机房空调系统中主要分为风冷直接蒸发式空调系统、水冷直接蒸发式空调系统、冷冻水空调系统、双冷源空调系统等空调系统。
以数据中心机房空调系统作为集中冷源的冷冻水系统，该系统与各自独立的直接蒸发式空调系统相比，制冷效率更高，设备更集中更少，运行更稳定，故障率和维护成本更低，国外众多大型数据中心普遍使用冷冻水空调系统。
它通过冷冻水循环管路的精心设计以及控制逻辑的优化，实现与机房内部空调气流组织的完美匹配，并且可以根据室内热负荷以及室外环境的变化，对冷冻水流量进行灵活的调节，将自然冷却的效益发挥到最大，始终使机组保持高效运行。此套数据中心空调解决方案根据安装地区气候条件的不同，可以实现20%～50%的节能，使得运行费用大幅缩减，而为此增加的空调设备初投资，最多两年的时间就可以收回，而整个机组的使用寿命至少有10年。
冷冻水机房空调系统包括不含冷源的冷冻水型机组加冷水主机，主要分为普通冷水主机和自然冷却冷水主机。普通冷水主机一般安装在建筑物的屋顶外部，它们专为室外安装设计，不需要增加任何针对恶劣天气的保护措施。
冷水机组按照不同冷凝方式可分为风冷和水冷两种，以风冷冷水主机为例，其工作原理是：携带室内热量的高温回水流入机组，进入壳管式蒸发器，被制冷剂盘管冷却，热量传递给制冷剂，由后者带到风冷冷凝器中，由风机驱动环境空气对其进行强制散热。按经验来说，一套空调设备的平均制冷量为设计值的85%，剩下部分作为冷量备份。
自然冷却冷水主机的工作原理：当室外温度较低时，就可以利用冷空气冷却高温回水，不需要开启压缩机即可为空调室内机提供冷量，这种方法即为自然冷却方法。利用自然冷却效应开发的冷水主机即为自然冷却冷水主机，它与普通冷水主机最大的区别在于它在冷凝盘管之前安装了自然冷却热交换盘管，旨在最先利用环境冷空气冷却盘管内的回水;另一个区别在于内部水循环系统的设计上，自然冷却循环利用三通调节阀将循环水路与自然冷却热交换盘管连接起来。
自然冷却冷水主机的工作原理并不复杂：当三通调节阀中旁通B完全关闭，A与C连通时，即自然冷却热交换盘管关闭，全部冷量由压缩机制冷提供;当室外温度低于回水温度时，A关闭，B与C连通，回水通过自然冷却热交换盘管预冷，然后再进入蒸发器，这样一来，压缩机只需部分工作就可以满足空调冷量的要求，从而节省了大部分能耗。
而当室外温度足够低时，A关闭，B与C连通，通过自然冷却就可以完全满足空调冷量要求，压缩机停机，这时机组总能耗明显降低，只包含自然冷却系统的能耗，总之，室外温度越低，节能效果越明显。如果采用自然冷却冷水机组比普通冷水机组每年大约节能20～50%，具体效果如何会因安装地区的气候条件而不同。
风冷直接蒸发式机组，适用于水源缺乏的地区和无冷却水系统的场所，可外挂或外置室外机(楼层不高，允许破坏建筑外观)，系统简单，无须考虑配备水泵和冷却塔，也无需集中冷冻水系统为之服务。缺点为室内外机之前的管长受限，在室内外机之前接管超过60米时，需要根据实际情况采取解决方案。
水冷直接蒸发式机组，适用于有集中冷却水系统的场所，机组能效比风冷式机组高，机组安装不受室外场地限制。
双冷源机组具有直接蒸发式和冷冻水机组的双重优点外，同时还具有冷源相互备份的特点，当使用用户冷冻水资源时，只有冷冻水盘管换热，压缩机停止运行，有利于节能，当用户停止中央空调冷冻水系统时，机组启动压缩机进行制冷。
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