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摘要：数据中心建设，一方面要求数据中心高可靠性、高效、安全运营；另一方面，用户会尽可能要求降低数据中心能耗和总成本。据测算，目前数据中心的总能耗约占全社会总能耗的2%，而空调系统能耗接近40%，故对于空调系统的选择尤其重要，如何有效利用自然环境，最大限度提升能源的使用率，降低能耗，在数据中心行业有非常广阔的前景和推广价值。
关键词：数据中心；IT机房；直接膨胀式系统；水冷空调系统；间接蒸发冷却系统；系统设计
0引言
在近期召开的中共中央政治局常务委员会会议上，中央明确提出要加快5G网络、数据中心等新型基础设施建设进度。这是近年来，数据中心首次被国家列入加快建设的条目，数据中心作为“新基建”中的一个亮点，引起了业界的高度关注。随着数据中心数量、规模的极速增涨，能源耗费随之急剧增加。工业和信息化部、国家机关事务管理局、国家能源局2019年初联合印发《关于加强绿色数据中心建设的指导意见》提出：到2022年，数据中心平均能耗基本达到国际先进水平，新建大型、超大型数据中心的电能使用效率值达到1.4以下；同时各地区也出台了本地相关的政策，PUE指标。
随着各地区PUE值要求越来越高，根据数据中心规模、市政条件、当地气候等条件综合考虑选择合适的空调系统显得尤其重要。
1直接膨胀式系统
1.1基本概念
普通直接膨胀式系统的制冷循环由蒸发器、膨胀阀、压缩机和风冷冷凝器组成。由室内风机驱动空气流动，在此过程中室内空气经过空调蒸发器，将热量传递给制冷剂，制冷剂经由制冷系统循环到室外，通过冷凝器将热量散播到室外环境中。空调机组和室外冷凝器通过封闭的制冷循环相连。
直接膨胀式空调机组的制冷剂直接与需要处理的空气完成热交换，中间不通过二级换热，即：制冷剂一空气，出于节能考虑，在系统中加入氟泵，充分利用室外自然冷却，降低压缩机开启时间，系统结构如下图所示。
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1.2系统分类及应用范围
直接膨胀式机房空调系统按照冷却方式分为风冷直膨式机房空调系统和水冷（或乙二醇）直膨式机房空调系统。风冷直膨式机房空调系统由室内机和风冷冷凝器组成，是目前最为广泛应用的机房空调形式，尤其适用于中小型机房中，安装灵活，性能可靠。风冷直膨式机房空调系统在使用时需考虑室内外机的高差、管路长度、室外机散热空间等问题。水冷（或乙二醇）直膨式机房空调系统由冷却塔（或干冷器）和室内机组成，与风冷直膨式机房空调系统相比，冷却塔（或干冷器）替代了风冷冷凝器，室内外用水管管路连接，可有效解决室内外机大落差及负落差的问题，不过增加了冷却系统，提高了系统的维护复杂程度。
1.3系统应用特点
直膨式系统在数据中心机房的应用最为广泛，它具有以下特点。
优点：
直接蒸发制冷循环，系统简单；
每个机组均自带压缩机，可以在每个机房内实现N+1的备份方式；
安装相对简单；
室外机安装分散，不需太多考虑室外机承重问题；
日常维护相对简单，不需考虑水系统。
缺点：
对于大型数据中心，每个机组、压缩机制冷系统均需要一套制冷铜管连接，工程量巨大；
室内机、室外机距离受到限制，当量长度大于60m时效率会有较明显的下降；
室外机由于过于分散，需占用大量的面积；
多台室外机过密安装易造成过热。
2水冷空调系统
2.1基本概念
由冷冻水循环系统、冷却水循环系统及冷水机组三部分组成。冷水机组提供冷水，通过冷水泵及冷水循环系统吸收用户的热量，再通过冷却水泵及冷却水循环系统，将热量传给冷却塔，散热到空气中，系统结构如下图所示。
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2.2系统分类及应用范围
按照空调末端设备的水流程，可分为同程系统和异程系统。末端阻力相同（或相差不大）的回路宜采用水平同程系统，当末端空调设备设计水阻力相差较大，或设备布置较为分散时，可采用异程系统。
按照末端用户侧水流量的特征，可分为定流量系统和变流量系统（一次泵系统、二次泵系统）。规范规定：除设置一台冷水机组的小型工程外，不应采用定流量一级泵系统。
2.3系统应用特点
水冷空调系统目前在大型数据中心机房的应用最为广泛，它具有以下特点。
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，建设实施和运行维护复杂；
可靠性低，存在水浸机房的危险；
存在单点故障，需要采用设备备份、环网或者2N系统来解决可靠性问题。
3间接蒸发冷却系统
3.1基本概念
间接蒸发冷却是指数据中心机房室内送风与室外新风间接接触进行显热量的交换，而在室外新风侧，其需要与直接蒸发冷却填料或者换热器壁面的水膜以及由高压喷头将水流雾化形成的小水滴直接接触，进行充分的热湿交换。利用通过蒸发加湿得到的室外侧空气湿球温度和数据中心内部的回风温度的温差，通过管壁的热传导将服务器的热量传递给室外侧空气的过程，从而达到冷却数据中心的目的。间接蒸发系统由喷淋装置、换热芯体、室内外风机、机械制冷补充装置等组成。
3.2节能优势
数据中心间接蒸发冷却空调釆用风侧间接自然冷却技术，自然冷却时利用空气-空气换热器与室外空气换热，从而使机房送风温度达到要求。
标准工况：数据中心设计规范要求机房送风温度区间为18〜27°C，考虑空调送风温度精度等相关因素，将空调送风温度设定为25°C。
经计算，间接蒸发冷却在室外空气湿球温度小于等于19.4C时，空调可以完全利用室外的自然冷源，给数据中心机房降温。
釆用传统空调，根据板换、冷却塔的换热温差以及离心冷机的最高冷冻水供水温度，当室外湿球温度小于等于12°C时，传统空调可进入自然冷却状态。
在中国东南部地区釆用间接蒸发冷却空调（传统空调），自然冷却时间一般小于6000（4000）小时，而在中国西北地区自然冷却时间能达到8000（6000）小时以上，在部分地区间接蒸发冷却空调甚至全年都处于自然冷却状态。
结语
根据数据中心规模、市政条件、当地气候等条件合理选择空调系统形式无论是对PUE还是初投资、运营成本等都具有重要意义。
参考文献：
［1］罗志刚.数据中心间接蒸发冷却技术白皮书［R］.中数智慧信息技术研究院，2019：21-23.
［2］陈川.数据中心冷源系统技术白皮书［R］.中国工程建设标准化协会信息通信专业委员会，2018：6-13.
［3］GB 50174-2017.数据中心设计规范［S］.