數據中心液冷散熱系統方案
采用風冷的數據中心通常可以解決 12kW 以內的機柜制冷。隨著服務器單位功耗增大，原先尺寸的普通服務器機柜可容納的服務器功率往往超過 15kW，相對于現有的風冷數據中心，這已經到了空氣對流散熱能力的天花板。而液冷技術作為一種散熱能力更強的技術，可以支持更高的功率密度。
1.液冷的優勢
- 滿足高功率密度機柜的散熱需求。液冷的高效制冷效果有效提升了服務器的使用效率和穩定性，同時可使數據中心在單位空間布置更多的服務器，提高數據中心使用效率；
- 循環系統耗能少，系統噪音小。使用高比熱的液體工質，冷卻工質循環能耗少，且液冷簡化了換熱流程，也減小了風冷末端在房間輸送冷風過程中受湍流影響所致的部分能量衰減的問題；
- 占地小，易于選址。使用液冷系統的數據中心相對于傳統的風冷數據中心更加簡單，去掉了龐大的末端空調系統，提高了建筑利用率，在小空間里也能布置足夠規模的服務器，應用場景更易布置，受地理位置影響較小，全國布局皆可實現低 PUE 運行；
- 降低 TCO，運營 PUE 較低，全年 PUE 可達到 1.2 以下。采用液冷散熱方案的數據中心 PUE 比采用風冷的常規冷凍水系統降低 0.15 以上，可讓有限的能源更多分配給算力，從而降低運行成本，增加算力產出；
- 余熱回收易實現。相比傳統水溫，使用液冷方案的水溫更高，溫差大，熱源品味和余熱系統效率高；
- 適應性強。冷板式液冷兼容性強，易配套開發，不需改變原有形態和設備材料；空間利用率高，可維護性強，布置條件與普通機房相近，可直接與原制冷系統 （常規冷凍水系統）兼容適應。
2.基于冷板液冷方案的一次側系統
對于液冷二次側末端不同的水溫需求，液冷一次側冷源可采用機械制冷系統和自然冷卻系統。機械制冷系統包括風冷冷凍水系統和水冷冷凍水系統，可提供 12℃ - 18℃ 的中溫冷凍水；自然冷卻是在室外氣象條件允許的情況下，利用室外空氣的冷量而不需機械制冷的冷卻過程，自然冷卻系統可采用開式冷卻塔、閉式冷卻塔和干冷器等設備實現，可提供 30℃ 以上的冷卻水。液冷一次側冷源形式需結合二次側末端水溫需求和項目地室外環境情況確定。
3.機械制冷系統
- 風冷冷凍水系統
風冷冷凍水系統是冷凍水制備的一種方式，主要由風冷冷水機組、冷凍水泵及配套設施組成，其液態制冷劑在其蒸發器盤管內直接蒸發，實現對盤管外的冷凍水吸熱而制冷，并通過風冷的方式冷卻為液態。
風冷冷凍水系統不需要占用專門的機房且無需安裝冷卻塔及泵房，初期成本投入較低、運行方便，不需要專業人員維護，無冷卻水系統，具備節水和降低維護費用等優點。但風冷冷水機組一般裝在室外，運維環境相對較為惡劣，維護性及可靠性均不如水冷冷水機組，并且風冷機組在夏季高溫制冷效果較差，運行效率較低。
- 水冷冷凍水系統
水冷冷凍水系統是冷凍水制備的一種方式，主要由水冷冷水機組、冷凍水泵、冷卻水泵、冷卻塔及配套設施組成，其液態制冷劑在蒸發器盤管內直接蒸發，實現對盤管外的冷凍水吸熱而制冷，并通過水冷的方式冷卻為液態。
水冷冷凍水系統具有耗電量較低、全年制冷效果好、可靠性高和使用壽命長的優點。但其需要專用機房、冷卻塔、冷卻水泵、冷凍水泵等設備，初投資較大，并且需要循環水，水資源消耗大，且機組本體和冷卻設施需要維護，相較于風冷機組，其維護費用比較高。
4.自然冷卻系統
- 開式冷卻塔
開式冷卻塔經過將循環冷卻水直接噴淋到冷卻塔填料上，同時由風機帶動冷卻塔內氣流流動，通過室外空氣與冷卻水之間的熱質交換蒸發冷卻循環水，冷卻后的循環水在冷卻塔底部出水 （見圖 2）。開式冷卻塔中循環冷卻水與室外空氣存在熱質交換。
圖 2 開式冷卻塔示意圖
開式冷卻塔初投資和運行成本均較低，占地面積較小，重量較輕，但其運行水質較差，易引起被冷卻換熱器結垢，適用于室外空氣品質較好的區域。另外，雖然可增設一級板式換熱器和冷卻水泵來避免核心換熱器結垢，但對應系統較為復雜，初投資提升。
- 閉式冷卻塔
閉式冷卻塔是將管式換熱器置于塔內，通過室外流通的空氣、噴淋水與管內的循環冷卻水進行熱交換而實現向大氣散熱的設備（見圖3）。閉式冷卻塔有內循環和外循環兩個系統，其內循環通過與被冷卻設備對接，構成一個封閉式系統，將系統熱量帶到冷卻塔，也即內循環水通過換熱盤管將熱量傳遞到大氣中；外循環由循環噴淋泵，布水系統、集水盤及管路組成，外循環水不與內循環水相接觸，只是通過冷卻塔內的換熱器吸收內循環水的熱量，然后通過和空氣直接接觸來散熱。
圖 3 閉式冷卻塔示意圖
閉式冷卻塔的水質較好，被冷卻換熱器不易結垢，壽命長，應用在室外環境質量差且對循環水質要求高的場合優勢明顯；但閉式冷卻塔初投資和運行成本均較高，占地面積大，重量較重。
- 干冷器
干冷器即干式冷卻器，其工作過程沒有水的消耗，是通過管內走液體與管外走自然風來冷卻管內液體，降低管內液體溫度，達到冷卻的目的 （見圖 4）。干冷器中的載冷劑通常使用乙二醇溶液，需要根據項目地冬季極端溫度選取溶液濃度。
圖 4 干冷器示意圖
干冷器沒有壓縮機，總體耗電量低，機組使用壽命長，初投資比風冷冷水系統和水冷冷水系統低，但其一般安裝在室外，運行環境相對惡劣，且在夏季炎熱散熱較差的區域，需配置水噴淋冷卻系統或濕簾系統增強換熱，導致占地面積增大。
5.一次側系統應用場景
在冷板式液冷系統中，發熱器件不直接接觸液體，而是通過與裝有液體的冷板直接接觸來散熱，或者由導熱部件將熱量傳導到冷板上，然后通過冷板內部液體循環帶走熱量。由于服務器芯片等發熱器件不用直接接觸液體，所以該方式對現有服務器芯片組件及附屬部件改動量較小，可操作性更強，成為目前成熟度高、應用廣泛的液冷散熱方案。
二次側相對穩定，通過冷卻液分配單元 （CDU） 及后面的系統架構進行配置。一次側可以考慮多種的使用條件和場景進行組合。按照制冷的方式，主要分成機械制冷和自然冷卻制冷，同時結合國內情況，進行劃分如下：
表 1 一次側和二次側供液溫度的參考值
在高熱高濕地區，機房環境溫度要求高，直接采用閉式冷塔 / 干冷器無法直接滿足供冷要求，需要輔助機械制冷裝置；冷源通常采用冷水機組 + 冷卻塔的聯合供冷的方式 （見圖 5），此結構適應性強，效率高，但耗水量較大，不適合缺水的地區。
- 方案一：冷水機組 + 冷卻塔 （開式）+ 板換
一次側冷源有多種組成形式，需根據當地室外環境溫度 （包括干球 / 濕球溫度） 及液冷服務器的進液溫度，確定是否需要下調水溫；另外供水溫度應比室內露點溫度高出 2℃ ～ 3℃ 左右，以防結露 （見表 1）。
圖 5 冷塔 + 水冷冷機 + 板換系統示意圖
系統根據室外溫度變化分成兩種模式：
模式一：室外溫度較低，無需冷機開啟，僅憑冷塔 + 板換即可滿足制冷要求。
模式二：冷塔出水水溫高于 CDU 需求，需要機械降溫補冷，形成冷塔 + 冷機的組合形式。
- 方案二：風冷冷水機組
風冷冷水機組將冷凝器、水泵、壓縮機等部件合成整體，且通常配置干冷器 （免費冷源模塊），集成度高 （見圖 6）；但是無法利用水的蒸發潛熱，系統能效低，適合系統偏小環境以及缺水地區。
圖 6 風冷冷水機組示意圖
使用模式與場景 1 相近，也具備兩種模式：
模式一：室外溫度較低，無需冷機開啟，僅憑免費冷源模塊即可滿足制冷要求。
模式二：免費冷源模塊無法滿足 CDU 的溫度要求，需要機械降溫補冷，則直接使用風冷冷機形式。
- 方案三：閉式冷卻塔 / 干冷器
對于當地氣溫全年較低，可采用閉式冷塔/干冷器直接供冷 （見圖 7），全年無需機械制冷。
圖 7 閉式冷卻塔/干冷器 液冷系統示意圖
閉式冷塔和干冷器使用模式基本相同，閉式冷卻塔系統仍以蒸發散熱為主，可以輸出更低的溫度，循環系統水質較好，對于 CDU 或者其它換熱設備友好，只是耗水量大。干冷器體積較大，單機制冷量偏小，但容易布置，配置上濕膜，還可以部分使用蒸發冷卻。
該系統也分成兩種模式：
模式 1：干模式，無需通過水蒸發散熱。
模式 2：濕模式，系統需要通過噴水蒸發的潛熱帶走熱量，閉式冷卻塔此時和開式冷卻塔相同。干冷器通過進風口的濕膜初步降溫，再進行二次降溫。
- 方案四：開式冷卻塔
開式冷卻塔制冷模式與閉式冷卻塔完全相同（見圖 8），只是開式冷卻塔水路與大氣相通，水質較差。
圖 8 開式冷卻塔冷卻示意圖
上述方案以液冷側需求為主要考量因素 （見表 2）。冷板液冷機房在實際運轉過程中，液冷系統往往仍然需要配備少量空調使用，以滿足服務器中非液冷部件的散熱需求。
表 2 一次側冷源建議方案
二次側液體回路是指從冷量分配單元到機架，通過供回冷卻工質歧管和 IT 設備連接，然后再通過歧管返回冷量分配單元的設計。來自二次側冷卻回路的熱量通過冷量分配單元的板式熱交換器傳遞到一次側冷卻回路， 最終排放到大氣中或被熱回收再利用。6. 二次側冷板液冷概述
隨著 IT 設備功率密度的增加，需要更高效的冷卻技術來滿足日益增長的算力需求。與傳統的風冷相比，液冷方案提供了更加高效的冷卻效率。而何時轉換到液冷取決于許多不同的因素，例如包括散熱性能需求、電力配備、PUE 要求、IT 設備密度、冷卻成本，以及將來的 IT 設備的性能需求和部署策略等等。另外，是改造現有設施還是重新建造新的數據中心機房, 也需納入 TCO 的考量范圍。
采用液體冷卻的一個直接原因是，傳統的風冷方案已經無法滿足 IT 設備的散熱需求，故而需要新的方案提升冷卻能力。對于 CPU 和 GPU 等高功耗元器件，究竟何時或在何種功率水平下需要液體冷卻，目前尚無通用指南，不能一概而論。但應注意的是，除了成本分析外，還需要了解液冷方案的一些設計考量，比如冷卻回路中的所有浸潤材料與所使用的冷卻工質相容并保持長期可靠性，使用的冷卻工質不能與任何其他冷卻工質混合使用等等。
