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双碳”趋势下，零碳数据中心如何打造，要重点考虑"电从哪里来？热到哪里去?"（三）

Publication Date:2024-12-16

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三、液冷技术方案的应用

创新技术是推动数据中心节能减碳的核心动力、制冷方式的革新、设计建设方式的优化。在数据中心领域，服务器的数量决定了整个数据中心的业务处理能力，而中大型数据中心服务器都是以数千台来计算，按照一个机架放置10台服务器，大型数据中心就需要数百个机架。这样巨量的服务器设备同时运转，按照每台运行功率300W来计算，一万台就要3兆瓦，所以如果每台服务器都能节省一点能耗，一万台服务器节省的能耗就非常可观。因此有不少的专家从服务器入手，在服务器上下功夫，在不降低服务器运行性能的前提下，尽量降低运行的能耗和改善服务器的运行环境，在这样的迫切需求情况下，更加高效的系列液冷方案就应运而生。液冷的冷却能力远远高于传统风冷的冷却能力，同体积的空气和水相比，比如1个立方的水和空气，在常温下温度变化1℃时，空气的传热大约是1.3千焦, 而水的传热大约是4200千焦，可见水的传热能力超过空气的3000倍多。

目前，我国液冷数据中心还处于快速发展阶段，但已经部分大型企业和机构开始尝试部署液冷技术，如阿里巴巴、腾讯、华为等公司都在新建或改造部分数据中心为液冷数据中心。此外，还有一些创业公司也在液冷领域进行探索和实践，如云酷智能、绿色云图、依米康、海悟、申菱等。

目前液冷技术主要有三大类，分别是喷淋式液冷、浸没式液冷、冷板式液冷，其示意原理图如下：

1. 喷淋式液冷：将冷却液通过喷淋的方式淋在服务器的散热元件上带走服务器产生的热量。

2. 浸没式液冷：将服务器的发热元器件完全浸没在冷却液中，通过冷却液的对流或相变将服务器的热量带走的散热系统。根据目前主流氟化液的单相换热能力是同体积空气换热能力的1200倍以上。如果采用相变浸没式，氟化液的相变换热能力是同体积空气换热能力的10000倍以上。

3. 冷板式液冷：在服务器的CPU等大功耗部件采用液冷冷板散热，其他少量发热器件（如硬盘、接口卡等）仍采用风冷散热系统。冷板液冷优点是对现有机房的架构影响不大，采用水的散热能力是同体积空气散热能力的3200倍，而且具备低噪音、空间利用率高、热能可回收的特点。

其中，冷板式液冷技术开发较早，是目前成熟度最高、行业布局最多、应用最广泛的液冷散热方案，根据CCID前瞻产业研究院的调研数据，2022年我国液冷市场规模约为600亿元左右，其中冷板液冷的市场份额约占65%，浸没式液冷约占34%，2023年我国液冷市场规模将增至800亿元，到2025年我国液冷市场规模预计将达到1300亿元左右。

2018年，阿里建设了大型浸没液冷张北数据中心，该数据中心是阿里云首个应用全浸没式液冷服务器的数据中心，与传统制冷系统相比，热传导效率要高百倍，节能效果超过70%。阿里张北液冷数据中心不仅在技术上具有创新和领先优势，同时也注重环保和节能。该数据中心采用自然冷却等先进节能技术，可将电能利用效率（PUE）控制在1.25以内，最低可达1.13。

浸没液冷技术的优势不仅在于导热散热，还能够容纳更多IT设备，提高了计算能力。阿里张北液冷数据中心功耗密度达到60千瓦，将计算密度提升了10倍。同时，液冷机柜具有高密封性特点，使得电子元器件远离湿度、灰尘、振动的影响，提升了设备的稳定性、降低了故障发生率。阿里张北液冷机房运行3年来，与同等规模的其他机房相比，故障发生率降低了54%。基于阿里对张北液冷数据中心的经验，2020年阿里又在杭州建设了中国首座绿色等级达5A级的液冷数据中心—阿里杭州仁和液冷数据中心，该数据中心整栋楼采用了全浸没液冷服务器。由于大规模使用全浸没液冷服务器技术，使得整体PUE值为1.09，达到目前世界最领先水平。

2023年6月5日，移动、联通、电信三大运营商在第31届中国国际信息通信展览会“算力创新发展高峰论坛”上发布了《电信运营商液冷技术白皮书》，白皮书分析了数据中心目前面临的形势和液冷技术发展现状，介绍了电信运营商液冷技术实践和目前的发展挑战，提出电信运营商液冷技术发展三年愿景和具体技术路线，对冷板式和浸没式液冷两种型式关键技术选择做了介绍。总体来看，冷板式液冷与单相浸没式液冷各有优劣，生态均需完善，两者演进均尚需时日，未来一定时间内将并存发展，为当前业内发展主流。综上，电信运营商现阶段主要推进冷板式液冷与单相浸没式液冷两种技术路线，详细如下：

根据《电信运营商液冷技术白皮书》，预计到2025年50%以上数据中心项目将应用液冷技术。互联网行业液冷数据中心占比达24.0%，金融行业占比达25.0%、电信行业占比达23.0%、能源行业占比达10.5%，生物、医疗和政务等行业需求将加快融入通用数据中心新业态。

液冷技术的出现，不但为“双碳”战略做出了贡献，同时也推动了数据中心节能新技术的落地，改善了传统风冷的散热形式，更能满足高密机柜、芯片级精确制冷、更节能、更节地、更低噪声。

液冷方案在实际数据中心场景应用中，结合不同的产品制定了场景化的解决方案，例如海悟的场景化液冷解决方案，分别是：

场景一：采用冷板式液冷，配合集中式CDU解决方案，该方案最大支持的功率密度为50～80kW，整体液冷方案年平均PUE可以做到1.2及以下。

场景二：此方案采用冷板式液冷，配合分布式CDU方案，该方案最大支持功率密度为50～80kW，整体液冷方案年平均PUE同样可以做到1.2及以下。

场景三：此方案采用单相浸没式液冷，室外采用干冷器，配合双机柜式CDU,最大支持功率密度为30～100KW，整体液冷方案年平均PUE可以做到1.1及以下。

目前各液冷设备厂家的方案有所不同，因为液冷技术当前生态不完善，各家产品形态各异，产品规范化程度较低，机柜与服务器深度耦合，尚无统一接口标准，难以标准化、规模化推广应用。推广液冷技术，需集思广益、凝聚共识，完善液冷产业标准化和生态建设、促进液冷技术有序发展，开辟数据中心液冷行业高质量发展道路。

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