数据中心机房空调系统基本原理

简介:IT机房或数据中心在用电的同时会产生热量，而这些热量必须从这些空间里排走。数据中心和IT机房排热是理解关键 IT 环境工作流程最基本也是最起码的要点之一。

本文将从IT的角度介绍精确制冷系统的基本工作原理和主要组件，为数据中心或网络机房的技术规格和设计提供基本的概念。

IT环境内热量的本质

热量是能量的一种。当数据中心内的 IT 设备用电时，便会产生热量。除极少数的情况之外，IT设备用电量的 99%以上被转换成了热量。如果不将这些多余的热量排出，室内温度就会不断升高，并最终导致 IT 设备发生故障。服务器所产生的热量中约有 50%来自于微处理器本身，故而可以使用风机将冷风对准芯片组件直吹进行制冷。含有微处理器的服务器或机架式刀片服务器通常从机箱的正面进风，然后从机箱背面出风，请参见图1。

图1 微处理器和服务器的制冷气流

热量具有一种独特的特性，即它只能从高温向低温朝着这一个方向转移流动。比如，将一个温度较低的物体放到一个温度较高的房间内，这个物体的温度不但不会下降，反而只会升高，因为热量是从高温的房间转移至低温的物体。由此，人们发明了空调和冰箱。它们利用电能或机械能将热量从一个位置转移到另一个位置，甚至可以将热量从低温空间逆势转移到高温空间。利用这些装置，即使室外的温度高于数据中心内的温度时，我们也可以将热量排到室外，这种功能为高功耗计算机设备在密闭空间内正常运行给予了重要保证。了解这种功能的工作原理是理解IT制冷系统的设计和运行的基础。

制冷循环

热量从IT机房被转移到室外环境实际上是通过制冷循环来完成的。这种方式已经被使用了上百年。制冷循环是一种被称为“制冷剂”的液体的闭合循环过程，包括蒸发、压力变换、冷凝和流量调节。图2所示即为制冷循环及其应用于 IT环境中的主要组件。它的具体工作流程和组件下面我们将详细介绍。

图2 通过制冷循环排热

蒸发

蒸发是将热量从IT机房排出的第一步。蒸发器盘管的工作原理类似于逆向工作的汽车散热器。IT机房的热风被风机送到蒸发器盘管，同时向这些由管道组成的盘管供送低温制冷剂。当IT机房热风穿过低温蒸发器盘管时，热风被冷却，其所形成的冷风被送回IT机房。

压缩

如图2所示，携带有数据中心热量的低温气态制冷剂被送入压缩机。压缩机有两个重要作用：

1.它推动携带有热量的制冷剂在制冷回路里流动。

2.它将来自蒸发器盘管的气态制冷剂压缩到 200psi或1379kPa以上。

气体的一个基本属性是在压缩后测量温度会上升。因此，压缩机内流动的气态制冷剂经过压缩后会变热，温度约在52°C(125°F)以上。压缩造成温度上升是制冷回路将热量释放到室外环境的一个关键环节。

冷凝

压缩后的高温制冷剂将 IT 机房的热量从压缩机带到冷凝盘管。就像蒸发器盘管一样，这个盘管的作用也是将热量转移到另一个介质上，比如空气。但是，蒸发器盘管的温度比通过盘管的气流温度低，而冷凝盘管的温度却比空气温度高。也就是说冷凝盘管会加热空气气流，而冷却其内部流过的高温气态制冷剂。热量从制冷剂转移到空气中。空气一般由风机送到冷凝盘管，也就将热风送到室外。利用这种方法，IT机房的热量被排到了室外。

膨胀

冷凝盘管内的制冷剂为高温高压液态物质。然后制冷剂经由管道送到一个被称为“膨胀阀”的装置，这个装置位于蒸发器盘管的入口处。这个阀对于制冷循环有两个重要作用：

1.它可以按照一定额度精确调整高压制冷剂在低压蒸发器盘管里的流量，保持适当压差，确保制冷剂在离开盘管前全部得到充分蒸发。

2.在从膨胀阀离开并重新进入蒸发器盘管后，制冷剂可以重新被数据中心热量所蒸发（沸腾）。

这样制冷循环就可以反复进行，其结果就是热量不断流入蒸发器盘管又不断从冷凝盘管流出。以这种方式工作的空调可以不断将热量排出数据中心。

制冷剂

所有的空调都含有一定量的，被称作“制冷剂”的液体。制冷剂是一种用来将 IT环境内产生的热量转移到室外环境的物质。许多常见的物质都可以被用作制冷剂，包括氨气、二氧化碳、空气和水。当前的系统通常使用不易燃且无毒的氟化烃作为制冷剂。IT专业人员和制冷专业人员应当协同合作，在基于环保政策和设备预期使用寿命的综合考量下，确保选择正确的制冷设备和制冷剂。

制冷环境在IT制冷系统中的应用

IT机房和数据中心通常使用专门的空调设备进行制冷，通常称为“精密制冷系统”。这些系统与普通的家用或商用空调系统不同，它可以近距离的调整气流的温度和湿度为IT设备提供更为精确和稳定的环境。

图3 普通排热和散热组件

IT 环境之内的制冷设备（室内机）

IT机房或数据中心内精密制冷系统的常见配置包括大型落地式IT机房空气调节装置（CRAC）、 IT机房空气处理装置（CRAH）、吊顶式空调以及便携式空调（也称作“热点冷却器”）。所有常见的计算机空调都可以进行制冷，但是还有许多送风量、出风量和连接问题需要IT专业人员小心注意，因为任何一个环节出现失误都可能导致IT设备发生故障。如图3所示，一个落地式IT机房空调系统可以将35~150kW的热量从IT环境内排出。一台设计用于排出50kW热量的空调系统的送风量、出风量和物理特性如下：

• 每分钟226.5立方米以上特定温度和湿度的空气从数据中心进入空调。这个数值比两辆牵引拖车的容量还多。

• 空调每分钟释放出有等量的、温度和湿度在用户设定水平的新空气。

• 三相空调耗电约30kW（这个热量空调自己会移除，不会释放到 IT 环境里）。

• 两根直径约为25毫米的管道分别负责向室外排热装置循环输送和运回制冷剂。

• 一根直径为22.2毫米的管道负责将空调内的水排放到建筑排水管内。这个管道称为“冷凝水管”。

• 一根直径为6.4毫米与建筑饮用水供水管连接的管道向空调释放出的空气添加水蒸气以调节出风湿度。

• 空调自身178cm（长）x89cm（深）x193cm（高）（相当于3个IT设备机架式机柜的大小），重612公斤。

IT环境之外的制冷设备（室外机）

IT专业人员通常非常熟悉位于IT机房或数据中心内的IT机房空气调节装置或空气处理装置。但却不太了解制冷系统的另外一部分—外置排热装置。除了一些吊顶式和便携式空气调节装置外，制冷系统总有一台或多台主要组件被外置到IT环境的外面。这些外置装置的作用是将IT环境内产生的热量转移到室外。前面讲到的IT机房空气调节装置需要配备一台称为“风冷冷凝器”的装置

来将IT环境产生的热量转移到室外。与图3所示IT机房空气调节装置匹配的风冷冷凝器规格如下：

• 机身304cm（长）x 122cm（高）x122cm（宽），重408公斤。

• 连接两根从IT环境室内IT机房空调设备接出的制冷剂管道。

• 每分钟经过风冷冷凝器的室外空气流量在 566 立方米以上，以便将热量从IT环境内排出。

• 它必须固定在室外的屋顶或混凝土基座上。

• 三相风冷冷凝器大约消耗 5kW 的电能。

结论：数据中心和IT机房的制冷系统利用制冷循环移除IT设备产生的热量。制冷不足或不可靠会引发设备过热而增加宕机风险，从而影响IT可用性。掌握精密制冷系统、组件和配置相关知识的IT专业人员可以与制冷专业人员进行更加有效的沟通，确保选择和采购最佳的制冷解决方案。

本文标题：数据中心机房空调系统基本原理

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