液冷技术的应用不仅可以提高散热效率，同时也能够降低数据中心的能耗和碳排放。据统计，采用液冷技术的数据中心的能耗和碳排放量可以分别降低40%和90%以上。因此，液冷技术被认为是未来数据中心的重要发展方向之一。

一、液冷技术背景

1、数据中心介绍

数据中心，顾名思义就是数据的中心，是处理和存储海量数据的地方。用专业的名词解释，数据中心是全球协作的特定设备网络，用来在internet网络基础设施上传递、加速、展示、计算、存储数据信息。数据中心主要有几大部分构成：机房、制冷系统、供配电系统、网络设备、服务器设备、存储设备等。

2、数据中心能耗来源

由于数据中心承载着大量数据存储与处理工作，目前数据中心的高能耗已经成为了一个重要的问题。

数据中心能耗主要来源于IT设备、制冷系统、供配电系统、照明系统及其它安防设备、消防设备、传感器设备以及KVM管理系统等能耗等。

①IT设备：包括计算、存储、网络和连接器等不同类型设备，主要是存储器、服务器、交换机、路由器等。所产生的功耗约占数据中心总功耗的约45%。其中服务器系统约占50%左右，存储系统约占35%，网络通信设备约占15%。

②制冷系统：为了保证IT设备运行所需温湿度环境而建立的配套设施，主要冷源设备、机房空调、新风系统等。由它所产生的功耗约占数据中心总功耗的40%左右。空调系统已成为数据中心最大的能耗来源之一，常常被认为是当前数据中心提高能源效率的重点环节。

③供配电系：提供满足设备使用的电压和电流，并保证供电的安全性和可靠性，主要是指UPS、蓄电池、柴油发电机、配电柜等。它们的功耗约占数据中心总功耗的10%左右。其中约7%来源于UPS供电系统，3%左右来源于UPS输入供电系统。

④照明系统：数据中心照明系统约占数据中心机房总功耗的3%左右。

数据中心仅电费就占到了数据中心运维成本的60%，据工信部2022年数据显示：2021年我国数据中心耗电量为2166kwh，几乎等同于两个三峡电站的发电量，因此节能降耗是目前数据中心急迫的问题。

3、PUE的概念

那么如何定义数据中心能源利用效率呢？PUE = 数据中心总能耗/IT设备能耗，其中数据中心总能耗包括IT设备能耗和制冷、配电等系统的能耗，其值大于1，越接近1表明非IT设备耗能越少，即能效水平越好。按照国家一体化数据中心建设要求，东部数据中心集群的PUE要小于1.25，西部要小于1.2。在2022年北京地区通过节能审查的13个数据中心项目中，PUE全部小于1.2，超过60%的项目小于1.15。如此低的PUE，采用传统的风冷技术很难实现，液冷技术已成为公认的最佳实现路径。

二、传统风冷散热

风冷散热器是计算机部件中大量使用集成电路。散热器的作用就是将这些热量吸收，然后发散到机箱内或者机箱外，保证计算机部件的温度正常。

风冷技术是使用空气作为冷媒，通过空气与发热部件接触换热实现散热的冷却方式，即是用空调通过压缩的冷风把新鲜的冷风持续灌入设备内部，或通过IT设备上的风扇来进行散热。然而，风冷却有高能耗、低性能、高噪音的问题。

三、液冷技术

1、液冷技术的产生

随着人工智能、云计算、大数据等技术的创新发展，使得数据资源的存储、计算和应用需求快速扩张。为了应对大量数据运算使得作为人工智能、大数据等新兴技术“大脑”的数据中心面临着前所未有的能耗、散热、降噪挑战。在此背景下，应用液冷技术和液冷服务器等设备的液冷数据中心应运而生，为数据中心的冷却提供了新的解决思路。

2、液冷技术的分类

①冷板式液冷

冷板式液冷技术是间接接触型液冷，通过冷板（通常是铜、铝等高导热金属构成的封闭腔体）将发热元器件的热量间接传递给封闭在循环管路中的冷却液体，通过冷却液体将热量带走的一种散热方式。冷板式液冷的技术原理即利用工作流体作为中间热量传输的媒介，将热量由热区传递到远端后再进行冷却。

②浸没式液冷

浸没式液冷是将服务器等有散热需求的IT设备完全浸没在冷却液中，通过液体的循环流动进行冷却。其中相变浸没式液冷是目前发展较快的技术，其工作原理是冷却液对发热器件降温气化，再通过冷却后液化进而循环利用。由于冷冷却液和发热设备充分接触，所以散热效率更高。

③喷淋式液冷

喷淋式液冷是将冷却液直接喷淋到IT设备发热器件表面，液体吸收发热器件的热量升温后的冷却液通过管道、换热器等与外部冷源进行热交换。具有高效散热、稳定性好、散热均匀等优点。

3、液冷技术优势

①热量带走的更多

同体积液体带走热量是同体积空气的近3000倍，在保持温度稳定的同时，液体能吸收大量的热量，从而使散热效率大大提高。

②温度传递更快

液体导热能力是空气的25倍。

③耗电节能更省

液冷系统约比风冷系统节省电量30%-50%，数据中心在其运营中消耗大量电力，这与昂贵的电费有关。随着向液体冷却解决方案的转变，持续消耗电力的风扇和空调可以全部或部分更换，从而大大降低电力消耗和成本。

④提高能源效率，降低噪音

液体冷却系统可以降低数据中心的整体能耗和能源使用效率到显著的程度。此外，由于液体冷却系统的泵和其他仪器比风扇安静，液体冷却系统的噪音比空气冷却系统的噪音降低20-35分贝，因此可以创建“安静的数据中心”。

⑤稳定性更高

液冷技术可以通过控制冷却液的流量和温度，实现对储能系统温度的精确控制，从而提高系统的稳定性和可靠性。相比之下，风冷技术受到环境温度和风速等因素的影响，控制难度较大。

⑥适用范围更广

液冷技术可以适用于各种储能系统，包括大型电池组、超级电容器等。相比之下，风冷技术在处理大型储能系统时存在一定的局限性。

4、液冷未来发展趋势

随着中国算力网络布局加快，协同融合成为 发展主线。行业数字化转型需求释放，数字基础设施建设从“通用算力集中部署”向“多样性算力按需供给”加快转变，助力全国一体化大数据中心体系建设的同时，也推动了高效经济、低碳绿色的液冷数据中心快速发展。以冷板路线为代表的液冷数据中心产品生产及服务交付的模式渐趋固定，可结合新改扩建数据中心的阶段特点，以及不同体量、用途、地域等属性的数据中心特点进行拓展。2022年，中国液冷数据中心已基本完成了从“黑科技”到普惠应用的转变，发展的核心逻辑及部署方式已大致确定，年均增速保持25%，正进入稳步发展的关键期。

2020-2022年，冷板、浸没和喷淋三种路线的关键技术加快成熟，应用模式验证取得显著成效，使得单位功率散热成本得以持续下降。近年来，随着液冷数据中心技术设施商业化进程加快，以及市场需求高涨，液冷数据中心及基础设施市场规模将保持持续增长。据赛迪顾问预测，中国液冷数据中心市场规模预计由2019年的260.9亿元增长至2025年的1283.2亿元，中国液冷数据中心基础设施市场规模预计由2019年的64.7亿元增长至2025年的245.3亿元。

四、液冷案例

1、全球最大的数据中心运营商之一谷歌位于芬兰的数据中心，使用了一种名为“完全液冷”的技术，直接抽取芬兰湾的海水来冷却数据中心。将所有服务器都浸入到液体中，从而将热量传递给液体，再通过外部的换热器将液体散热出去。

2、浪潮将“All in 液冷”纳入公司发展战略，全栈布局液冷，发布全栈液冷产品，实现通用服务器、高密度服务器、整机柜服务器、AI 服务器四大系列全线产品均支持冷板式液冷，并提供液冷数据中心全生命周期整体解决方案。

3、阿里云作为国内领先的云服务提供商，是最早探索和实践大规模液冷方案的科技公司之一。2020 年1月，阿里云宣布向全社会开放“浸没液冷数据中心技术规范”，2020 年9月，仁和数据中心开服，采用服务器全浸没液冷等多项节能技术进行规划设计与建造，PUE低至1.09，相比传统风冷数据中心每年可节省3000万度电，该数据中心成为我国首座绿色等级达到5A级的液冷数据中心；2021 年12月，阿里云发布磐久系列液冷一体机Immersion DC 1000，整体能耗可下降 34.6%。

4、深耕精密温控领域，产品矩阵丰富，有Coolinside 液冷机柜及全链条液冷解决方案及BattCool储能全链条液冷解决方案 2.0。公司推出XGlacier全链条冷板式液冷系统，采用集成冷板式液冷技术、高效变频水泵、温水冷却技术达到高效制冷效果，同时充分利用自然冷源，做到极致节能，在主业为制冷设备的供应商中，英维克实力较强。

5、中科曙光面向人工智能、大数据等多种应用场景，推出硅立方液体相变冷却计算机。硅立方液体相变冷却计算机采用创新的浸没液冷技术，PUE 低至1.04，节能效果显著。硅立方将服务器芯片、主板在内的所有计算部件浸没于液态冷媒中，将部件产生的热量通过相变换热的方式转移出设备，实现了高效散热。同时，硅立方一个机柜功率密度可达到 160kW，是传统风冷数据中心的4-5倍，能效比提升了30%。

6、华为则发布FusionServer Pro全液冷系统解决方案，该智能服务器使用冷板式液冷，是面向IT设备高密部署，减少TCO投入，绿色节能，并有效提升运算效率的制冷解决方案，可以广泛应用于大学、公有云、企业等的计算业务。该方案采用密闭式全液冷机柜设计，全部的热量均由液冷带走，机房无须部署IT设备制冷空调。

液冷技术的应用不仅可以提高散热效率，同时也能够降低数据中心的能耗和碳排放。据统计，采用液冷技术的数据中心的能耗和碳排放量可以分别降低40%和90%以上。因此，液冷技术被认为是未来数据中心的重要发展方向之一。

党中央、国务院高度重视数据中心产业的绿色低碳发展，国家“十四五”规划纲要从现代化、数字化、绿色化方面对新型基础设施建设提出了方针指引，党中央、国务院关于碳达峰、碳中和的“3060”战略决策又对信息通信业数字化和绿色化协同发展提出了更高要求。液冷技术在数据中心中的应用具有高效、稳定、可靠、节能等优势。各大企业也在不断进行液冷技术研究和实践，在量产化和成本方面不断优化。液冷技术的发展将为数据中心的稳定运行和节能减排做出更大的贡献。