液冷技术可显著降低 PUE，冷板式占比 90%
思瀚产业研究院    2024-05-30

液冷技术类型根据冷却液和发热设备接触换热方式的不同，可划分为冷板式液冷、浸没式液冷和喷淋式液冷。

1）冷板式液冷通过把冷板与发热器件紧密固定，将发热器件的热量传导给冷板中的冷却液，并将冷却液中的热量运输至后端冷却。液冷数据中心应用场景中，冷板式液冷对于服务器芯片组件及附属部件改动较小，主要途径为加装液冷模块，采用集中式或分布式 CDU供液 Manifold 分液，对芯片、内存等部件进行精准制冷。

根据冷板的不同，非接触式液冷可分为局部冷板和全覆盖冷板。局部冷板仅支持核心部件散热，具有与传统机房兼容性好的特点，但需要风冷解决其他部件散热问题;全覆盖冷板覆盖所有部件，但由于部分部件可插拔、形态非标，存在技术难题，可进行一体化设计，所有元器件附着于主板，从而实现全覆盖冷板散热。

2）浸没式液冷是服务器完全浸入冷却液中，全部发热元件热量直接传递给冷却液,通过冷却液循环流动或蒸发冷凝相变进行散热的一种方式。其中，冷却液循环流动的方式为单相浸没式液冷，冷却液蒸发冷凝相变的方式为相变浸没式液冷，相变浸没式液冷控制更复杂、要求更高。

3）喷淋式液冷和发热器件直接接触，依靠泵压或重力驱动，向发热设备自上而下精准喷淋，吸收并带走热量，排走的热流体与外部环境冷源进行热交换，冷却液无相变。喷淋式液冷的冷却液需具备绝缘导热、抗氧化性等特点，不发生相变，但在喷淋过程中存在液体飘逸和挥发问题，应用成本较高，且不适合高密度服务器和超大规模数据中心。

风冷采用气体作为导热媒介，其导热能力远远弱于液体，降低 ICT 设备能耗的能力弱于液冷。另外由于侧重于对机房整体环境温度管理，为了保证不出现局部过热，风冷通常需要提供冗余制冷，导致风冷能耗较大。

根据英特尔绿色数据中心项目负责人介绍，新建数据中心可以通过选择使用一系列先进的软硬件技术，或选址在高纬度地区，通过新风进行散热，风冷也可以使 PUE 值达到 1.3。但要进一步降低 PUE，或是数据中心选址在南方等年平均气温较高的地方，液冷就可能从可选项变成必选项。

液冷技术的高效制冷效果有效提升了服务器的使用效率和稳定性、延长服务器寿命，同时占地面积小、系统布置改造灵活，使数据中心在单位空间布置更多的服务器，提高数据中心运算效率。根据中国储能网数据，液冷技术相对于风冷而言约可节约 20%的空调电能，同时因取消服务器内部风机，IT 部分电能可节省 13％～25％，总体的节能效果在 40％以上。

液体比热容不受海拔与气压影响，可以保持较高的散热效率，保证数据中心在高海拔地区的运行效率和性能。以液体为载体，可以直接通过热交换接入楼宇采暖系统和供水系统，满足附近居民的供暖、温水供应等需求，为数据中心创造了附加价值。液冷技术可以满足 2.7-30kW/机柜的数据中心散热需求，解决超高热流密度的散热问题，因此液冷数据中心基础设施的快速发展是必然趋势。液冷技术可使数据中心 PUE 达到 1.3 以下。其中浸没式液冷技术可以将 PUE 降到 1.2 以下，联合其他技术，可以趋近于 1。

目前液冷方案中，冷板式是我国最早采用的液冷方式，成熟度较高，由于价格相对较低、可改装、对服务器自身要求较低等优势占据主导地位。IDC 数据显示，2023 上半年，中国液冷服务器市场中，冷板式占到了 90%。整个冷板式液冷系统可分为一次侧循环和二次侧循环。其中，一次侧冷源可采用机械制冷系统和自然冷却系统。

机械制冷系统包括风冷冷冻水系统和水冷冷冻水系统，可提供 12C-18℃的中温冷冻水;自然冷却是在室外气象条件允许的情况下，利用室外空气的冷量而不需机械制冷的冷却过程，自然冷却系统可采用开式冷却塔、闭式冷却塔和干冷器等设备实现，可提供 30℃以上的冷却水。

二次侧液体回路是指从冷量分配单元到机架，通过供回冷却工质歧管和 IT 设备连接，然后再通过歧管返回冷量分配单元的设计。来自二次侧冷却回路的热量通过冷量分配单元的板式热交换器传递到一次侧冷却回路，最终排放到大气中或被热回收再利用。