本章具体介绍了数据中心制冷系统的种类及原理,和各自的优缺点。

  • 空调的种类

舒适空调具有较低的显热负荷能力。上图是一般常见舒适空调,这种空调主要部署在人类活动且人类产生潜热的地方。

一般具有简单的恒温器和温度控制,没有湿度控制,一般也缺乏加湿和去湿的控制能力,目前有些家用空调能够去湿。由于以上原因,这种空调主要部署在办公室和家庭中,在全年24小时应用的情况下其寿命一般不超过3年。过滤器部分通常更多地保护空调器本身的内部,而不是保护其目标区域免受灰尘影响,因此它们缺乏适合的过滤能力,除非安装了额外的传感器,否则这些装置通常缺少远程控制和监控接口。

精密空调具有高显热负荷能力,非常适合计算机房产生的热量类型。

精密空调具有良好的温度控制和加湿能力,并提供精确和稳定的冷却能力,配有适当的过滤器,不仅可以保护空调设备本身,还可以为计算机房提供足够的过滤。精密空调设计和制造适用于连续运行,与舒适空调相比,是在计算机房环境中部署的非常好的选择,它们通常具有非常好的监控接口功能,便于远程监控各种参数。

 

第二节 制冷原理

空调的基本原理很简单,通常由两部分组成:

蒸发器Evaporator:某种形式的冷酶液体流过格栅,在格栅的一侧暖空气进入,通过格栅冷酶将带走热量,因此格栅的另一面会很凉爽。

冷凝器Condenser:能量不能只是出现或消失,它总是需要转换,所以热量通过蒸发器排出,一定随着另一种介质到了某个地方,这就是通过冷凝器完成的。这个单元把将热量提取来,让另一种介质(通常是空气)带走。

空调整体的工作原理示意图

制冷原理:

空调压缩机是在空调制冷剂回路中起压缩驱动制冷剂的作用,一般装在室外机中。空调压缩机把制冷剂从低压区抽取来经压缩后送到高压区冷却凝结,通过散热片散发出热量到空气中。空调压缩机不断工作,就不断地把低压区一端的热量吸收到制冷剂中再送到高压区散发到空气中,起到调节气温的作用。

空调制冷剂Coolant:制冷剂是制冷循环的工作介质,俗称冷媒,利用制冷剂的相变来传递热量,既制冷剂在蒸发器中汽化时吸热,在冷凝器中凝结时放热。 当前能用作制冷剂的物质有80多种,最常用的是氨、氟里昂类、水和少数碳氢化合物等。在IT环境中最常用的制冷剂是R-22。因为臭氧消耗的环境问题,有些国家要求使用替代制冷剂,如R-134a。有的是混合制冷剂,由两种制冷剂组成。

制冷剂的一些特性:

  • 环境友好,不破坏臭氧层。
  • 毒性低。
  • 不可燃,空气中的可燃极性低。
  • 化学和热稳定性高。

第三节 常用制冷系统

机房空调(CRAC)按照是否自带冷源方式可以分为直接膨胀式(DX)和通冷型(CW)

  • 直接膨胀式(DX):DX机组自身具有制冷系统,任何使用制冷剂和蒸发器盘管的系统都可以称为DX系统。其中DX机组按冷凝器冷却单元不同又分为:风冷机组、水冷机组、乙二醇机组。
  • 通冷型(Chilled Water):CW机组自身不带制冷系统,需要利用冷水机组提供低温冷源。

风冷式机房空调广泛应用于各种规模的IT环境中,成为中小型机房的主要制冷产品。 这种类型的系统经常作为DX系统或分离系统,在空气冷却系统中,制冷循环的一半组件位于空气冷却系统中的计算机房空调(也称为CRAC单元),其余在室外空气冷却冷凝器。DX系统(直接膨胀系统)直接使用制冷剂作为冷却介质。蒸发器内的制冷剂直接从用于目标空间的空气中吸收热量。

优点:总体成本低廉,容易维护。

缺点:必须在现场安装制冷剂管道,只有正确设计的管道系统,仔细考虑IT环境和室外环境之间的距离和高度变化,才能提供可靠的性能。根据技术规范,数据中心内的CRAC与建筑物外部的冷凝器之间的距离应保持在限制的范围内。多个计算机房空调不能连接到单个风冷冷凝器,每个CRAC必须有自己的冷凝器。

部署场合:通常用于配线柜室,计算机房和中小型数据中心,具有中等可用性要求的地方。

空气冷却独立直接膨胀系统

独立系统将制冷循环的所有部件封装在一个外壳中,热量随着热气流(约49°C)从独立系统中排出,这股热空气必须从IT室传送到室外,以确保计算机设备的正常冷却,建筑的空调系统必须有足够的能力来处理这种额外的热负荷,吸入的空气(经过冷凝器铜管成为热废气)也应从机房外部供应。独立室内系统通常容量有限,需要额外的空间来容纳所有的制冷循环部件和管理废气所需的大型空气管道。

优点:室内独立系统的安装成本最低,所有制冷循环组件都包含在一个单元内,并经过工厂密封和测试,系统实现最高可靠性。

缺点:冷却能力低,不具有非常好的调节能力,并且不属于精密空调,具有温度和湿度控制波动的问题,因而一般分类为舒适空调。

部署场合:配线间、实验室环境和中等可用性要求的计算机房,有时用会用于修复数据中心的过热点。

流体冷却-乙二醇

这种类型的系统将所有制冷循环组件封装在一个外壳里(如独立系统),但是用一个体积小得多的热交换器取代了庞大的冷凝盘管。热量交换器使用流动的乙二醇从制冷剂中收集热量并将其从IT环境中运走。冷却器使用风扇使得室外空气通过温暖的乙二醇填充的盘管,热量因此被带走并排除在外部大气中。该方法是两阶段过程,使用空气和水的组合来排出热量。

优点:整个制冷循环包含在计算机房空调装置内,和具有相同的占地面积要求的分体式风冷系统相比,原工厂的密封和测试使其具有最高的可靠性。乙二醇管道可以比制冷剂管道(风冷系统)运行更长的距离。在寒冷的地方,冷却液中的乙二醇可以冷却到10°C以下的温度,可以绕过CRAC装置中的热交换器并直接流到专门安装的节能器盘管(节能器代替了蒸发器)。因而,可以关闭制冷循环并使空气通过节能器盘管,节能器盘管里充满冷却的乙二醇,来冷却IT环境。 这个过程被称为自然冷却,使得机房运营成本降低。

缺点:与风冷DX系统相比,额外需要的组件增加了资金和安装成本,需要维护系统内乙二醇的容量和质量。       

部署场合:计算机房和具有中等可用性要求的中小型数据中心。

水冷

水冷系统与乙二醇冷却系统类似,所有制冷循环组件都位于机房内的空调内。水冷系统使用水回路(冷凝水)代替乙二醇来收集和传输热量,通过冷却塔将热量排放到外部大气中,冷却塔将来自IT环境的温热的冷凝器水喷洒到冷却塔顶部的海绵状材料上,水扩散开来,当它滴落并流到冷却塔的底部时,它们中的一些会蒸发掉,通过海绵状填充材料底部吸入空气,从海绵状材料抽出湿热空气,连同IT室内的热量排放到室外环境中。冷凝水回路和冷却塔通常不是仅为水冷机房空调系统的使用而安装,它们通常是较大系统的一部分,也常用于舒适空调等。

  优点:所有制冷循环组件都包含在计算机房空调装置内,原工厂密封和测试使其具有最高的可靠性。冷凝器水管道可以很容易地长距离运行,一个冷却塔能为许多计算机房空调机组和其他设备提供服务。在租赁的IT环境中,建筑物冷凝水的使用通常比冷冻水便宜。

缺点:冷却塔、泵和管道系统的初始成本较高。由于频繁的清洁和水处理要求,维护成本非常高。          

部署场合:适用于中高可用性要求的小型、中型和大型数据中心,并且可与其他建筑系统联合使用。

冷冻水Chilled water

在冷冻水系统中,制冷循环的部件从计算机房空调系统重新定位到称为冷水机的装置中。冷却器的功能是产生冷冻水(冷冻至约8℃的水)。冷冻水从冷却器泵送到位于IT环境中的计算机室空气处理器(CRAH单元),CRAH通过从IT机房中抽出温暖的空气,流过充满循环冷冻水的冷水盘管来冷却空气(除去热量)。

 

冷冻水

在冷却器处,从返回的冷冻水中移除的热量通常被排放到冷凝器水回路以便运输到外部大气。冷冻水系统通常是共用的,被许多计算机房空气处理器共用,通常用于冷却整个建筑物。

优点:与具有相同占地面积的计算机房空调相比,计算机房空气处理器通常成本更低,部件更少,并且具有更大的除热能力。冷水管道回路可以很容易地长距离运行,并且可以从一个冷却装置工厂为许多IT环境(或整个建筑物)提供服务。

缺点:对于低于100kW的IT负载的部署,冷冻水系统通常具有最高的资本成本。CRAH通常会从数据中心空气中去除比CRAC更多的水分,在许多气候条件下需要更多资金来加湿房间。

自由冷却

自由冷却是通过使用自然冷却的空气或水代替机械制冷来降低建筑物或数据中心的空气温度的方法。在某些季节或者一天中的某些时间,在许多纬度和海拔高度的环境,特别是在干燥,凉爽的气候条件下,室外空气可以比数据中心设备所需要的空气更冷。通过将寒冷的室外空气直接过滤和加湿,或加热等处理送到数据中心,可以在大多数工作时间内减少或消除机械冷却的使用。

本章内容部分参考《The Different Technologies for Cooling Data Centers》White Paper 59, by Tony Evans。

 

 

发表评论

电子邮件地址不会被公开。 必填项已用*标注

Fill out this field
Fill out this field
请输入正确的电子邮件地址。

菜单