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液冷技術可顯著降低 PUE，冷板式占比 90%
思瀚產業(yè)研究院    2024-05-30

液冷技術類型根據冷卻液和發(fā)熱設備接觸換熱方式的不同，可劃分為冷板式液冷、浸沒式液冷和噴淋式液冷。

1）冷板式液冷通過把冷板與發(fā)熱器件緊密固定，將發(fā)熱器件的熱量傳導給冷板中的冷卻液，并將冷卻液中的熱量運輸至后端冷卻。液冷數據中心應用場景中，冷板式液冷對于服務器芯片組件及附屬部件改動較小，主要途徑為加裝液冷模塊，采用集中式或分布式 CDU供液 Manifold 分液，對芯片、內存等部件進行精準制冷。

根據冷板的不同，非接觸式液冷可分為局部冷板和全覆蓋冷板。局部冷板僅支持核心部件散熱，具有與傳統(tǒng)機房兼容性好的特點，但需要風冷解決其他部件散熱問題;全覆蓋冷板覆蓋所有部件，但由于部分部件可插拔、形態(tài)非標，存在技術難題，可進行一體化設計，所有元器件附著于主板，從而實現全覆蓋冷板散熱。

2）浸沒式液冷是服務器完全浸入冷卻液中，全部發(fā)熱元件熱量直接傳遞給冷卻液,通過冷卻液循環(huán)流動或蒸發(fā)冷凝相變進行散熱的一種方式。其中，冷卻液循環(huán)流動的方式為單相浸沒式液冷，冷卻液蒸發(fā)冷凝相變的方式為相變浸沒式液冷，相變浸沒式液冷控制更復雜、要求更高。

3）噴淋式液冷和發(fā)熱器件直接接觸，依靠泵壓或重力驅動，向發(fā)熱設備自上而下精準噴淋，吸收并帶走熱量，排走的熱流體與外部環(huán)境冷源進行熱交換，冷卻液無相變。噴淋式液冷的冷卻液需具備絕緣導熱、抗氧化性等特點，不發(fā)生相變，但在噴淋過程中存在液體飄逸和揮發(fā)問題，應用成本較高，且不適合高密度服務器和超大規(guī)模數據中心。

風冷采用氣體作為導熱媒介，其導熱能力遠遠弱于液體，降低 ICT 設備能耗的能力弱于液冷。另外由于側重于對機房整體環(huán)境溫度管理，為了保證不出現局部過熱，風冷通常需要提供冗余制冷，導致風冷能耗較大。

根據英特爾綠色數據中心項目負責人介紹，新建數據中心可以通過選擇使用一系列先進的軟硬件技術，或選址在高緯度地區(qū)，通過新風進行散熱，風冷也可以使 PUE 值達到 1.3。但要進一步降低 PUE，或是數據中心選址在南方等年平均氣溫較高的地方，液冷就可能從可選項變成必選項。

液冷技術的高效制冷效果有效提升了服務器的使用效率和穩(wěn)定性、延長服務器壽命，同時占地面積小、系統(tǒng)布置改造靈活，使數據中心在單位空間布置更多的服務器，提高數據中心運算效率。根據中國儲能網數據，液冷技術相對于風冷而言約可節(jié)約 20%的空調電能，同時因取消服務器內部風機，IT 部分電能可節(jié)省 13％～25％，總體的節(jié)能效果在 40％以上。

液體比熱容不受海拔與氣壓影響，可以保持較高的散熱效率，保證數據中心在高海拔地區(qū)的運行效率和性能。以液體為載體，可以直接通過熱交換接入樓宇采暖系統(tǒng)和供水系統(tǒng)，滿足附近居民的供暖、溫水供應等需求，為數據中心創(chuàng)造了附加價值。液冷技術可以滿足 2.7-30kW/機柜的數據中心散熱需求，解決超高熱流密度的散熱問題，因此液冷數據中心基礎設施的快速發(fā)展是必然趨勢。液冷技術可使數據中心 PUE 達到 1.3 以下。其中浸沒式液冷技術可以將 PUE 降到 1.2 以下，聯合其他技術，可以趨近于 1。

目前液冷方案中，冷板式是我國最早采用的液冷方式，成熟度較高，由于價格相對較低、可改裝、對服務器自身要求較低等優(yōu)勢占據主導地位。IDC 數據顯示，2023 上半年，中國液冷服務器市場中，冷板式占到了 90%。整個冷板式液冷系統(tǒng)可分為一次側循環(huán)和二次側循環(huán)。其中，一次側冷源可采用機械制冷系統(tǒng)和自然冷卻系統(tǒng)。

機械制冷系統(tǒng)包括風冷冷凍水系統(tǒng)和水冷冷凍水系統(tǒng)，可提供 12C-18℃的中溫冷凍水;自然冷卻是在室外氣象條件允許的情況下，利用室外空氣的冷量而不需機械制冷的冷卻過程，自然冷卻系統(tǒng)可采用開式冷卻塔、閉式冷卻塔和干冷器等設備實現，可提供 30℃以上的冷卻水。

二次側液體回路是指從冷量分配單元到機架，通過供回冷卻工質歧管和 IT 設備連接，然后再通過歧管返回冷量分配單元的設計。來自二次側冷卻回路的熱量通過冷量分配單元的板式熱交換器傳遞到一次側冷卻回路，最終排放到大氣中或被熱回收再利用。