jié)。圖2所示即為制冷循環(huán)及其應用于 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機房的熱風被風機送到蒸發(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IT機房熱風穿過低溫蒸發(fā)器盤管時，熱風被冷卻，其所形成的冷風被送回IT機房。

壓縮

如圖2所示，攜帶有數據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，壓縮機內流動的氣態(tài)制冷劑經過壓縮后會變熱，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移到另一個介質上，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，而冷卻其內部流過的高溫氣態(tài)制冷劑。熱量從制冷劑轉移到空氣中。空氣一般由風機送到冷凝盤管，也就將熱風送到室外。利用這種方法，IT機房的熱量被排到了室外。

膨脹

冷凝盤管內的制冷劑為高溫高壓液態(tài)物質。然后制冷劑經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整高壓制冷劑在低壓蒸發(fā)器盤管里的流量，保持適當壓差，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據中心熱量所蒸發(fā)（沸騰）。

這樣制冷循環(huán)就可以反復進行，其結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可以不斷將熱量排出數據中心。

制冷劑

所有的空調都含有一定量的，被稱作“制冷劑”的液體。制冷劑是一種用來將 IT環(huán)境內產生的熱量轉移到室外環(huán)境的物質。許多常見的物質都可以被用作制冷劑，包括氨氣、二氧化碳、空氣和水。當前的系統(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)人員應當協同合作，在基于環(huán)保政策和設備預期使用壽命的綜合考量下，確保選擇正確的制冷設備和制冷劑。

制冷環(huán)境在IT制冷系統(tǒng)中的應用

IT機房和數據中心通常使用專門的空調設備進行制冷，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系統(tǒng)不同，它可以近距離的調整氣流的溫度和濕度為IT設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)境之內的制冷設備（室內機）

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

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

• 空調每分鐘釋放出有等量的、溫度和濕度在用戶設定水平的新空氣。

• 三相空調耗電約30kW（這個熱量空調自己會移除，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毫米的管道負責將空調內的水排放到建筑排水管內。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釋放出的空氣添加水蒸氣以調節(jié)出風濕度。

• 空調自身178cm（長）x89cm（深）x193cm（高）（相當于3個IT設備機架式機柜的大?。?，重612公斤。

IT環(huán)境之外的制冷設備（室外機）

IT專業(yè)人員通常非常熟悉位于IT機房或數據中心內的IT機房空氣調節(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)境內產生的熱量轉移到室外。前面講到的IT機房空氣調節(jié)裝置需要配備一臺稱為“風冷冷凝器”的裝置

來將IT環(huán)境產生的熱量轉移到室外。與圖3所示IT機房空氣調節(jié)裝置匹配的風冷冷凝器規(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IT機房空調設備接出的制冷劑管道。

• 每分鐘經過風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)境內排出。

• 它必須固定在室外的屋頂或混凝土基座上。

• 三相風冷冷凝器大約消耗 5kW 的電能。

結論：數據中心和IT機房的制冷系統(tǒng)利用制冷循環(huán)移除IT設備產生的熱量。制冷不足或不可靠會引發(fā)設備過熱而增加宕機風險，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：數據中心機房空調系統(tǒng)基本原理

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