集中冷源系统主要由制冷设备和管路组成，由于传统的集中冷源式空调系统中可能存在单点故障，而发生单点故障必然会导致空调系统无法制冷；传统建筑可以容忍短暂的抢修时间，但对于发热量特别大的数据中心机房，空调系统即便仅停止工作几分钟，就会造成IT设备的高温和宕机，所以冷冻水系统存在的单点故障隐患对数据中心威胁巨大，必须尽量消除。水管路、阀门、冷水机组、冷冻水型末端均需考虑冗余设计。由于系统扩容相对复杂，设计之初就要考虑好管路设计和接口预留。
集中冷源式空调系统架构还需要根据数据中心的用途和设计X别来进行相应调整，目前主要参考国内（GB50174）和国际（TIA-942）的相应标准进行，具体参见表1。
集中冷源式空调系统架构的常见形式参见图1。
制冷设备
集中冷源系统中的制冷设备种类较多，X重要的几种包括制冷机、水泵、冷却塔、水处理设备、蓄冷设备等。
1、制冷机
数据中心制冷机的选择，应按各类制冷机的特性，结合当地的室外气象条件、水源（包括水量、水温及水质）、电源和热源（包括热源性质、品位高低）等情况，结合数据中心全年供冷的特点，从初投资和运行费用进行综合技术经济比较来选择可靠、高效、节能、合理的制冷机。
（1）适合数据中心的制冷机种类
电驱动的制冷机按压缩机形式分：离心式、螺杆式、活塞式；这三种形式制冷机的能效由高到低的顺序是：离心式机组、螺杆式机组、活塞式机组。各类机组各有其特点，应用其所长。
按冷凝器冷凝方式分：风冷机组和水冷机组。
●风冷机组
风冷机组通过风冷冷凝器与外界空气换热，利用风（空气）换热带走热量，产生冷水。风冷机组的X势：节约水资源，环保；安装在室外，如屋顶，无需建造X机房，不占X建筑面积；省去了冷却水系统：冷却塔、冷却水泵、管网及其水处理设备，节省了这部分初投资和运营费用。
●水冷机组
水冷机组通过水冷冷凝器与冷却塔提供的冷却水换热，利用冷却水带走热量，来产生冷水。水冷机组X势：应用范围广，技术成熟，造价低；夏季制冷能效高，节能；噪音源低于风冷机组。
数据中心风冷机组或水冷机组两种形式均有选用，冬季寒冷地区多选用带自然冷却的风冷机组，长江流域或以南地区多选用水冷机组。根据数据中心有无生活热水需求，还可以选用是否带热回收装置的风冷机组或水冷机组。
数据中心选用离心式或螺杆式两种类型机组，数据中心经常根据自身需要同时配备离心式与螺杆式两种类型的冷水机组。
（2）制冷机选型
数据中心选择制冷机时，要考虑数据中心全年空调冷负荷的分布规律，结合制冷机在满载运行和部分负载运行时的COP值，合理地选择机型、台数和调节方式，提高制冷系统在部分负荷下的运行效率，以降低全年总能耗。
数据中心的冷水机组一般以选用2台以上机组，以满足N+1~2N的冗余方式。冷水机组之间要考虑其互为备用和轮换使用的可能性。冷水机组采用冗余配置，具备不间断供冷，保证系统安全稳定运行。同一站房内可采用不同类型、不同容量的机组搭配的组合式方案，以节约能耗。并联运行的机组中至少应选择一台或几台自动化程度较高，调节性能较好，能保证部分负荷下能高效运行的机组。
选择制冷机时应考虑其对环境的污染，一是噪音和振动，要满足周围环境的要求；二是制冷剂对大气臭氧层的危害程度和产生温室效应的大小，要采用ODP（消耗臭氧潜能值）和GWP（X变暖潜能值）较小的环保制冷剂。
2、水泵
（1）冷冻水泵
流量：（1.05~1.1）倍机组额定流量。
扬程：闭式循环，仅克服系统的阻力损失，考虑10%的富裕量。
数据中心冷冻水泵的循环系统按照从冷机到末端采用一次供水，或是二次供水分为单式泵循环和复式泵循环系统。
●单式泵环路系统
如图2所示，数据中心集中冷源空调系统的单式泵环路系统多采用冷水机组与一次泵一一对应配置方式。一次泵环路系统存在以下3类形式：
——用户侧定流量（用户侧采用三通阀变冷水温差调节），冷水机组侧也为定流量，一次泵为工频泵。
——用户侧变流量（用户侧采用二通阀变冷水流量调节），冷水机组侧为定流量，一次泵为工频泵。为了恒定供回水管的水力工况，保持机组侧冷水流量的稳定，在分水器与集水器之间装设旁通管和压力控制的调节阀。当用户侧流量减少，供回水压差变大，旁通阀开度增大，反之减少。
——用户侧变流量，冷水机组侧也为变流量，一次泵为变频泵；一次泵变流量系统选择可变流量的冷水机组，即蒸发器侧流量随用户侧流量变化而改变，从而X大限度的降低水泵能耗。
系统特点：系统设计简单，初投资少，适用于系统较小或各环路负荷特征或压力损失相差不大的中小型数据中心。
●复式泵环路系统
如图3所示，数据中心集中冷源空调系统的冷水机组与一次泵一一对应配置，二次泵大多采用多台泵并联的方式。
复式泵环路系统的一次回路包含：机组、一次泵、供回水管路、旁路管；二次回路包含：用户侧末端装置、二次泵、供回水管路、旁通管。
复式泵环路系统存在以下两类形式：
——用户侧定流量（用户侧采用三通阀变冷水温差调节），冷水机组侧也为定流量，一次泵和二次泵均为工频泵
——用户侧变流量（用户侧采用二通阀变冷水流量调节），冷水机组侧为定流量，一次泵为工频泵，二次泵为变频泵。
系统特点：节省运行费用，初投资大，自控要求高，占地面积大，适用于规模较大的空调系统或各用户侧阻力相差甚大的场合，适用于大型数据中心。
（2）冷却水泵
●流量：（1.05~1.1）倍机组额定流量。
●扬程：H=H1+H2+P1+P2+P3。
●H：水泵计算扬程（m）。
●H1：允许吸上高度（m）。
●H2：冷却塔喷水压力，一般为5m。
●P1：机组内的阻力损失。
●P2、P3：管路系统的沿程和局部阻力损失。
（3）水泵并联
一台泵单X工作时的流量，大于并联工作时每台泵的流量。两台泵并联工作时，其流量不能比单台泵工作时成倍增加。这在多台泵并联时就更明显。图4为5台同型号水泵并联的工作特性曲线，对比数据参见表2。
由以上的分析不难得出：在总流量一定的情况下，并联的水泵数量越多，流量损失越大，所以建议尽量选择单台大流量的水泵替代多台并联的小流量水泵，这样效率更高，初投资更俭省。
3、水处理
在空调水系统中，由于腐蚀物、微生物、Ca+、Mg+等物质的存在，在运行一段时间后，会在机组蒸发器、冷凝器、末端空调设备的表冷器及管道内壁形成污垢和腐蚀。随着污垢的增大，水流阻力增大，机组效率下降，寿命缩短。因此，必须对数据中心空调的水系统进行处理。
空调水系统的水处理方法可采用化学处理，软化水装置及电子水处理仪等。
另外，水过滤也是必须重视的问题。在空调系统实施完成后，管道中通常会存在许多杂物，如焊渣、生料带、砂石等；安装水过滤器的目的是去除管道中的这些杂物，保证空调系统的正常运行。水过滤器通常设置在水泵、制冷机组、空调器等进水管上。
4、冷却塔系统
（1）数据中心集中冷源空调系统通常采用开式循环冷却水系统，具体参见图5。
开式循环冷却水系统注意事项：
●每台冷却塔应布置在同一水平高度上。
●每台塔的集水盘上都应装平衡管，防止水盘的水位产生高低落差。
●由于空气中的污染物质如尘土、杂物、细菌、可溶性气体等易进入水中，使微生物大量繁殖，形成生物淤泥、藻类等，因此每台塔的出水管上应设置过滤器，X低点应设置排污口。
●冷却塔的集水盘必须有足够的容积，存水量约取循环量的1%~3%。
（2）冷却塔的分类
●按形状分：方形、圆形。
●按通风形式分：逆流式、横流式。
●按处理温差分：普通型△T=5℃、中温型△T=8℃、高温型△T＞8℃。
数据中心多选用普通型横流式方形冷却塔。
（3）冷却塔的选用
●循环水量的计算：
：冷却水量（m3/h）。
：机组所需的冷却水额定循环量（m3/h）。
●冷却水进出口温度：数据中心选普通型冷却塔或由制造厂家进行具体的选型。
●环境湿球温度：参照规范及实际情况，如：市区比郊区高1 ~ 2℃；当湿球温度从28℃提高到29℃，冷却塔冷却能力下降16% ~ 19%，这样选型时应适当加大型号。
●必须满足环境允许噪音标准。
●其他还应考虑冷却塔的漂水率、比电耗、使用寿命、材料等参数。
（4）冷却塔的性能
●进出水温度。
●冷幅：冷却水出水温度与进风湿球温度之差；冷幅越小，塔热工性能越好。
●冷效：进出水温差与冷幅之比；冷效越大，塔热工性能越好。
●噪音：分为普通型、低噪音型、极低噪音型。
●比电耗：塔将1 水处理到要求的温度风机耗电量；X规定：普通型冷却塔在标准状态下（进出水32/37℃、环境湿球温度28℃）的比电耗应小于0.04。
●耗水量：水量的消耗有3部分：蒸发水量（约占循环量的0.97%）、漂水量（占循环量的0.1 ~ 0.2%，带有挡板的小于0.01%）以及为降低电解质的排污量（约占循环量的0.3%）。以上3部分取：1.3% ~ 2%。
●气水比：指单位时间内，冷却塔流通空气的质量和流通冷却水质量的比值；太小，蒸发不好；太大，风机噪音增大。
（5）冷却塔的主要结构
●填料（散热片）：基本热交换媒介，大大增加了水和空气的接触面积。
●集水器：将气流中的水滴隔出，引导气流到适当的流向，减少风机马力，降低冷却塔的总阻力。
●布水系统：布水系统把循环水均匀地分布到填料上。
●百叶窗：将飞溅的水滴阻挡在冷却塔内，及辅助导入空气。
●冷却塔的围护结构。
5、蓄冷系统
空调系统的动力来源均为电力，虽然主要系统、部件都设置了冗余、备份，但还需要考虑为空调系统供电的电力系统发生意外停电故障时，空调系统仍然需要维持正常运行。
在常规电力系统发生故障时，备用的柴油发电机组可以紧急启动提供后备电力，从柴油发电机组启动至稳定供电的过程一般需要3min。冷水机组在正常供冷过程中遇到停电故障时会进入故障保护状态，在电力供应恢复后，离心式冷水机组的压缩机导叶先恢复至正常开机的初始状态，再经过冷水机组控制系统对冷水循环水泵、冷却水循环水泵、冷却塔等相关部件进行巡检，并确认正常运行后，冷水机组才能正常启动，这段恢复冷水机组系统恢复正常供冷过程一般需要1~10min不等。在数据中心的设计中为了能很好地解决这一安全隐患，在空调系统中可通过设置蓄冷设施，储备备用冷量来解决这一问题。配置的蓄冷设施提供的持续供冷时间一般为10~15min。数据中心的蓄冷方式主要有冰蓄冷系统及水蓄冷系统两种：通过制冰方式，以相变潜热储存冷量，并在需要时融冰释放出冷量的系统称为冰蓄冷系统；利用水的显热储存冷量的系统称为水蓄冷系统。
数据中心的空调冷负荷主要为机房内设备的散热负荷，在一天24h中的每个时刻都基本不会变化，属于一个稳定负荷。这部分负荷占整个数据中心空调冷负荷的比例可达到90％以上。根据数据中心这一负荷结构情况的特点，水蓄冷系统更能适合数据中心冷量备份的需求。水蓄冷系统采用闭式蓄冷罐，可与原空调系统“无缝”连接，无需再额外配置蓄冷冷源或对原系统用冷水机组进行调整；水蓄冷系统的冷水温度与原系统的空调冷水温度相近，可考虑直接使用，不需设额外的设备对冷水温度进行调整；水蓄冷系统控制简单，运行安全可靠，在出现紧急状况可及时投入使用。
蓄冷罐的容积可按系统需要的蓄冷量进行计算，同时，考虑到蓄冷罐与整个水系统为串联连接，系统管路也可视为蓄冷罐的一部分，管路中的冷水保有量也可作为一部分的蓄冷水量。
系统需要的蓄冷水量为：
蓄冷水量：V＝Q/（η×ρ×△tz×Cp）。
其中，V为蓄冷水量（m3）；Q为蓄冷量（kcal）；η为蓄冷装置的容积效率，一般取0.96～0.99；ρ为蓄冷水密度，取1000kg /m3；△tz为释冷回水温度与蓄冷进水温度间温度差；Cp为水的定压热容量，1kcal/kg.℃。
管道系统中的保有冷水量为：V1=∏×R2×L。
其中，V1为管道系统保有冷水量（m3）；R为管道半径（m）；L为供水总管道长度（m）；蓄冷罐容积为V2=（V - V1）m3。
水管路系统
在集中冷源系统中连接各个制冷设备的就是水管路，就如同人体的血管一般重要，这个制冷系统是否能够正常工作，它起到了至关重要的作用。在数据中心中，由于考虑到不间断供冷的需要，所以集中冷源系统中的水管路必须考虑冗余设计，而目前比较常用的管路形式有两种：环形管路系统和双管路系统。
1、环形管路系统
在数据中心集中冷源系统中，冷冻水主干管X尾相接构成环路，形成环状管路系统，具体形式参见图6、7。
这种管路形式具有良好的备份功能，当管路局部发生故障时，可经其他连接管路继续向用户供冷，即便系统中某台冷水机组出现故障不能向系统供冷时，其他冷水机组也可以向该系统管网继续供冷，由此看出环状管路系统的可靠性极高。这种管路形式适合较为大型和复杂的集中冷源系统，它可以配置多台冷水机组，且需要根据系统冗余能力增加分段阀门以便于检修和增容。
2、双管路系统
在数据中心集中冷源系统中，冷冻水的供回水主管道和末端空调水管路采用两供两回的2N形式就双路管道形式，具体形式如图8所示。
此种管路形式较环形管路更为简单，设计与施工更加方便，且管路中的阀门数量较少，但可靠性不如环形管路高，从一套管路切换到另外一套管路有时间延迟，不适合较为大型和复杂的系统，比较适合中小型集中冷源系统使用。
自然冷却系统
由于数据中心是耗能大户，而空调系统在整个数据中心的能耗占比X过30%，仅次于IT设备的能耗，所以在数据中心空调系统设计中，对节能的重视程度日益高涨，而自然冷却技术作为X核心的节能技术，根据数据中心地理位置、气候条件、能源供给等方面的不同特点，会有不同的表现形式和架构类型，其中，X为成熟和常见的有以下3种形式：
1、数据中心X带自然冷却风冷冷水机组系统
数据中心X带自然冷却风冷冷水机组，是专门为中大型数据中心机房专门设计制造的高可靠性的集中式冷源。与数据中心配套安装于机房内的冷冻水型机房空调一起组成了数据中心机房X的空调冷冻水系统。
数据中心X带自然冷却风冷冷水机组的主要部件包括了螺杆式压缩机、风冷冷凝器、冷凝风机、膨胀阀、蒸发器，还包含了自然冷却盘管、电动三通阀等。
数据中心X带自然冷却风冷冷水机组的原理：在电脑控制系统管理下，当冷凝器的进风温度低于回水温度2℃时，自然冷却便开始工作，进入部分自然冷却模式，从数据机房出来的回水被送到自然冷却盘管先利用室外低温空气进行冷却，这是预冷却的阶段；再被送到蒸发器冷却，减轻压缩机的工作负荷。自然冷却盘管与压缩机机械制冷同时工作。随着冷凝器的进风温度逐渐降低，自然冷却制冷量逐渐增加，压缩机机械制冷量逐渐减少，当冷凝的进风温度降到设定值时，进入全部自然冷却模式，冷却工作全靠自然冷却盘管完成，压缩机机械制冷停止运行。节能比例可达20%~80%，该系列机组应用于北京地区全年节能量约为39%，应用于沈阳地区全年节能量约为61%，应用于哈尔滨地区全年节能量约为72%。数据中心X带自然冷却风冷冷水机组系列单台机组制冷量从115~1744kW。
数据中心X带自然冷却风冷冷水机组适用于长江流域或以北的大部分地区。室外环境越低，冬季越长的地区，节能量越大。自然冷却风冷冷水机组机械制冷原理图参见图9。自然冷却风冷冷水机组自然冷却原理图参见图10。
数据中心X带自然冷却风冷冷水机组X势：
●带自然冷却风冷冷水机组配置了螺杆式压缩机，具有较高的运行可靠性。能满足数据中心具有全年365天，每天24h连续运行的特点。
●带自然冷却风冷冷水机组综合能效要比单元式直接蒸发式机房空调的能效要高，在同等负荷条件下，更加节能。
●带自然冷却风冷冷水机组系统对应的采用集中式空调水系统形式，故自然冷却风冷冷水机组系统可实施更多的节能技术。
●带自然冷却风冷冷水机组系统适用于新建的中大型数据中心，节能潜力大，值得大力推广。
●带自然冷却风冷冷水机组系统的X势：更适合在北方低温地区数据中心使用，与水冷冷水机组相比系统相对简单，运维管理方便，不存在冬季冷却水冻结等问题。
带自然冷却风冷冷水机组的缺点：夏季等高温季节能效比较低，在南方地区数据中心节能量比较小，使用受到限制。
数据中心X带自然冷却风冷冷水机组具有3种运行模式：
●机械制冷模式：从数据机房出来的回水直接进蒸发器冷却。压缩机与风冷冷凝器均运行在机械制冷模式。
●部分自然冷却模式：当空气温度降到低于回水温度2℃时，回水直接进入自然冷却盘管，在进入蒸发器前先利用室外空气进行冷却，部分自然冷却模式时，回水是靠自然冷却盘管预冷却再靠压缩机机械制冷的蒸发器冷却。
●全部自然冷却模式：当空气温度降到设定值时，冷却工作全靠自然冷却盘管进行，压缩机机械制冷停止工作。
2、数据中心水冷冷水机组+开式冷却塔+板式换热器自然冷却系统
目前，中央空调形式的中大型数据中心X常用的两种空调形式，一种是数据中心X带自然冷却风冷冷水机组系统，另一种就是数据中心水冷冷水机组+开式冷却塔+板式换热器自然冷却系统。水冷冷水机组+开式冷却塔+板式换热器自然冷却系统在长江流域的中大型数据中心比较常见，为数据中心机房、程控交换机房、计算机房等多种高精度要求的高科技设备场所专门设计制造的高可靠性符合工艺要求的X冷源。与水冷冷水机组+开式冷却塔+板式换热器自然冷却设备配套安装于机房内的空调设备冷冻水型机房空调一起组成了数据中心水冷冷水机组+开式冷却塔+板式换热器自然冷却系统。
数据中心水冷冷水机组+开式冷却塔+板式换热器自然冷却系统既包含了螺杆式水冷冷水机组（或离心式水冷冷水机组）、冷冻水循环水泵、冷却水循环水泵、开式冷却塔、板式换热器、电动三通阀门、电动两通阀等主要设备。
如图11所示，数据中心水冷冷水机组+开式冷却塔+板式换热器自然冷却系统的工作原理如下：
（1）当开式冷却塔的出水温度低于冷冻水系统的回水温度3℃时，进入板式换热器自然冷却与冷水机组联合运行工作模式，这时V4与V5电动三通阀的A-C与A-B向均导通，部分冷却塔出水进冷水机组的冷凝器，部分冷却塔出水进入板式换热器；V2电动两通阀全开，V3电动两通阀全关，从数据机房空调设备出来较高温度的回水X入板式换热器初步降温，再进入冷水机组蒸发器进一步降温，达到供水温度后被送入数据机房空调设备。板式换热器自然冷却与冷水机组联合运行时，冷水机组的部分负载工作，冷水机组的一部分负载被自然冷却系统代替。自然冷却系统替代了冷水机组螺杆压缩机的部分负载，从而产生节能量。
（2）环境温度逐渐降温，冷却塔出水温度进一步下降，从数据机房空调设备出来较高温度的回水X入板式换热器初步降温到冷冻水的供水温度时，整个系统进入板式换热器自然冷却X立运行工作模式。这时，冷水机组停止运行，V4与V5电动三通阀的A-C向导通，A-B向关断，所有冷却水均进入板式换热器，V2电动两通阀全关，V3电动两通阀全开，冷冻水不再经过冷水机组的蒸发器。板式换热器自然冷却X立运行时，冷水机组为全部负载被自然冷却系统代替。自然冷却系统替代了冷水机组螺杆压缩机的全部负载，节能量非常显著。
数据中心水冷冷水机组+开式冷却塔+板式换热器自然冷却系统适用于长江流域地区。室外环境越低，冬季越长的地区，节能量越大。
数据中心水冷冷水机组+开式冷却塔+板式换热器自然冷却系统X势：
●与前面介绍的带自然冷却风冷冷水机组系统对比，数据中心水冷冷水机组在机械制冷工况时效率更高，更节能。
●该系统的自然冷却功能，节省不必要的电能消耗，降低运行成本，延长机组使用寿命。
●该系统是适用于新建的数据中心。也适用于旧机房的节能改造，节能潜力大，值得大力推广。
数据中心水冷冷水机组+开式冷却塔+板式换热器自然冷却系统的缺点：投资比较大，在北方地区数据中心，冬季室外环境温度过低，存在冷却塔冻结隐患，该系统比较适合于长江流域地区。
数据中心水冷冷水机组+开式冷却塔+板式换热器自然冷却系统具有两种运行模式：
●自然冷却系统与冷水机组联合工作模式：V4与V5电动三通阀的A-C与A-B向均导通，部分冷却塔出水进冷水机组的冷凝器，部分冷却塔出水进入板式换热器；V2电动两通阀全开，V3电动两通阀全关，从数据机房空调设备出来较高温度的回水X入板式换热器初步降温，再进入冷水机组蒸发器进一步降温，达到供水温度后被送入数据机房空调设备。
●自然冷却系统X立工作模式：冷水机组停止运行，V4与V5电动三通阀的A-C向导通，A-B向关断，所有冷却水均进入板式换热器，V2电动两通阀全关，V3电动两通阀全开，冷冻水不再经过冷水机组的蒸发器。
3、数据中心用地表水自然冷却水冷冷水机组系统
此节能解决方案基于中大型数据中心的环境条件，地表水具有充足的流量情况下。在冬季时段，取临近的低温地表水作为天然冷源，通过板式换热器与冷冻水回水热交换后，达到为冷冻水降温的目的，用以替代水冷离心机组、冷却水泵和冷却塔运行，降低空调运行能耗，减少冷却塔漂水和蒸发造成的自来水损失。以南京至上海的长江流域为例，采用数据中心用地表水自然冷却水冷冷水机组系统全年节能比例可达20%左右，而采用水冷冷水机组+开式冷却塔+板式换热器的节能比例仅有11%。
应用地表水自然冷却系统的节能X势，主要体现在两方面：
（1）使用临近水源：地表水自然冷却系统充分利用了自然环境的能源，大大减少了冬季冷水机组和相关辅助设备的运行，延长了冷水机组和相关辅助设备的寿命。不但降低整个系统的运行能耗，还减少了二氧化碳、二氧化硫和氮氧化物的排放。在为企业创造经济效益的同时，也为X创造环境效益。
（2）运行稳定且节能：地表水自然冷却系统与开式冷却塔+板式换热器的自然冷却系统对比，冬季地表水温度低，由于水的比热大，水温稳定波动小，地表水直接与空调系统的冷冻水通过板式换热器换热，故地表水自然冷却系统运行时间长而且节能量大。
如图12所示，数据中心用地表水自然冷却水冷冷水机组系统有两种运行模式：
（1）单X运行：地表水自然冷却系统单X运行时，回水进入板式换热器，经过与地表水热交换后降温至设定值，替代水冷离心机组运行，节省了水冷离心机组、冷却水泵、冷却塔等设备的运行能耗。
（2）联合运行：地表水自然冷却系统与水冷离心机组联合运行时，回水先经过地表水自然冷却系统，初步降温后再经过水冷离心机组进一步降温至设定值，节省了水冷离心机组、冷却水泵、冷却塔等设备的运行能耗。
数据中心用地表水自然冷却水冷冷水机组系统适用于长江流域或以长江以南的地区，而且附近临水（河水、湖水等，只要水量足够的地表水均可）的数据中心。
