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一、液冷技术原理概述

液冷，顾名思义，即采用液体接触热源进行冷却的方式。根据冷却液和服务器接触换热方式的不 同，分为直接液冷和间接液冷，其中间接液冷以冷板式液冷技术为主，直接液冷以浸没式液冷技 术为主。

1.1 冷板式液冷

冷板式液冷属于间接式液冷，即发热元件和冷却介质不直接接触。冷板式液冷通过与装有液体的 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直接接触液体，因此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。开式循环的冷板式液冷系统包括一次侧（室外）和二次侧（室内）。根据循环架构的不同，冷板 式液冷又分为开式循环系统和闭式循环系统。开式循环系统能将热量转移至室外进行散热，减少 机房的空调用量，降低整体 PUE（Power Usage Effectiveness，电能利用效率）。具体而言，该 系统包括一次侧（室外）和二次侧（室内）两部分，一次侧为机房供水，包括室外的干冷器和冷 水机组，热量转移主要通过水温的升降实现，二次侧包括供液环路和服务器内部流道，主要通过 冷却液温度的升降实现热量转移；两个部分通过 CDU（冷量分配单元）中的板式换热器发生间壁 式换热，工质不做混合。

CDU 是关键部件之一，除了起到循环冷却液的作用外，还负责监视环境露点并调节供水给机架的 温度，露点温度即水蒸气与水达到平衡状态的温度，当实际温度 t 大于露点温度 Td 时，空气未饱 和。CDU 一般将辅助水回路的供应温度提高到比房间露点温度高出至少 2℃的水平，以防止冷凝 现象发生。

1.2 浸没式液冷

浸没式液冷是指将发热电子元器件如 CPU、主板、内存条、硬盘等直接浸泡在绝缘、化学惰性的 冷却液（电子氟化液）中，通过循环的冷却液将电子元器件产生的热量带走。根据冷却液在循环 散热过程中是否发生相变，分为单相浸没式液冷和双相浸没式液冷。

单相浸没式液冷

单相浸没式液冷的冷却液通常具有较高的沸点，因此冷却液在吸热后始终维持在液态状态。单相 浸没式液冷通过自然对流或泵驱动冷却液的循环，区别在于是否有外力驱动液体循环。自然对流 驱动的循环散热过程利用了液体受热后体积膨胀密度减小的特点，较热的冷却液会自然上浮，之 后被连接到外部冷却回路的热交换器冷却；冷却后的液体在重力作用下自然下沉，完成循环散热。泵驱动则拥有一个由泵、热交换器、传感器、过滤器组成的装置，即冷却液分配单元（CDU）， 利用 CDU 可以更加**地控制冷却液的温度和流速。

单相浸没式液冷的优势在于（1）冷却液价格相对更低，部署成本更低；（2）冷却液无相变，不 需要频繁补充冷却液且无需担心冷却液蒸发溢出或人员吸入的健康风险，更有利于维护。但另一 方面，相对于双相液冷，单相液冷的散热效率更低。

双相浸没式液冷

双相浸没式液冷的冷却液则会经历气液状态的转换。IT 设备完全浸没在装有低沸点冷却液的密闭 罐体中，设备的热量被冷却液吸收，冷却液吸热后温度升高至沸腾，由液态变为气态，蒸汽从液 体中升起逃逸至页面上方，在液体罐体内形成气相区。气相区的冷却液蒸汽与水冷冷凝器接触后 凝结成液体滴落回容器中再次循环，而冷凝器中被加热的冷却水则通过循环冷却水系统完成排热。

双相浸没式液冷充分利用了冷却液的蒸发潜热，可以满足高功率发热元件对散热的极端要求，使 IT 设备可以保持满功率运行。但相变的存在也使得液冷系统必须保持密闭，以防止蒸汽外溢流失， 同时必须考虑相变过程导致的气压变化，以及系统维护时维护人员吸入气体的健康风险。整体来看，浸没式液冷优势在于：（1）冷却液与发热设备直接接触，具有较低的对流热阻，传 热系数高；（2）冷却液具有较高的热导率和比热容，运行温度变化率较小；（3）冷却液绝缘性 能优良，闪点高不易燃，且无毒、无害、无腐蚀。因此浸没式液冷技术适用于对热流密度、绿色 节能需求高的大型数据中心、超级计算、工业级其他计算领域和科研机构，特别是应用于地处严 寒、高海拔地区，或者地势较为特殊、空间有限的数据中心，以及对环境噪音要求较高，距离人 群办公、居住场所较近，需要静音的数据中心具有明显优势。

两种技术比较

由于冷板式液冷技术发展较早，相比浸没式这类直接接触型液冷技术更成熟、生态更完善、改造 成本更低，因此目前以冷板式液冷为主。但直接接触型液冷技术可更大程度上利用液体的比热容 大的特点，制冷效率更高，未来或将占据更多市场。

二、项目大型化带来冷却效率提升需求，液冷降耗优 势明显

2.1 数据中心领域：冷板式液冷为主

数据中心的电能消耗源于 IT 设备、制冷设备、供配电系统和照明等。对于数据中心内的 IT 和电 气设备而言，高温和高湿度是不理想的条件。大多数 IT 设备在工作过程中会产生热量，而过热和 过湿会损害设备，导致它们发生故障并停止工作，损坏的设备又可能导致火灾和其他安全问题。因此需要为数据中心配备足够的冷却能力，保障设备的正常运行。根据《绿色高能效数据中心散 热冷却技术研究现状及发展趋势》，我国数据中心约有 45%的能耗用于 IT 设备，43%用于散热冷 却设备。

数据中心的常规冷却方式包括风冷、水冷、液冷等。风冷：早期的数据中心普遍采用风冷型空调系统，该系统采用制冷剂冷媒作为传热介质，空 气通过室内机组内蒸发盘管制冷降温后，在室内进行空气循环。制冷剂一般为氟利昂，单机 制冷量为 10-120kW。水冷：随着数据中心对冷却效果的要求不断提升，水冷技术逐步被应用其中。水冷型系统主 要由室内机、换热器、冷却塔、膨胀水箱、循环水泵、内外间连接水管等组成。制冷剂吸热 后，热量先通过水冷冷凝器传递给冷却水，再通过冷却塔排放到大气中。液冷：水冷实际是液冷的一种，除了以水作为传热介质外，为了提高换热效率，满足数据中 心高功率、高密部署、低 PUE 的使用需求，液冷还会采用比热容更大的传热介质，如乙二 醇水溶液、矿物油、氟化液等。标况下空气的定压比热容为 1.004kJ/(kg·k)，水的比热容为 4.2 kJ/(kg·k)，用于阿里浸没式液冷的氟化液比热容和汽化潜热分别为 1110 kJ/(kg·k)和 88kJ/kg。液体的比热容远高于气体，散热效率实现极大提升。

数据中心数量增加&大型机架占比提升，总耗电量不断上升，增加能耗担忧。根据信通院数据， 2017-2021 年，数据中心机架数量从 166 万架增至 520 万架，年均复合增速超 30%，大型规模以 上机架数量从 83 万架增至 420 万架，总占比提升至 80.8%。据信通院测算，2022 年全国机架规 模将持续增长，大型以上机架数量将增至 540 万架。能耗方面，2017-2020 年，我国信息通信领 域规模以上数据中心年耗电量年均增长 28%，2021 年全国数据中心耗电量达 2166 亿度，约占全 国总耗电量的 2.6%，碳排放量达 1.35 亿吨，占全国二氧化碳排放量的 1.14%左右。据信通院测 算，2030 年我国数据中心耗电量将超过 3800 亿度。

双碳背景下，我国对数据中心 PUE 的要求日趋严格，节能降耗势在必行。对于新建的数据中心， 2017 年，《“十三五”节能减排综合工作方案》提出，新建大型云计算数据中心 PUE 值低于 1.5。2021 年 12 月，国家发改委四部门发布新政提出，到 2025 年，全国新建大型、超大型数据中心平 均 PUE 值降至 1.3 以下，国家枢纽节点还将进一步降至 1.25 以下。另外，我国还将对已有高能 耗数据中心进行改造，2021 年，国家提出将对 PUE 值超过 1.5 的数据中心进行改造。数字经济时代，算力网络的建设以及以 ChatGPT 为代表的 AIGC 类应用的爆发，使得高算力需 求激增，算力基础设施能耗节节攀升。根据国家政策要求，在算力枢纽 8 大节点中，东部地区大型及以上数据中心 PUE 需要降低到 1.25 以下，西部气候适宜地区大型及以上的数据中心 PUE 需 要降低到 1.2 以下，且要求制冷系统采取新的解决方案。

PUE 指电源利用效率，为数据中心内所有用电设备总耗能与 IT 设备耗能之比。影响 PUE 受诸多 因素影响，包括数据中心等级、功率密度、数据中心所处的气候环境、运维管理水平等等。（1）数据中心等级：根据 GB50174-2017《数据中心设计规范》，数据中心划分为 A、B、C 三 级，依据使用性质、数据丢失或网络中断在经济或社会上造成的损失或影响程度确定所属级别。等级越高的数据中心，各类设备的冗余程度越高，高达 2N，即对应设备能耗的增加。其中 A 级 数据中心包括但不限于金融行业、信息中心、电力调度中心、通信、网上支付等行业的数 据中心和重要的控制室。算力网络的建设加速了传输、调度用数据中心的建设，多属于 A 级数据 中心。（2）功率密度：近年来，为应对电力需求和维护成本的上升，提高数据中心运营效率，一个重 要趋势是提高功率密度，同时数据中心单位空间产生热量的瓦数也在不断上升，造成了散热问题。根据 Uptime Institute《2020 全球数据中心调查报告》，2020 年全球 71%的数据中心平均功率密 度低于 10kW/机架，相比于 2017 年的 5.6kW/机架、2011 年的 2.4Kw/机架增长显著。其中， 平 均功率密度高于 20kW/机架的数据中心约占 16%。根据科智咨询，目前中国数据中心的平均功率 密度为 8-10kW/机架。

此外，为了满足高算力负载需求，通过单机架叠加多核处理器提高计算密度，也导致了 IT 硬件的 处理器功耗显著增加，单机架功率密度越来越高。比如，从当前占据全球服务器 CPU 主要市场的英特尔架构处理器看，英特尔至强可扩展处理器 TDP（热设计功耗）从 2019 年的 205W 上升到 现在的 270W，在 2023 年将达到 350W，提升近一倍。

2.2 储能领域：液冷方案成为主流趋势

温度对电化学储能系统的容量、安全性、寿命等性能都有影响，因此需要对储能系统进行热管理。储能系统是一个由大量电池、PCS、BMS、EMS、温控、消防等子系统组成的复杂系统，其中电 池是系统的核心部件。温度对储能系统的影响体现在两个方面：（1）温度对单个电芯的性能有 影响，过高或过低的温度将影响电芯正常使用；（2）温度对电池系统的性能有影响，多个电芯 之间温度的差异会影响系统一致性，一致性问题将影响系统的安全、效率和寿命。

温度对电芯性能的影响体现在：（1） 容量：高温会导致电池内阻增加，活性锂离子流失。若长期处于高温状态，电池容量会 大幅偏离标称容量。温度越高，锂离子电池的容量衰减越快。而低温环境下，电解质的 传输性能大幅降低，也会导致锂电池容量降低，磷酸铁锂电池的容量保持率在 0 ℃下为 60%～70%，而在−20 ℃时则降低到 20%～40%。（2） 寿命：温度变化导致电池内阻、电压变化，影响电池寿命。研究发现，温度每升高 1 ℃， 电池寿命则减少约 60 d。（3） 热稳定性：高温会导致电池内部材料发生分解反应，影响电池安全稳定运行。高温环境 下，SEI 膜可能发生分解，进而导致锂离子通道闭塞、正负极接触短路、产生大量热。同时会伴随产生大量气体，导致电池鼓包、破裂等热失控现象。而低温环境下，电池负 极可能出现锂枝晶，甚至刺穿 SEI 膜，影响电池安全。目前普遍认为锂电池的佳工作温度区间为 10-35℃。