随着IT行业的快速发展，数据中心的数量及其能耗迅猛增长。数据中心的冷却设备能耗约占其总能耗的40％，采用节能冷却方法降低冷却能耗已成为迫切需求。自然冷却技术是理想的解决方案之一。自然冷却按基本原理可分为空气侧、水侧和热管自然冷却。热管自然冷却装置具有良好的传热性能且不会引入室外污染物，是最有潜力的自然冷却方法。蒸气压缩/回路热管一体式机房空调系统解决了单一热管自然冷却装置在炎热季节无法工作的问题，但目前的一体式空调存在工质分布和流动控制问题，应用受到限制。　　本文在针对现有的蒸气压缩/回路热管一体式机房空调系统存在的工质分布和流动控制问题，提出了基于三介质换热器的一体式空调系统原理，实现了热管自然冷却和蒸气压缩制冷的单独或同时工作以及良好融合。以此为基础进行样机设计，并通过实验对系统的运行特性进行研究。确定了系统最佳充液量和风量，研究了不同室外温度下系统制冷量和EER的变化规律，并确定了工作模式切换的合理温度范围。　　为研究作为系统核心部件的三介质换热器特性，采用分布参数法建立了翅片管式三介质换热器的仿真模型，并进行了实验验证。通过仿真分析了三介质换热器在不同流路布置与管径下的性能，研究了不同进口工况下三种流体介质传热量的变化规律，以及为保证蒸气压缩回路工质出口过热以避免压缩机液击的适用工况范围。　　为深入分析系统特性与内部工质状态的联系，结合翅片管式三介质换热器模型，建立了蒸气压缩/回路热管一体式空调系统模型，并进行了实验验证。仿真研究了热管模式的充液率、室内外风量、连接管长与管径、单排扁管数等参数对制冷量和内部流动状态的影响。分析了制冷模式下热管回路和蒸气压缩回路通过三介质换热器的相互影响规律。对比了双启模式与制冷模式的性能，发现双启模式具有适用的温度和风量范围。指出这一温度和风量范围的形成是由于温度和风量的变化会改变热管回路工质温度和室外温度的高低关系。　　为建立适用于一体式空调系统的性能评价方法，将火积理论引入这一系统，分析了火积评价标准在翅片管式三介质换热器与一体式空调系统的适用性。研究表明火积热阻能够综合考虑翅片管式三介质换热器的传热和压降性能，便于不同结构的对比且将二者集中为统一的性能评价参数，适合作为翅片管式三介质换热器的评价标准。研究表明火积增速率、火积增系数最低值始终对应系统制冷量的最高值，与熵产作为标准相比能够更好地反映一体式空调系统的制冷能力。　　结合典型数据中心的结构数据和我国各气候区的天气数据，对系统的节能前景进行了仿真分析。讨论了一体式空调在我国不同气候区域应用的自然冷却时间与节能潜力。提出适当提升室内设定温度不会超出安全温度范围且可以显著提升节能效果。制定了系统控制策略并完成了机械与控制器的集成。系统的现场测试结果表明，在夏季、秋季和冬季的平均EER分别为3.53、5.19和13.90，远高于传统机房空调。