数据中心液冷技术和风冷技术的比较

近年来，随着数字经济的蓬勃发展，数据中心建设规模不断扩大，导致机房单位面积功耗居高不下，对数据中心散热制冷技术提出了更高的要求。同时，根据国家对数据中心的节能要求，全国范围内新建数据中心要求PUE（Power Usage Effectiveness，电源利用效率）＜1.2，而传统的风冷制冷方式已经无法满足数据中心的散热需求，更加高效的液冷方案应运而生。特别在人工智能领域，随着智算需求的爆发，液冷方案已经成为数据中心的首选。

1液冷VS风冷

液冷，是利用液体介质冷却发热器件，达到制冷目的。风冷，是利用空气与发热器件换热，达到制冷目的。   数据中心中液冷技术有直接式和间接式液冷两种，其中直接式又分为浸没式和喷淋式两种。  

冷板式液冷：好比睡凉席，通过冷板贴在发热器件上为发热器件散热。  

浸没式液冷：好比泡冷水澡，发热器件完全“泡”在冷却液中并通过直接接触热交换。

喷淋式液冷：好比冲淋浴，通过喷淋冷却液方式为发热器件散热。

数据中心风冷技术有多年的技术演进过程，发展出了机械式风冷、冷冻水、间接蒸发等技术。

机械式风冷：通常用于机房精密空调，主要通过压缩机机械做功改变制冷剂的状态来制冷。

冷冻水制冷：在机械风冷式制冷基础上，叠加了冷却水循环和冷冻水循环实现制冷，提高了制冷量。

间接蒸发制冷：通过非直接接触式换热器，实现外部自然冷风与数据中心热回风进行热交换，利用了自然冷却提高制冷效率。

由于液冷在制冷效率上的先天优势，配置有液冷系统的数据中心相比传统风冷数据中心，在PUE和WUE（Water Usage Effectiveness，水资源使用效率）关键能源效率指标上，都具有优势。  

PUE：PUE是衡量数据中心能源效率的核心指标，表示数据中心总能耗与其IT设备能耗之比。液冷系统中没有风冷系统中的压缩机、风机等高耗电器件，冷却液体可以直接对设备高温器件（GPU、CPU等）进行散热，从而降低PUE。

WUE：WUE是衡量数据中心水资源效率的指标，如0.8 L/kWh表示为每消耗1度电同时消耗0.8升水。液冷系统通过冷却水高效循环制冷，对比间接蒸发冷却系统通过蒸发喷淋消耗大量水资源，液冷对水资源的依赖程度更低。  

液冷与风冷指标对比：

指标	液冷	风冷
PUE	通常在1.1~1.2之间，部分高效液冷系统的PUE甚至可以降到1.05以下。	通常在1.4~2.0之间。
WUE	可达到0.8 L/kWh以下。	通常大于2 L/kWh，依赖环境干湿空气条件。

2为什么选择液冷

液冷作为数据中心高功率密度散热场景的优先选项，主要有两方面原因：一方面是由于液体的高导热和高比热容特性，液冷技术相对于传统空气制冷技术，具有更高的散热效率；另一方面是液冷系统仅需要水泵等少量耗能元件，能够显著降低PUE。

高导热性

导热性指的是材料传递热量的能力，液体通常比空气具有更好的导热性，能够更快地从热源吸收并传导热量。水的导热性大约是0.6 W/m·K，空气的导热性只有0.025 W/m·K。当设备发热时，液冷系统中的液体能够迅速吸收热量并将其带走，而空气制冷则需要更多时间来进行热量交换。

高比热容

比热容是指物质吸收或释放的热量与其温度变化之间的比值，热容越大，物质就能存储更多的热量，而不容易升温。水的比热容大约是4.18 J/g·K，空气的比热容大约是1.00 J/g·K。设备在长时间内持续工作，液冷系统也能更稳定地调节温度。

系统功耗低

在实际工程应用中，液冷系统中没有压缩机、风机等高耗电器件，仅需要水泵、传感器等少量耗电器件，能够显著降低PUE。

各种制冷技术可以实现的PUE范围参见下表。

制冷技术	PUE范围
风冷直膨技术	1.4~2.0
氟泵技术	1.2~1.5
带自然冷的冷冻水技术	1.2~1.5
间接蒸发冷却技术	1.1~1.3
冷板式液冷技术	<1.2
浸没式液冷技术	<1.1

说明 实际PUE值可能会受到多种因素的影响，包括地理位置、气候条件、数据中心设计等。

由上表可见，使用液冷技术进行制冷，是实现PUE＜1.2节能要求的必须路径。

3数据中心液冷方案

目前液冷技术在数据中心的实际应用中，以冷板式液冷最为广泛。ZTE中兴提供先进的数据中心冷板式液冷解决方案，集成室外冷源、EDU（External Distribution Unit，外部分配单元）、CDU（Cooling Distribution Unit，冷量分配单元）、液冷机柜等关键设备。具备以下优势：

全链条：从服务器到基础设施的端到端解决方案，覆盖设计、交付、运维全过程。

全控制：对液冷和风冷设备统一管理，系统级调优，实现节能最优。

全场景：适配新建、改造数据中心场景，满足不同建筑形式和不同机柜规模需求。

全地域：摆脱地域气候条件限制，安全可靠。

ZTE中兴冷板式液冷系统架构如下图。

室外冷源：通常为闭式塔或干冷器，是液冷系统的外部冷量输入来源。

EDU：EDU是液冷系统一次侧的循环动力源，机组由水泵、过滤器、管路组件、传感器、配电控制箱等主要部件以及稳压装置（选配）、自动补液装置（选配）等辅助功能模块组成。EDU主要功能是为一次侧工质提供循环动力，同时可集成冷却塔的配电与控制，实现对一次侧系统温度、压力、流量的统一监控。

CDU：CDU是液冷系统中的核心设备，机组由液-液换热器、水泵、管路组件、传感器、配电控制箱等主要部件以及过滤器、稳压装置、自动补液装置等辅助功能模块组成。液冷CDU作为冷板式液冷系统二次侧的循环换热中心，其主要功能是为二次侧工质提供再冷却和循环动力，并对整个二次侧系统进行集中控制。

液冷机柜：为液冷系统定制的服务器机柜，适配19英寸或21英寸IT设备（服务器、交换机）。机柜由机柜结构件、manifold（分集水器）、液冷软管、流体连接器、供电单元及管理单元等组成。

一/二次侧管路：包括管路和相应阀门，管路采用环网结构。一二次侧管路连接起室外冷源、CDU、EDU和液冷机柜，将冷却液输送到需要热交换的设备中。

近日，国际数据公司（IDC）发布了最新的《中国半年度液冷服务器市场（2024下半年）跟踪》报告，数据显示中国液冷服务器市场在2024年继续保持快速增长，市场规模达到23.7亿美元，与2023年相比增长67.0%。其中，冷板式解决方案市场占有率进一步提高。IDC预计，2024-2029年，中国液冷服务器市场年复合增长率将达到46.8%，2029年市场规模将达到162亿美元。

在工信部发布的2024年第28号文件中，正式发布了由中兴通讯股份有限公司参与编写的YD/T 6049-2024《冷板式液冷整机柜服务器技术要求和测试方法》，该标准为首个液冷整机柜服务器领域的行业标准。规定了冷板式液冷整机柜服务器的机柜、供液组件、供配电组件、计算节点、交换节点、整机柜内组网、机柜管理模块技术要求和测试方法，适用于数据中心冷板式液冷整机柜服务器的设计、生产及测试。

由此可见业界和市场对高效、低碳节能的液冷技术已形成共识，未来已来，您对当前数据中心液冷方案有什么看法？您认为液冷方案在未来会如何发展？欢迎在评论区分享您的观点。