数据中心液冷散热系统方案

采用风冷的数据中心通常可以解决 12kW 以内的机柜制冷。随着服务器单位功耗增大，原先尺寸的普通服务器机柜可容纳的服务器功率往往超过 15kW，相对于现有的风冷数据中心，这已经到了空气对流散热能力的天花板。而液冷技术作为一种散热能力更强的技术，可以支持更高的功率密度。

1.液冷的优势

• 满足高功率密度机柜的散热需求。液冷的高效制冷效果有效提升了服务器的使用效率和稳定性，同时可使数据中心在单位空间布置更多的服务器，提高数据中心使用效率；
• 循环系统耗能少，系统噪音小。使用高比热的液体工质，冷却工质循环能耗少，且液冷简化了换热流程，也减小了风冷末端在房间输送冷风过程中受湍流影响所致的部分能量衰减的问题；
• 占地小，易于选址。使用液冷系统的数据中心相对于传统的风冷数据中心更加简单，去掉了庞大的末端空调系统，提高了建筑利用率，在小空间里也能布置足够规模的服务器，应用场景更易布置，受地理位置影响较小，全国布局皆可实现低 PUE 运行；
• 降低 TCO，运营 PUE 较低，全年 PUE 可达到 1.2 以下。采用液冷散热方案的数据中心 PUE 比采用风冷的常规冷冻水系统降低 0.15 以上，可让有限的能源更多分配给算力，从而降低运行成本，增加算力产出；
• 余热回收易实现。相比传统水温，使用液冷方案的水温更高，温差大，热源品味和余热系统效率高；
• 适应性强。冷板式液冷兼容性强，易配套开发，不需改变原有形态和设备材料；空间利用率高，可维护性强，布置条件与普通机房相近，可直接与原制冷系统 （常规冷冻水系统）兼容适应。

2.基于冷板液冷方案的一次侧系统

对于液冷二次侧末端不同的水温需求，液冷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 12℃ - 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。液冷一次侧冷源形式需结合二次侧末端水温需求和项目地室外环境情况确定。

3.机械制冷系统

• 风冷冷冻水系统

风冷冷冻水系统是冷冻水制备的一种方式，主要由风冷冷水机组、冷冻水泵及配套设施组成，其液态制冷剂在其蒸发器盘管内直接蒸发，实现对盘管外的冷冻水吸热而制冷，并通过风冷的方式冷却为液态。

风冷冷冻水系统不需要占用专门的机房且无需安装冷却塔及泵房，初期成本投入较低、运行方便，不需要专业人员维护，无冷却水系统，具备节水和降低维护费用等优点。但风冷冷水机组一般装在室外，运维环境相对较为恶劣，维护性及可靠性均不如水冷冷水机组，并且风冷机组在夏季高温制冷效果较差，运行效率较低。

• 水冷冷冻水系统

水冷冷冻水系统是冷冻水制备的一种方式，主要由水冷冷水机组、冷冻水泵、冷却水泵、冷却塔及配套设施组成，其液态制冷剂在蒸发器盘管内直接蒸发，实现对盘管外的冷冻水吸热而制冷，并通过水冷的方式冷却为液态。

水冷冷冻水系统具有耗电量较低、全年制冷效果好、可靠性高和使用寿命长的优点。但其需要专用机房、冷却塔、冷却水泵、冷冻水泵等设备，初投资较大，并且需要循环水，水资源消耗大，且机组本体和冷却设施需要维护，相较于风冷机组，其维护费用比较高。

4.自然冷却系统

• 开式冷却塔

开式冷却塔经过将循环冷却水直接喷淋到冷却塔填料上，同时由风机带动冷却塔内气流流动，通过室外空气与冷却水之间的热质交换蒸发冷却循环水，冷却后的循环水在冷却塔底部出水 （见图 2）。开式冷却塔中循环冷却水与室外空气存在热质交换。

图 2 开式冷却塔示意图

开式冷却塔初投资和运行成本均较低，占地面积较小，重量较轻，但其运行水质较差，易引起被冷却换热器结垢，适用于室外空气品质较好的区域。另外，虽然可增设一级板式换热器和冷却水泵来避免核心换热器结垢，但对应系统较为复杂，初投资提升。

• 闭式冷却塔

闭式冷却塔是将管式换热器置于塔内，通过室外流通的空气、喷淋水与管内的循环冷却水进行热交换而实现向大气散热的设备（见图3）。闭式冷却塔有内循环和外循环两个系统，其内循环通过与被冷却设备对接，构成一个封闭式系统，将系统热量带到冷却塔，也即内循环水通过换热盘管将热量传递到大气中；外循环由循环喷淋泵，布水系统、集水盘及管路组成，外循环水不与内循环水相接触，只是通过冷却塔内的换热器吸收内循环水的热量，然后通过和空气直接接触来散热。

图 3 闭式冷却塔示意图

闭式冷却塔的水质较好，被冷却换热器不易结垢，寿命长，应用在室外环境质量差且对循环水质要求高的场合优势明显；但闭式冷却塔初投资和运行成本均较高，占地面积大，重量较重。

• 干冷器

干冷器即干式冷却器，其工作过程没有水的消耗，是通过管内走液体与管外走自然风来冷却管内液体，降低管内液体温度，达到冷却的目的 （见图 4）。干冷器中的载冷剂通常使用乙二醇溶液，需要根据项目地冬季极端温度选取溶液浓度。

图 4 干冷器示意图

干冷器没有压缩机，总体耗电量低，机组使用寿命长，初投资比风冷冷水系统和水冷冷水系统低，但其一般安装在室外，运行环境相对恶劣，且在夏季炎热散热较差的区域，需配置水喷淋冷却系统或湿帘系统增强换热，导致占地面积增大。

5.一次侧系统应用场景

在冷板式液冷系统中，发热器件不直接接触液体，而是通过与装有液体的冷板直接接触来散热，或者由导热部件将热量传导到冷板上，然后通过冷板内部液体循环带走热量。由于服务器芯片等发热器件不用直接接触液体，所以该方式对现有服务器芯片组件及附属部件改动量较小，可操作性更强，成为目前成熟度高、应用广泛的液冷散热方案。

二次侧相对稳定，通过冷却液分配单元 （CDU） 及后面的系统架构进行配置。一次侧可以考虑多种的使用条件和场景进行组合。按照制冷的方式，主要分成机械制冷和自然冷却制冷，同时结合国内情况，进行划分如下：

表 1 一次侧和二次侧供液温度的参考值

在高热高湿地区，机房环境温度要求高，直接采用闭式冷塔 / 干冷器无法直接满足供冷要求，需要辅助机械制冷装置；冷源通常采用冷水机组 + 冷却塔的联合供冷的方式 （见图 5），此结构适应性强，效率高，但耗水量较大，不适合缺水的地区。

• 方案一：冷水机组 + 冷却塔 （开式）+ 板换

一次侧冷源有多种组成形式，需根据当地室外环境温度 （包括干球 / 湿球温度） 及液冷服务器的进液温度，确定是否需要下调水温；另外供水温度应比室内露点温度高出 2℃ ～ 3℃ 左右，以防结露 （见表 1）。

图 5 冷塔 + 水冷冷机 + 板换系统示意图

系统根据室外温度变化分成两种模式：

模式一：室外温度较低，无需冷机开启，仅凭冷塔 + 板换即可满足制冷要求。

模式二：冷塔出水水温高于 CDU 需求，需要机械降温补冷，形成冷塔 + 冷机的组合形式。

• 方案二：风冷冷水机组

风冷冷水机组将冷凝器、水泵、压缩机等部件合成整体，且通常配置干冷器 （免费冷源模块），集成度高 （见图 6）；但是无法利用水的蒸发潜热，系统能效低，适合系统偏小环境以及缺水地区。

图 6 风冷冷水机组示意图

使用模式与场景 1 相近，也具备两种模式：

模式一：室外温度较低，无需冷机开启，仅凭免费冷源模块即可满足制冷要求。

模式二：免费冷源模块无法满足 CDU 的温度要求，需要机械降温补冷，则直接使用风冷冷机形式。

• 方案三：闭式冷却塔 / 干冷器

对于当地气温全年较低，可采用闭式冷塔/干冷器直接供冷 （见图 7），全年无需机械制冷。

图 7 闭式冷却塔/干冷器 液冷系统示意图

闭式冷塔和干冷器使用模式基本相同，闭式冷却塔系统仍以蒸发散热为主，可以输出更低的温度，循环系统水质较好，对于 CDU 或者其它换热设备友好，只是耗水量大。干冷器体积较大，单机制冷量偏小，但容易布置，配置上湿膜，还可以部分使用蒸发冷却。

该系统也分成两种模式：

模式 1：干模式，无需通过水蒸发散热。

模式 2：湿模式，系统需要通过喷水蒸发的潜热带走热量，闭式冷却塔此时和开式冷却塔相同。干冷器通过进风口的湿膜初步降温，再进行二次降温。

• 方案四：开式冷却塔

开式冷却塔制冷模式与闭式冷却塔完全相同（见图 8），只是开式冷却塔水路与大气相通，水质较差。

图 8 开式冷却塔冷却示意图

上述方案以液冷侧需求为主要考量因素 （见表 2）。冷板液冷机房在实际运转过程中，液冷系统往往仍然需要配备少量空调使用，以满足服务器中非液冷部件的散热需求。

表 2 一次侧冷源建议方案

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。6. 二次侧冷板液冷概述

随着 IT 设备功率密度的增加，需要更高效的冷却技术来满足日益增长的算力需求。与传统的风冷相比，液冷方案提供了更加高效的冷却效率。而何时转换到液冷取决于许多不同的因素，例如包括散热性能需求、电力配备、PUE 要求、IT 设备密度、冷却成本，以及将来的 IT 设备的性能需求和部署策略等等。另外，是改造现有设施还是重新建造新的数据中心机房, 也需纳入 TCO 的考量范围。

采用液体冷却的一个直接原因是，传统的风冷方案已经无法满足 IT 设备的散热需求，故而需要新的方案提升冷却能力。对于 CPU 和 GPU 等高功耗元器件，究竟何时或在何种功率水平下需要液体冷却，目前尚无通用指南，不能一概而论。但应注意的是，除了成本分析外，还需要了解液冷方案的一些设计考量，比如冷却回路中的所有浸润材料与所使用的冷却工质相容并保持长期可靠性，使用的冷却工质不能与任何其他冷却工质混合使用等等。