数据中心典型水冷制冷系统与优化

常用水冷式冷水系统原理：

在常用工作环境下，数据中心机房冷通道的温度（即 IT 设备的入口温度）推荐值为 18 ? 27 ℃。 GB50174-2017 《数据中心设计规范》附录中也明确规定冷通道或机柜进风区域的温度范围为 18 ? 27 ℃，冷水的供水温度推荐值为 7 ? 21 ℃。

1 ）通过局部增加产品换热面积降低产品的运行能耗，延长自然冷源的利用时间，综合考虑建筑平面与空调系统的耦合性。

2 ）降低空调系统规模，尽量模块化、小型化。

水冷冷冻水系统，架构图如下所示，以冷水机组为中心，上半部分为冷却水循环，下半部分为冷冻水循环，两套系统管路完全隔离。

制冷过程说明：

①机房模块间的空气循环：机房模块间 IT 设备散热后的热空气（约 30 ℃）经过与精密空调低温的冷冻水进行热量交换，变成冷空气（约 22-24 ℃），再经过精密空调的风机输送至机房模块间冷通道的机柜正面。

②冷冻水循环：精密空调内经过与机房热空气热量交换后 18 ℃的高温冷冻水，回流到冷冻水泵，经过水泵加压送到冷水机组蒸发器与制冷剂热量交换，变成 12 ℃的低温冷冻水，再输送到精密空调循环。

③制冷剂循环：冷水机组内的制冷剂 R134a （四氟乙烷，一种环保型制冷剂），在蒸发器内吸收低温冷冻水的热量（冷冻水从 18 ℃降低到 12 ℃），经过压缩机后将热量释放给冷凝器的高温冷却水（冷却水从 32 ℃升高到 38 ℃），经膨胀阀节流进入蒸发器再循环。

④冷却水循环：经过与冷水机组冷凝器内制冷剂热量交换后升温后 38 ℃的高温冷却水，输送至屋面冷却塔，通过与冷却塔区域的室外空气热量交换，降低为 32 ℃的低温冷却水，回流到冷却水泵，经过水泵加压送至冷水机组冷凝器再循环。

⑤屋面冷却塔室外空气循环：屋面冷却塔通过风机将高温的冷却水在塔内与室外空气进行热量交换，使热量传递给室外空气并散入大气中，从而使冷却水温度降低。

水冷变频离心式冷水机组，在制冷系统中发挥着核心作用，工作原理是利用制冷剂吸收低温冷冻水的热量，然后释放给高温的冷却水，从而实现冷却效果。详细过程为制冷剂液体在蒸发器内吸收冷冻水的热量变成低温低压的气体，经过压缩机压缩成高温高压的气体，进入冷凝器后将热量释放给冷却水，变成液体经膨胀阀节流进入蒸发器再循环，从而制取满足机房制冷需要的低温冷冻水。

冷冻水型精密空调是直接为 IT 设备提供恒温恒湿环境的空调设备，其控制逻辑是送风温度关联冷冻水水阀开度，通过控制电动水阀开度调整进入冷冻水盘管的冷冻水流量，精密空调风机将机房回风通过与冷冻水盘管的冷冻水进行热量交换，达到降低送风温度的目的。

开式横流机械通风冷却塔是冷却水蒸发冷却的主要设备。其工作原理是热的冷却水从冷却塔上部进入布水器分流，通过淋水填料汇流到冷却塔集水盘，与此同时室外干燥空气利用风扇动力横向穿越淋水填料并在其中与热的冷却水进行热量交换，带走了冷却水的热量。

蒸发冷却冷水机组制取冷水的原理：若用循环水喷淋填料，理想情况下，开式冷却塔供水温度等于环境湿球温度，闭式冷却塔供水温度高于环境湿球温度，间接预冷式蒸发冷却冷水机组供水温度趋近环境露点温度，一般达到湿球温度和露点温度之间的亚湿球温度。闭式冷却塔内的间接冷却器和间接蒸发冷却器原理类似，换热器外壁面水与空气直接接触发生热湿交换，若该湿通道与外界绝热，则热质交换过程的原理与直接蒸发冷却过程相同，排风温度与循环水温度理论上等于湿通道进口空气的湿球温度；但由于湿通道壁面并不绝热，水蒸发时干通道内的流体通过换热器传向湿通道，湿通道的排风温度与循环水温度理论上不等于湿通道进口空气的湿球温度。

对于高温高湿地区，在极端天气情况下，蒸发式冷气机所处理空气达到的温度高于标准要求，采用蒸发式冷气机制取的冷风送入机房不仅起不到降温效果，还增加了房间的相对湿度，因此需与机房专用空调联动，根据室外环境情况切换来控制室内温湿度。

采用蒸发式冷气机与机房专用空调联用是直接将室外新风等焓降温处理送入室内，可能会面临如下问题：送风相对湿度较大，开启机房专用空调时会出现结露风险、机房专用空调除湿能耗高，因此在极端高温高湿情况需关闭蒸发式冷气机；直流式导致空气洁净度不高，需做好新风过滤；冬季温度过低，导致新风加湿空间小，机房环境相对湿度过低，可配合机房回风改善；室内形成过高的正压会影响蒸发式冷气机的运行效果，因此需设排风装置；对于可能产生的局部热点问题，可连接管道进行岗位送风以解决。

按照不同制冷形式对应的 PUE 范围来看，制冷形式依次从风冷、到水冷、再到间接蒸发制冷，最后到液冷，制冷效率越来越高， PUE 值（电能使用效率）是逐步降低的。

目前对于冷水系统末端精密空调进行如下优化配置：

1 ）增大机组尺寸。整体比常规尺寸约大 30% ? 40% ，可通过降低整体机组自身风阻降低风机功率。

2 ）采用风墙式送风或增加层高来降低送风阻力。通过优化降低空调自身风阻和送风压头，使风机功率与机组制冷量控制在 1 ： 25 左右，风机功率可比常用工况降低约 30% 。

3 ）提高水冷式冷水系统供水温度。将常用工况 14 ? 17 ℃的供水温度提高到 20 ? 21 ℃，延长自然冷源利用时间，提高冷水机组 COP 。

4 ）增加换热盘管的面积。可增大供回水温差Δ t ₂ 。常用冷水系统的Δ t ₂ 为 5 ? 6 ℃，通过优化盘管面积，机房空调的进出水温差增加到 8 ? 10 ℃，可降低冷水泵能耗约 30% 。同时通过增大供回水温差，提高空调系统的回水温度，同时延长过渡季自然冷源的利用时间。

常用的数据中心空调系统原理图。优化数据中心空调系统参数后，可计算出全球四大中心城市自然冷源利用时间，其数据中心空调系统设计优化关键参数如下：

1 ）室内冷通道设计温度为 25 ℃，回风温度为 37 ℃。

2 ）冷水系统冷水供 / 回水温度为 20 ℃ /28 ℃。

3 ）冷却水系统夏季供 / 回水温度为 32 ℃ /40 ℃，冬季供 / 回水温度为 18.5 ℃ /25.5 ℃。

4 ）冷却塔冬季出水温度为 18.5 ℃，逼近度为 6.5 ℃，计算湿球温度为 12 ℃；板式换热器换热温差为 1.5 ℃；冷却塔夏季出水温度为 32 ℃，夏季逼近度为 2 ℃，计算湿球温度为 30 ℃。

提高空调系统冷水供回水温度和增大温差，一方面可以增加冬季完全自然冷却的时长，另一方面可以增加过渡季部分自然冷却的时长。

以上段落摘自：乐海林，基于全球典型城市全年气象参数的数据中心空调系统节能性分析。