【科·堂】数据中心各种冷却技术的应用(一)
2020-04-01
数据中心有多种冷却方式，这里对这些方式进行罗列，通过动图方式进行简单介绍：
01
风冷机房空调
这是最传统的冷却方法，空调由内机和外机通过氟管路连接而成，内机由压缩机、膨胀阀和蒸发器等组成，可以实现制冷和气流输送等功能，外机则用来散热，如图1。常规采用定速涡旋压缩机制冷，少量采用数码涡旋或者变频涡旋压缩机；风冷室外机安装在室外或楼顶，内外机距离有限制：常规不高于室内机20米，不低于室内机5米，室内外管路长度推荐小于60米，超出需要延长组件和措施。
图1 风冷机房空调典型结构
1.2 送风方式：常规分为上送风方式（图2），风管送风方式（图3）和地板下送风（图4）：
图2
图3
图4
1.3 典型布置：为了优化气流和进一步提升冷却，采用下送约束是比较通风并进行冷池用的一种方式，如图5。
图5 房间级空调典型气流
1.4 适合场景：风冷空调相互间独立，无单点故障，特别适合中小型数据中心，当输送气流距离较短时，可以单侧布置，当输送距离较远时，采用双侧布置，如图6。
图6 数据中心风冷空调布置
1.5 内机方式：除房间级空调外，还有风冷行间空调和柜级空调，这种方式，可以降低气流的输配距离，减少风机耗电，行间空调配合冷热池封闭可以取得较好的冷却效果，图7，如果不封闭如图8。
图7 行间空调+热池封闭
图8 风冷行间空调
为了进一步降低气流输配距离，部分数据机房也会采用柜级冷却方式，如热管背板，图9
图9 柜级空调
1.6 风冷机房空调优缺点
优点：系统简单、完全独立，投资低，分期建设方便，无单点故障，可靠性高。缺点：外机数量多；涡旋压缩能效低于离心机；外机风冷散热，大规模布置不宜，夏天容易高压；整体能效不高。适合：中小型数据中心。
02
集中水冷冷冻水型空调
水冷冷冻水系统包含两个水系统，冷却水系统和冷冻水系统，系统主要由水冷冷水机组、冷冻水泵、冷却塔、冷却水泵、水处理设备、定压补水系统、冷冻水空调末端及管路阀门等组成，如图10
图10 水冷冷冻水空调
2.1 压缩机，水冷冷冻水系统一般采用大型冷冻机组，冷量较大的选用离心机组以获得较好的能效比，图11，部分中型数据中心也会选用螺杆机组，图12。
图11 离心机组工作原理
图12 螺杆机工作原理
2.2板换：为了进一步提升能效，降低能耗，也会选配板换系统，图13，当环境温度较低时，开启板换自然换热。
图13 板换工作原理
2.3 末端方式：冷冻水空调末端也分为房间级（图14）、行间级（图15）和柜级空调。
图14 冷冻水房间级架构
图15 冷冻水行间架构
部分数据中心也会采用顶置空调，采用热通道封闭方法，进一步缩短气流循环距离，安装顶置空调的放置方式，可以分为卧式（图16）和立式（图17）。
图16 顶置空调
图17 顶置柜级空调
2.4 冷却塔：冷却塔有开塔、闭塔，有横流和逆流之分，数据中心冷却塔一般选用钢塔，图18 为横流开式钢塔。
图18 冷却塔
2.5 循环水泵：水泵是一种把机械能转换为液体能量、让水在水系统中循环起来的装置，冷冻水和冷却水的循环都是通过水泵来进行的，常见循环水泵有端吸泵和双吸泵，如图19。
图19 循环水泵
2.6 蓄冷罐：考虑市电中断后，冷冻机组从开机到正常运作需要一定的时间，故必须进行一定数量的冷冻水量储备，如建立蓄冷罐或者蓄冷池，确保机房设备安全运行。蓄冷罐有开式和闭式之分，闭罐又分为立式和卧式，如图20。
图20 卧式蓄冷罐
2.7系统特点：
优点：采用冷却塔散热，占地面积小且散热效果好；离心压缩能效高；冬季情况下使用板换可以实现免费供冷。
缺点：系统构成复杂，投资大，有冷却和冷冻两个水系统，建设实施和运行维护复杂；水系统可靠性低，存在水浸机房可能；存在单点故障，需采用设备备份、环网或者双系统来解决可靠性问题。
常见布置：冷机能效高，终期负荷配备板换自然冷却可以取得较好的能效，是目前大型数据机房中心普遍采用的方案。