40张图搞定机房空调原理、风冷及水冷系统

机房空调属于精密空调的一种，是为了满足精密设备特殊工艺及特定环境的要求而设计的，其目的是精确控制其温度、湿度等并要求控制在一定范围。

机房空调具有高显热比、要求大风量。为达到所需空气参数，空调系统由制冷循环和空气循环两个循环部分组成，制冷循环主要分为水冷和风冷两类。下面我们就通过系列动图，来了解下机房空调的制冷循环和空气循环。

Pt.1制冷循环原理

制冷循环由压缩过程、冷凝过程、膨胀过程、蒸发过程组成。就是利用有限的制冷剂在封闭的制冷系统中，反复地将制冷剂压缩、冷凝、膨胀、蒸发，不断的在蒸发器处吸热汽化，进行制冷降温，将热量从室内搬运到室外。

所谓水冷和风冷的区别，其实就是与水或者空气进行热量交换的区别。

制冷循环

Pt.2空气循环

2.1 送风方式

末端的送风方式常规分为上送风方式，风管送风方式和地板下送风。

上送风方式

风管送风

地板下送风

2.2 典型布置

为了优化气流和进一步提升冷却，采用约束送风是比较常用的通风并划分冷池的一种方式，冷热通道分离，如下图。

冷热通道分离

除此之外，为了降低气流输配距离，还有行间空调和柜级空调。

传统的房间级空调到微模块的演变

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，可以分为卧式和立式。

卧式顶置空调

立式顶置空调

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。

柜级空调

Pt.3机房风冷系统

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。

风冷制冷原理

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。

风冷机房空调典型结构

3.1 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。

数据中心风冷空调布置

3.2 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。

房间级空调典型气流

 

行间空调+热池封闭

风冷行间空调

3.3 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。

Pt.4机房水冷系统

与传统的商用水冷系统相同，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。

水冷冷冻水空调

4.1 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，部分中型数据中心也会选用螺杆机组。

离心机组工作原理

离心压缩机工作原理

离心机组内冷媒压力变化

离心机组转速区间

螺杆机工作原理

4.2 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。

板换工作原理

4.3 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。

冷冻水房间级架构

冷冻水行间架构

4.4 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，下图为横流开式钢塔。

横流开式冷却塔

横流塔

逆流塔

4.5 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。

循环水泵

4.6 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。

卧式蓄冷罐

蓄冷罐工作原理

4.7 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。

4.8 制冷机组的一些节能方法

水冷制冷机组可以通过变频等方式来调节流量，以实现节能的目的。

固定孔板与可调孔板

冷机变频，根据负荷调整流量

变频有限度，压缩机在流量减小到一定程度会引起振喘

冷机启动方式，变频启动更加节能

满液式蒸发器