M3-01：制冷原理与方案对比

模块3 / Day 11 难度：★★★☆☆（中等，从零建立制冷知识体系） 学习目标：理解数据中心制冷的底层物理原理，掌握风冷/水冷精密空调的工作差异，熟悉气流组织与自然冷却策略，并能为平谷项目选择合理的制冷方案。 预计学习时间：3~4小时（含诊断题练习）

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一、数据中心为什么需要制冷？

1.1 一个最简单的类比

你有没有用过笔记本电脑放在腿上打游戏？玩了十分钟，大腿被烫得受不了——这就是计算产生的热量。

现在想象一下：把9120台这样的"发热笔记本"塞进一栋楼里，每台的发热功率不是几十瓦而是6000瓦（6kW）。如果不做任何散热处理，这栋楼在几分钟内就会变成一个烤箱，所有设备将因过热而宕机甚至烧毁。

这就是数据中心制冷存在的根本原因：把IT设备产生的热量，持续、稳定、可靠地转移到室外。

1.2 热负荷来源详解

数据中心的热量不只来自IT设备，但IT设备是绝对主力。我们逐一拆解：

1.2.1 IT设备热负荷（占比95%以上）

IT设备是数据中心的"心脏"，也是最大的热源。所有输入IT设备的电能，最终几乎100%转化为热能。

关键认知：电能守恒定律告诉我们——IT设备消耗的每一瓦电力，最终都会变成热量。一个6kW的机柜，就是一个持续输出6kW热量的"暖气片"。平谷项目9120个6kW机柜，总IT热负荷 = 9120 × 6 = 54,720 kW ≈ 54.7MW。这是一个惊人的数字。

1.2.2 照明热负荷（占比<1%）

数据中心机房照明通常采用LED灯具：

• 主机房照明功率密度：约 8~10 W/m²
• LED灯具的发热量约占其功耗的60~70%
• 相对于IT设备，照明热负荷几乎可以忽略

但在精确的制冷方案设计中，照明热负荷仍需计入总负荷。

1.2.3 人员热负荷（占比极小）

人体是一个约75~120W的恒温热源（取决于活动强度）：

数据中心主机房平时几乎无人，偶尔有运维人员进出。因此人员热负荷在计算时通常取一个很小的定额值（如按同时在场3~5人估算）。

1.2.4 围护结构热负荷

围护结构（墙体、屋顶、地板）的传热取决于：

• 室内外温差
• 围护结构的热阻（保温性能）
• 日照辐射（屋顶和外墙）

计算公式：

Q围护 = K × A × ΔT

其中：
K = 围护结构传热系数（W/m²·K），保温越好K越小
A = 围护结构面积（m²）
ΔT = 室内外温差（K）

在数据中心中，围护结构热负荷通常只占总热负荷的1~3%。原因是：

1. 数据中心建筑会做良好的保温设计
2. 相对于IT设备的巨大发热量，围护结构传热微不足道
3. 但在冬季，围护结构反而可能成为"散热通道"（室外比室内冷），有利于降低制冷能耗

1.2.5 热负荷汇总

速记口诀："九五IT一分灯，围护人员凑个整"——IT设备热负荷占95%以上，照明约1%，围护结构和人员凑个整数。

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二、制冷的底层物理原理

2.1 热力学第二定律——制冷的理论基础

在解释空调怎么工作之前，我们需要理解一个关键的物理概念：

热量自发地从高温物体流向低温物体，永远不会反过来。

你把一杯热咖啡放在桌上，它会自然变凉——热量从咖啡（高温）流向周围空气（低温）。但你从来没有见过一杯冷水自动变热而周围空气变冷——这违反热力学第二定律。

那制冷是怎么实现的？ 答案是：消耗外部能量（电能），强制把热量从低温处（机房内）搬运到高温处（室外）。 空调本质上是一个"热量搬运工"，它不产生冷量，而是把不需要的热量搬到别的地方去。

2.2 蒸汽压缩制冷循环——空调的核心

全世界绝大多数空调（包括你家的分体空调和数据中心的精密空调）都基于同一个原理：蒸汽压缩制冷循环（Vapor-Compression Refrigeration Cycle）。

2.2.1 用生活类比理解

想象你刚洗完澡，皮肤上有水，站在一个有风的房间里——你会感觉很冷。为什么？因为皮肤上的水在蒸发，蒸发过程会吸收热量（汽化潜热），所以你觉得冷。

制冷循环就是把这个"蒸发吸热"的过程封闭在一个管路系统里，循环不断地进行。

2.2.2 四大组件详解

蒸汽压缩制冷循环由四个核心组件构成，制冷剂在这四个组件之间循环流动：

                    散热到室外（放热）
                    ↑ ↑ ↑ ↑ ↑ ↑
              ┌──────────────────┐
              │   ② 冷凝器       │    高温高压气体 → 高温高压液体
              │  （Condenser）    │    （放热液化）
              └────────┬─────────┘
                       │ 高温高压液体
                       ▼
              ┌──────────────────┐
              │  ③ 膨胀阀         │    高温高压液体 → 低温低压液体
              │（Expansion Valve）│    （节流降压）
              └────────┬─────────┘
                       │ 低温低压液体
                       ▼
              ┌──────────────────┐
              │   ④ 蒸发器       │    低温低压液体 → 低温低压气体
              │  （Evaporator）   │    （吸热汽化）
              └────────┬─────────┘
                       │ 低温低压气体
                    ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ ↓
                   吸收机房热量
                       │
                       ▼
              ┌──────────────────┐
              │   ① 压缩机       │    低温低压气体 → 高温高压气体
              │  （Compressor）   │    （压缩升温升压）
              └────────┬─────────┘
                       │ 高温高压气体
                       ▼
                    回到冷凝器...（循环往复）

逐步拆解：

① 压缩机（Compressor）——制冷系统的"心脏"

• 作用：把低温低压的制冷剂气体压缩成高温高压的气体
• 类比：自行车打气筒。当你快速按压气筒时，气筒底部会发热——这就是气体被压缩后温度升高
• 为什么需要压缩？ 因为制冷剂从蒸发器出来时温度很低（如5°C），而室外温度可能是35°C。根据热力学第二定律，5°C的气体无法把热量传给35°C的空气。所以必须先把制冷剂压缩升温到比室外更高的温度（如50~60°C），这样热量才能从制冷剂流向室外空气
• 能耗：压缩机是制冷系统中耗电最大的组件，约占制冷系统总能耗的70~80%
• 数据中心常用类型：涡旋式（小型）、螺杆式（中大型）、离心式（大型冷水机组）

② 冷凝器（Condenser）——"散热器"

• 作用：让高温高压的制冷剂气体向外界散热，冷却液化为高温高压液体
• 类比：你呼出热气到冬天的玻璃窗上，热气遇到冷玻璃就凝结成水珠——冷凝器中的制冷剂也是类似的过程
• 两种散热方式：
  • 风冷：用风扇吹室外空气经过冷凝器翅片散热（类似家用空调室外机）
  • 水冷：用冷却水带走冷凝器的热量，再通过冷却塔把热量散发到大气中

③ 膨胀阀（Expansion Valve）——"减压阀"

• 作用：让高温高压液体通过一个很小的节流口，急剧膨胀降压，变成低温低压的液体（或气液混合物）
• 类比：你按住水管口让水变细，松开后水"嘶"地喷出来——气体膨胀会降温。喷雾瓶喷出来的气体是冷的，也是同样的原理（焦耳-汤姆逊效应）
• 关键数字：经过膨胀阀后，制冷剂温度可从约40°C骤降到2~7°C

④ 蒸发器（Evaporator）——"吸热器"

• 作用：低温低压的制冷剂在蒸发器中吸收机房的热量，蒸发为气体
• 类比：把酒精涂在手背上，酒精蒸发时手背感觉冰凉——蒸发吸热
• 在数据中心中：机房的热空气（通常3035°C）经过蒸发器，热量被低温制冷剂吸收，空气被冷却到约1218°C送回机房
• 这就是制冷系统真正"干活"的地方——机房里你感觉到的"冷风"就是从蒸发器出来的

速记口诀："压冷膨蒸，压高冷放，膨低蒸吸"

• 压（缩）→ 冷（凝）→ 膨（胀）→ 蒸（发），四个组件的顺序
• 压缩升高温，冷凝放出热，膨胀降低温，蒸发吸收热

2.3 制冷量与COP

2.3.1 制冷量

制冷量是指制冷系统单位时间内从被冷却空间转移走的热量，单位是kW（千瓦）或RT（冷吨，Refrigeration Ton）。

单位换算：1 RT ≈ 3.517 kW

冷吨的由来：1冷吨 = 在24小时内将1短吨（约907kg）0°C的冰融化所需的制冷能力。这是一个历史遗留的美制单位，在国际工程中仍广泛使用。

2.3.2 COP（能效比）

COP（Coefficient of Performance，性能系数） 是衡量制冷效率的核心指标：

COP = 制冷量 / 压缩机功耗

通俗理解：你花1度电，能搬走多少热量？COP越高，效率越好。

关键数字：水冷的COP约为风冷的1.5~2倍，这是大型数据中心选择水冷方案的核心原因之一。

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三、精密空调：CRAC vs CRAH

3.1 为什么数据中心不用普通空调？

你家的柜式空调能不能用在数据中心？绝对不行，原因包括：

显热比（SHR, Sensible Heat Ratio） 是一个关键概念：

• 显热：只改变温度不改变湿度的热量（我们想去除的）
• 潜热：改变湿度（除湿/加湿）消耗的能量
• 显热比 = 显热 / 总热量
• 数据中心几乎不产生水蒸气，热负荷几乎全是显热，所以需要高显热比的空调
• 家用空调显热比低，大量制冷量被"浪费"在除湿上

3.2 CRAC：机房专用空调（Computer Room Air Conditioner）

CRAC 是自带压缩机的精密空调，内部包含完整的制冷循环系统。

工作原理：

机房热空气 → [CRAC机组内部]
                │
                ├─ 蒸发器（吸热，冷却空气）
                ├─ 压缩机（压缩制冷剂）
                ├─ 冷凝器（散热）← 分为风冷和水冷两种
                └─ 膨胀阀（降压）
                │
冷却后的空气 ← [送回机房]

风冷CRAC：

┌─────────────────────────────────────────┐
│              室  外                       │
│     ┌──────────────────┐                 │
│     │  风冷冷凝器       │ ← 风扇吹风散热   │
│     │ （室外机）        │                 │
│     └────────┬─────────┘                 │
│              │ 制冷剂管路                  │
└──────────────┼──────────────────────────┘
               │
┌──────────────┼──────────────────────────┐
│              │           室  内           │
│     ┌────────┴─────────┐                 │
│     │   CRAC机组        │                 │
│     │ ┌──────────────┐ │                 │
│     │ │ 压缩机       │ │                 │
│     │ │ 膨胀阀       │ │                 │
│     │ │ 蒸发器       │ │  ← 机房热回风    │
│     │ └──────────────┘ │  → 冷风送出      │
│     └──────────────────┘                 │
└─────────────────────────────────────────┘

水冷CRAC：

• 冷凝器侧不是用风扇散热，而是用冷却水回路带走热量
• 冷却水最终通过冷却塔（Cooling Tower）散热到大气
• COP比风冷CRAC更高，因为水的导热能力远强于空气

CRAC的典型参数：

3.3 CRAH：机房专用空气处理机（Computer Room Air Handler）

CRAH 本身不含压缩机，它只有风机和换热盘管（冷冻水盘管）。制冷功能由远端的冷水机组（Chiller） 提供。

工作原理：

机房热空气 → [CRAH机组内部]
                │
                └─ 冷冻水盘管（冷冻水吸热，冷却空气）
                │
冷却后的空气 ← [送回机房]

冷冻水来自哪里？ → 来自冷水机组（Chiller）

冷水机组在哪里？ → 在制冷机房（独立的设备间）

完整的CRAH系统架构：

┌────────────────────────────────────────────────────────┐
│                    完整的冷冻水系统                       │
│                                                        │
│  ┌──────────┐    冷冻水    ┌──────────┐    冷却水      │
│  │  CRAH     │←───────────│  冷水机组  │←──────────┐   │
│  │（机房内）  │  7~12°C    │ (Chiller) │  32~37°C  │   │
│  │          │───────────→│（制冷机房）│──────────→│   │
│  └──────────┘   12~18°C   └──────────┘  26~32°C  │   │
│                                                   │   │
│                              ┌──────────────────┐ │   │
│                              │    冷却塔          │←┘   │
│                              │ (Cooling Tower)   │     │
│                              │  散热到大气        │     │
│                              └──────────────────┘     │
└────────────────────────────────────────────────────────┘

温度示意（典型设计值）：
- 冷冻水供水温度：7°C（从冷水机组出来）
- 冷冻水回水温度：12~14°C（从CRAH回来，吸了机房的热）
- 冷却水供水温度：32°C（从冷却塔出来）
- 冷却水回水温度：37°C（从冷水机组出来，带着冷冻水的热量）

CRAH的典型参数：

3.4 CRAC vs CRAH 全面对比

关键结论：对于平谷项目这种54MW级IT负荷的超大规模数据中心，CRAH + 冷水机组是唯一合理的选择。CRAC方案在这种规模下的能效劣势和管理复杂度都不可接受。

3.5 平谷项目对标：为什么选CRAH + 冷水机组？

决策逻辑链：

平谷总IT负荷 ≈ 54.7MW
         │
         ▼
需要总制冷量 ≈ 60MW+（含余量和辅助热负荷）
         │
         ▼
如果用CRAC：需要600~2000台CRAC → 管理噩梦，能效低
如果用CRAH+Chiller：需要约60~100台CRAH + 10~20台大型冷水机组 → 集中管理，能效高
         │
         ▼
选择CRAH + 离心式冷水机组方案

🔖 诊断问题 3.1

• Q1（记忆层）：CRAC和CRAH的核心区别是什么？哪个自带压缩机？
• Q2（理解层）：为什么CRAH系统的COP比CRAC高？从物理角度解释。
• Q3（应用层）：如果一个数据中心只有50个机柜、总IT负荷300kW，你会推荐CRAC还是CRAH？为什么？

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四、气流组织设计

4.1 为什么气流组织如此重要？

制冷系统产生了冷风，但如果冷风没有高效地送到服务器进风口、热风没有顺利回到空调回风口，那再好的制冷设备也是浪费。

一个形象的类比：你在房间里开了空调，但是把冷风口对着已经凉快的角落吹，而人坐在最热的角落——你感觉空调根本不管用。这就是气流组织不良的数据中心的现实写照。

气流组织的核心目标：让冷风精准地到达服务器进风口，让热风快速地回到空调，不让冷热气流混合。

4.2 送风方式：上送下回 vs 下送上回

4.2.1 下送上回（最常见）

原理：冷风从架空地板下方通过穿孔地板砖向上送出，经过服务器后变成热风上升，从天花板区域被空调回风口吸入。

         ┌────────── 回风天花板 ──────────┐
         │   ↑ 热风 ↑  ↑ 热风 ↑  ↑ 热风   │
         │                                │
         │  ┌──┐  ┌──┐  ┌──┐  ┌──┐       │
         │  │机│  │机│  │机│  │机│       │
  CRAH ←─┤  │柜│  │柜│  │柜│  │柜│       │
  回风口  │  │  │  │  │  │  │  │  │       │
         │  └──┘  └──┘  └──┘  └──┘       │
         │   ↑     ↑     ↑     ↑          │
         │   冷风   冷风   冷风  冷风       │
         ├────────── 架空地板 ──────────────┤
         │   → 冷风通道（架空地板下方） →     │
         │   ← 来自CRAH送风口 ←             │
         └────────────────────────────────┘

优点：

• 利用热空气自然上浮的物理特性（热胀冷缩，热空气密度低自然上升）
• 架空地板下的静压箱可以均匀分配冷风
• 业界最成熟、应用最广泛的方案

缺点：

• 架空地板需要一定高度（通常400~800mm），增加建筑层高
• 地板下布线和管路可能阻碍气流
• 冷风在上升过程中可能被热风"短路"

4.2.2 上送下回

原理：冷风从天花板送出，热风从地板回风口回到空调。

适用场景：

• 不适合架空地板的特殊建筑
• 高密度机柜区域的补充制冷
• 部分列间空调（InRow Cooling）采用这种方式

4.2.3 对比表

4.3 冷热通道封闭

4.3.1 问题的本质：冷热气流混合

在没有任何封闭措施的传统机房中，冷风和热风会在机柜上方和两端自由混合：

传统布局（无封闭）——冷热混合严重

     热风 → ← 热风
     ↑       ↑
  ┌──┐  ┌──┐  ┌──┐  ┌──┐
  │机│  │机│  │机│  │机│
  │柜│  │柜│  │柜│  │柜│
  │前│  │后│  │前│  │后│
  └──┘  └──┘  └──┘  └──┘
     ↑       ↑
  冷风       冷风     ← 从架空地板上来

  问题：机柜后排的热风绕过机柜顶部，
  混入了前排冷通道，导致进风温度升高！

冷热混合的后果：

• 服务器进风温度升高 → 需要送更冷的风 → 制冷能耗增加
• 温度不均匀 → 部分机柜过热、部分机柜过冷
• 制冷效率可能下降20~40%

4.3.2 解决方案：冷通道封闭 vs 热通道封闭

冷通道封闭（Cold Aisle Containment, CAC）：

  ┌──── 封闭顶板 ────┐
  │   冷  通  道       │
  │                   │
  │ ┌──┐        ┌──┐ │
  │ │机│        │机│ │
  │ │柜│        │柜│ │
  │ │前│        │前│ │
  │ └──┘        └──┘ │
  │   ↑    ↑    ↑    │
  │   冷风  冷风  冷风  │
  └──── 架空地板 ────┘

  → 封闭门板阻止热风进入冷通道
  → 冷通道内温度均匀，约18~25°C
  → 热风排到开放的热通道/机房大空间

热通道封闭（Hot Aisle Containment, HAC）：

  ┌──── 封闭顶板（接回风管道）────┐
  │     热  通  道                 │
  │     ↑     ↑      ↑            │
  │  ┌──┐          ┌──┐           │
  │  │机│          │机│           │
  │  │柜│          │柜│           │
  │  │后│          │后│           │
  │  └──┘          └──┘           │
  │     → 热风被封闭收集 →         │
  └──── 直接回到CRAH回风口 ────────┘

  → 机房大空间就是冷通道，温度均匀约18~25°C
  → 热风被"关起来"，通过顶部回风管道送回CRAH

4.3.3 CAC vs HAC 对比

4.3.4 平谷项目为什么选择热通道封闭（HAC）？

核心原因分析：

1. 能效优势：HAC让CRAH的回风温度更高（3545°C vs CAC的2530°C），根据热力学原理，温差越大换热效率越高，CRAH的制冷效率提升10~15%。

2. 自然冷却友好：北京平谷冬季气温可低至-15°C，回风温度越高，能利用自然冷却的时间窗口越长。HAC方案下，当室外温度低于约15°C时就可以启动自然冷却；而CAC方案可能需要室外温度低于10°C才行。

3. 运维体验：机房大空间温度保持在舒适的18~25°C，运维人员不需要穿特殊衣服就能在机房工作。

4. 新建项目优势：平谷是全新建设的项目，可以从设计阶段就规划热通道封闭的结构（封闭顶板、回风管道等），不存在改造困难。

5. 规模效应：9120个机柜的超大规模下，HAC带来的每1%能效提升，对应的年度电费节省可达百万元级别。

速记口诀："热封高效冷封简，新建大型选热封"

• 热通道封闭效率更高，冷通道封闭实施更简单
• 新建的大型数据中心优选热通道封闭

🔖 诊断问题 4.1

• Q1（记忆层）：冷通道封闭和热通道封闭分别封闭的是机柜的哪一面？
• Q2（理解层）：为什么热通道封闭比冷通道封闭更有利于自然冷却？
• Q3（应用层）：如果一个已有的数据中心要改造封闭通道，CAC和HAC哪个施工难度更低？为什么？

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五、自然冷却（Free Cooling）

5.1 什么是自然冷却？

核心概念：当室外温度足够低时，可以利用室外冷空气或冷水直接给数据中心降温，部分或全部关闭压缩机，从而大幅降低制冷能耗。

生活类比：冬天你在家里觉得热，打开窗户让冷风吹进来，不用开空调——这就是最原始的"自然冷却"。

为什么自然冷却如此重要？

关键数字：压缩机能耗约占制冷系统总能耗的70~80%。如果能关闭压缩机，制冷能耗可以下降80~90%。

5.2 三种自然冷却技术

5.2.1 风侧自然冷却（Airside Free Cooling）

原理：直接引入室外冷空气进入机房，排出机房热空气。

室外冷空气 ──→ 过滤 ──→ 机房（冷却服务器） ──→ 排出热空气

优点：最简单，效率最高
缺点：室外空气质量影响大（灰尘、湿度、污染物）
      需要大量新风管道，占空间
      在北京这样的城市，雾霾和沙尘是严重问题

平谷适用性：不太适合。北京地区空气质量不稳定（冬春季雾霾和沙尘），直接引入室外空气会污染IT设备。

5.2.2 水侧自然冷却（Waterside Free Cooling）——干冷器方案

原理：利用室外低温空气通过干冷器（Dry Cooler） 直接冷却冷冻水，不启动冷水机组的压缩机。

正常模式（夏季）：
冷冻水 → CRAH（吸热） → 冷水机组（压缩机制冷） → 冷冻水

自然冷却模式（冬季）：
冷冻水 → CRAH（吸热） → 干冷器（室外冷空气冷却） → 冷冻水
                          ↑
                     不经过压缩机！

过渡模式（春秋）：
干冷器预冷 + 冷水机组补冷

干冷器（Dry Cooler） 的工作原理非常简单：

┌──────────────────────────────┐
│          干冷器               │
│                              │
│   热冷冻水 →  翅片管换热器  → 冷冷冻水  │
│                ↑ ↑ ↑ ↑                 │
│              室外冷空气                  │
│             （风扇驱动）                 │
└──────────────────────────────┘

本质上就是：一个大型的"散热器"，用室外冷风吹过翅片管，
把管内的冷冻水冷却下来。和汽车水箱散热器原理完全一样。

优点：

• 不引入室外空气，避免污染问题
• 与现有冷冻水系统高度兼容
• 平滑切换：机械制冷 → 混合模式 → 完全自然冷却

平谷适用性：★★★★★ 非常适合

5.2.3 间接蒸发冷却（Indirect Evaporative Cooling, IEC）

原理：利用水蒸发吸热的原理，在一个气-气换热器中，室外空气先经过湿帘/喷淋蒸发降温，再通过换热器间接冷却机房回风，两股气流不直接接触。

┌──────────────────────────────────────┐
│       间接蒸发冷却机组（IEC）           │
│                                      │
│  机房热回风 → ─┐                     │
│                │                     │
│              换热器（隔板换热）         │
│                │                     │
│  冷却后空气 ← ─┘                     │
│                                      │
│  室外空气 → 喷淋/湿帘蒸发降温 → 换热器  │
│  （一次侧）   （蒸发吸热降温）         │
│                    → 排出室外         │
└──────────────────────────────────────┘

关键：机房空气和室外空气不直接接触！
只通过换热器交换热量。

优点：

• 不引入室外空气
• 蒸发冷却可以把一次侧空气降到接近湿球温度，冷却效果好
• 即使室外干球温度较高（如30°C），只要湿球温度低，仍可工作

缺点：

• 消耗水资源（蒸发用水）
• 设备体积大
• 在严寒地区冬季有防冻问题

平谷适用性：可作为辅助方案。北京地区干燥季节（秋冬）湿球温度低，蒸发冷却效果好；但夏季高湿时效率下降。

5.3 北京平谷的气候条件与自然冷却

北京气候数据（关键参数）：

自然冷却可用时间估算（水侧自然冷却）：

假设冷冻水供水温度设定为12°C（提高供水温度以增加自然冷却时间），当室外温度低于约7~8°C时可以启动完全自然冷却，当室外温度低于约12~15°C时可以启动部分自然冷却。

关键数字：在北京，全年约40~50%的时间可以使用完全或部分自然冷却，可使年均PUE降低0.1~0.2。这是平谷项目实现PUE≤1.25的关键策略之一。

速记口诀："四成免费冷，北京冬最爽"——北京约四成时间可用自然冷却，冬季是自然冷却的黄金期。

🔖 诊断问题 5.1

• Q1（记忆层）：说出三种自然冷却技术的名称。哪种最适合北京？
• Q2（理解层）：为什么水侧自然冷却比风侧自然冷却更适合北京平谷？（至少两个原因）
• Q3（应用层）：如果平谷项目将冷冻水供水温度从7°C提高到12°C，对自然冷却可用时间有什么影响？对IT设备有什么风险？

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六、关键规范条文

6.1 GB 50174-2017 温湿度要求

A级数据中心主机房环境要求（第5.1条）：

制冷系统相关要求：

6.2 ASHRAE TC 9.9 热量指南

ASHRAE（American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers，美国暖通空调工程师学会）的TC 9.9委员会发布的《Thermal Guidelines for Data Processing Environments》是数据中心温湿度控制的国际权威参考。

环境分级（A1~A4）：

关键解读：

1. 所有级别的推荐温度范围都是18~27°C——这与GB 50174完全一致
2. 允许范围从A1到A4越来越宽——A4设备允许在5~45°C下运行
3. 利用允许范围可以降低PUE——如果IT设备是A2级，允许进风温度到35°C，就可以提高冷冻水温度、增加自然冷却时间
4. 平谷项目的GPU服务器大多属于A1~A2级——推荐范围1827°C，允许范围1535°C

速记口诀："推荐一八二七全一样，允许越宽级别越高"

6.3 与平谷项目的对标

🔖 诊断问题 6.1

• Q1（记忆层）：GB 50174要求A级数据中心开机温度范围是多少？
• Q2（理解层）：ASHRAE A1的推荐范围和允许范围有什么区别？在实际工程中如何利用允许范围？
• Q3（应用层）：如果平谷项目的GPU服务器供应商标称进风温度允许范围是15~35°C，你会把冷冻水供水温度设定为多少？为什么？

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七、平谷项目制冷方案综合对标

7.1 项目核心参数回顾

7.2 6kW/柜 → 风冷还是水冷？

功率密度分级（行业惯例）：

平谷项目6kW/柜处于中密度区间，CRAH + 冷水机组是标准方案。

7.3 完整制冷架构推荐

┌────────────────────────────────────────────────────────┐
│              平谷项目单栋楼制冷系统架构                    │
│                                                        │
│  ┌─── 机房层（主机房）────────────────────────────┐       │
│  │                                              │       │
│  │  ┌──────┐ ┌──────┐ ┌──────┐     ┌──────┐   │       │
│  │  │CRAH-1│ │CRAH-2│ │CRAH-3│ ... │CRAH-N│   │       │
│  │  └──┬───┘ └──┬───┘ └──┬───┘     └──┬───┘   │       │
│  │     │ 冷冻水环路（供回水管）          │        │       │
│  └─────┼────────────────────────────────┼────────┘       │
│        │                                │                │
│  ┌─────┼──── 制冷机房 ─────────────────┼────────┐       │
│  │     ▼                                ▼        │       │
│  │  ┌──────────┐  ┌──────────┐  ┌──────────┐   │       │
│  │  │ 冷水机组-1│  │ 冷水机组-2│  │冷水机组-N+1│  │       │
│  │  │(Chiller) │  │(Chiller) │  │ （备用）   │  │       │
│  │  └────┬─────┘  └────┬─────┘  └────┬─────┘  │       │
│  │       │ 冷却水环路    │              │         │       │
│  └───────┼──────────────┼──────────────┼─────────┘       │
│          ▼              ▼              ▼                  │
│  ┌──── 室外设备区 ──────────────────────────────┐        │
│  │  ┌──────────┐  ┌──────────┐  ┌──────────┐  │        │
│  │  │ 冷却塔-1  │  │ 冷却塔-2  │  │ 干冷器    │  │        │
│  │  │          │  │          │  │（自然冷却）│  │        │
│  │  └──────────┘  └──────────┘  └──────────┘  │        │
│  └──────────────────────────────────────────────┘        │
└────────────────────────────────────────────────────────┘

冷冻水供水温度：7~12°C（视季节调整）
冷冻水回水温度：12~18°C
冷却水供水温度：26~32°C
冷却水回水温度：32~37°C

7.4 为什么平谷项目暂不需要液冷？

6kW/柜是一个关键分界点：

• 6kW/柜属于中密度，传统风冷CRAH方案完全能满足散热需求
• 风冷方案在6kW/柜以下的总拥有成本（TCO）通常低于液冷
• 液冷需要额外的管路基础设施、漏液检测系统、专业运维团队
• 但6kW是基于当前规划——如果未来升级到GPU高密机柜（20~40kW/柜），则必须考虑液冷（这将在M3-02中详细讨论）

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八、速记卡汇总

🃏 卡片1：热负荷构成

IT设备：95%以上（唯一重要的热源）
照明+围护+人员：合计<5%
口诀："九五IT一分灯，围护人员凑个整"

🃏 卡片2：制冷循环四组件

压缩机 → 冷凝器 → 膨胀阀 → 蒸发器
口诀："压冷膨蒸"
功能：压高温 → 放出热 → 降低温 → 吸收热
口诀："压高冷放，膨低蒸吸"
压缩机能耗占制冷总能耗 70~80%

🃏 卡片3：CRAC vs CRAH

CRAC：自带压缩机，COP 3~5，适合<500kW
CRAH：只有盘管+风机，需要外部Chiller，系统COP 5~7，适合>500kW
平谷54.7MW → 必须CRAH
口诀："小CRAC大CRAH，有钱有量上冷水"

🃏 卡片4：通道封闭

冷通道封闭（CAC）：封机柜前面，机房大空间偏热
热通道封闭（HAC）：封机柜背面，机房大空间凉爽
HAC优势：回风温度高→换热效率高→自然冷却时间长→PUE更低
平谷选HAC
口诀："热封高效冷封简，新建大型选热封"

🃏 卡片5：自然冷却

风侧：直接引室外空气→北京不适合（雾霾）
水侧/干冷器：室外冷却冷冻水→平谷首选
间接蒸发：蒸发降温间接换热→可辅助
北京约40~50%时间可自然冷却
口诀："四成免费冷，北京冬最爽"

🃏 卡片6：温湿度规范

GB50174 A级：18~27°C，≤60%RH，露点≤17°C
ASHRAE A1推荐：18~27°C（与GB一致）
ASHRAE A1允许：15~32°C（更宽，利于节能）
口诀："推荐一八二七全一样，允许越宽级别越高"

🃏 卡片7：COP数值速记

风冷CRAC：COP 3~4
水冷CRAC：COP 4~5
CRAH+Chiller系统：COP 5~7
口诀："风三水四系统六"（取中值）
水冷COP约为风冷的1.5~2倍

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九、综合诊断题

第一组：记忆层

D1-1：数据中心热负荷中，IT设备占比约为多少？

D1-2：蒸汽压缩制冷循环的四大组件按顺序是什么？

D1-3：GB 50174要求A级数据中心主机房开机温度范围是多少？

D1-4：COP的定义公式是什么？风冷精密空调的典型COP范围？

D1-5：北京地区全年大约有多少比例的时间可以使用自然冷却？

第二组：理解层

D1-6：为什么制冷循环中需要压缩机？如果去掉压缩机会怎样？（提示：从热力学第二定律角度分析）

D1-7：解释显热比（SHR）的概念。为什么数据中心需要高显热比的空调？

D1-8：热通道封闭方案中，CRAH的回风温度比冷通道封闭更高。这为什么反而有利于制冷效率？

D1-9：为什么提高冷冻水供水温度（如从7°C提高到12°C）能增加自然冷却的可用时间？

第三组：应用层

D1-10：你作为平谷项目的方案设计师，客户问你："为什么不直接打开窗户引外面的冷空气进来制冷，省电又环保？"你如何回答？

D1-11：平谷项目单栋楼IT负荷约9.1MW。假设CRAH单台制冷量150kW，考虑N+1冗余，每栋楼至少需要多少台CRAH？写出计算过程。

D1-12：一位同事建议平谷项目全部采用CRAC（自带压缩机的精密空调）以简化系统。请从能效、管理复杂度、运维三个角度反驳。

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诊断题参考答案

D1-1：约95%以上。IT设备消耗的电能几乎100%转化为热能。

D1-2：压缩机→冷凝器→膨胀阀→蒸发器（口诀：压冷膨蒸）。

D1-3：18~27°C（GB 50174-2017 第5.1.1条）。

D1-4：COP = 制冷量/压缩机功耗。风冷精密空调典型COP为3.0~4.0。

D1-5：约40~50%。

D1-6：根据热力学第二定律，热量自发地从高温流向低温。制冷剂从蒸发器出来时温度很低（如5°C），而室外温度可能很高（如35°C）。如果没有压缩机，制冷剂无法把热量传递给温度更高的室外空气。压缩机的作用是将制冷剂压缩升温到高于室外温度（如50~60°C），使热量能从制冷剂流向室外空气，完成"逆向搬运"。去掉压缩机等于回到自然冷却，只有室外温度低于机房温度时才有效。

D1-7：显热比SHR = 显热/总热量。显热只改变温度，潜热改变湿度。数据中心内几乎没有水蒸气产生，热负荷接近100%是显热。高显热比的精密空调（SHR 0.91.0）能把制冷量几乎全部用于降温；而家用空调SHR只有0.60.7，大量冷量被"浪费"在不必要的除湿上。

D1-8：换热器的换热效率与温差成正比（Q = k × A × ΔT）。HAC方案中回风温度3545°C，与冷冻水温度（712°C）的温差大，换热效率高；CAC方案回风温度只有25~30°C，温差小，换热效率低。此外，更高的回风温度意味着可以用更高的冷冻水温度，有利于提升冷水机组COP和增加自然冷却时间。

D1-9：自然冷却通过干冷器用室外空气冷却冷冻水。要冷却到7°C，需要室外温度远低于7°C（如低于23°C）；而冷却到12°C，只需室外温度低于78°C。供水温度越高，"达标"的室外温度阈值越高，全年满足条件的天数越多，自然冷却可用时间就越长。

D1-10：参考回答："理解您的出发点——利用自然冷风确实是最节能的思路。但在北京直接引入室外空气有三个严重问题：第一，北京冬春季雾霾和沙尘严重，颗粒物会沉积在服务器主板和CPU散热鳍片上，导致散热恶化和短路风险；第二，室外空气温湿度波动剧烈，无法满足GB 50174对温湿度精确控制的要求（1827°C，≤60%RH）；第三，大量新风管道的占地面积和建设成本并不低。我们的方案是采用水侧自然冷却——利用干冷器用室外冷空气间接冷却冷冻水，室外空气不进入机房，既利用了自然冷源又保证了机房环境洁净可控。北京约4050%的时间可以使用自然冷却，节能效果同样显著。"

D1-11：计算过程：

• 单栋IT负荷：9.1MW = 9,100kW
• 制冷总负荷（含安全余量1.1倍）：9,100 × 1.1 ≈ 10,010kW
• 所需CRAH台数（N）：10,010 / 150 ≈ 67台（向上取整）
• N+1冗余：67 + 1 = 68台
• 实际工程中可能按区域分组，每组单独N+1，总数可能略多

D1-12：反驳要点：

• 能效：9.1MW/栋的负荷下，CRAC（COP 34）比CRAH+Chiller（COP 57）能效低40~50%。按每度电0.8元、年8760小时计算，单栋年制冷电费差异可达数百万元。
• 管理复杂度：如果用100kW的CRAC，每栋需要约100台，6栋共600台，每台有独立的压缩机需要维护。而CRAH方案的压缩机集中在十几台冷水机组中，管理点大幅减少。
• 运维：600台分散的压缩机意味着故障点更多，制冷剂泄漏风险更高，运维人力需求更大。集中式冷水机组更便于监控和维护，且更容易实施自然冷却策略。

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本文件学习检查清单：

• 能默写制冷循环四大组件及其功能
• 能说清CRAC和CRAH的核心区别
• 能解释热通道封闭优于冷通道封闭的原因
• 能说出北京地区自然冷却的可用时间比例
• 能为平谷项目6kW/柜方案选型做出决策论证
• 能引用GB 50174和ASHRAE的温湿度要求数值