液冷技术发展背景、技术趋势、用户需求及类型介绍

当前城轨数据中心单位空间所产生的热量，伴随着芯片、服务器设备功耗的持续增 长而不断提升，也使得单机柜功率密度越来越高，传统的风冷已无法满足数据中心散热的 及时性要求，亟需探索液冷技术在城轨数据中心的落地应用。

1. 政策背景

随着新基建、东数西算国家战略的持续赋能，新型数据中心建设迎来新机遇，成为我国数 字经济高质量发展的关键基础设施。2020年9月习近平总书记在第75届联合国大会上提出了我 国“二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和”的目标，在此背 景下国家相继发布了《信息通信行业绿色低碳发展行动计划（2022-2025年）》、《工业能效 提升行动计划》等系列文件，明确提出数据中心绿色可持续发展的行动计划，因此面向双碳， 亟需顺应绿色节能、低碳可持续的发展趋势，探索新型绿色数据中心高质量发展路径，助力 “3060”目标的实现。

中国城市轨道交通协会在2022年8月发布了《中国城市轨道交通绿色城轨发展行动方 案》，方案提到以“绿色转型为主线，清洁能源为方向，节能降碳为重点，智慧赋能，创新驱 动，开展六大绿色城轨行动，实现碳达峰碳中和，建设绿色城轨”为总体思路，在建设绿色城 轨过程中实现碳达峰碳中和，在实现碳达峰碳中和过程中建设绿色城轨，统筹铺画设计 “1-6-6-1-N”的绿色城轨发展的“一张蓝图”；重点实施“绿色规划先行行动、节能降碳增效 行动、出行占比提升行动、绿色能源替代行动、绿色装备制造行动、全面绿色转型行动”的六 大绿色城轨行动；制定实施“提高思想站位、创新体制机制、压实各方责任、引导试点示范、 多策并举发力、建立标准评价体系”的六项保障措施；精心打造一批绿色城轨示范工程，引导 企业编制实施“N个企业绿色城轨发展实施方案”，确保如期实现碳达峰碳中和目标，建成绿 色城轨。 随着双碳战略的纵深推进，各地城市轨道交通近期密集发布系列绿色低碳政策，进一步明 确了数据中心的能效要求，推动数据中心绿色、高质量、加速发展。

2. 技术趋势

随着AIGC等人工智能、大数据技术浪潮的来袭，服务器设备算力与功耗持续增长，数据 中心单位空间所产生的热量也随之提升。如上图所示，服务器CPU的TDP（热设计功耗）已经 接近500W，而GPU功耗更是达到700W，在提供强大算力的同时也对散热造成了极大困扰，散 热能力不足则意味着设备一来无法达到正常的运行状态、发挥最佳性能，二来会对设备稳定性 造成极大影响，此外为保证散热效果，往往会降低机柜内的设备部署密度，从而对机柜和机房 的空间造成极大浪费；换而言之，一旦能有效解决目前高能耗设备的散热瓶颈，就能充分释放 算力，提升机房效率。

液冷散热是利用液体介质的高换热系数、大比热容，通过液体对流、换热，将电子器件产 生的热量带走，从而降低器件的温度，防止高温条件下的电子器件失效或快速老化，让电子设 备发挥出最佳性能。与风冷相比，液冷的优势明显，冷却效率更高，同体积的传热介质，冷却 剂传递热量的速度是空气的数倍，冷却液传热次数更少，容量衰减更小，可更有效降低CPU、 GPU等关键组件的运行温度及性能损失，因此液冷技术凭借其支持高功耗芯片、实现高密度部 署、节约电费、减少碳排放等优势，成为新型数据中心建设的重要选择。

3. 用户需求

当前各一二线城市轨道交通已完成城轨云平台的建设工作，其他城市也纷纷进行城轨云的 建设，城轨云建设通常会采用设备集中的方式，以提高设备的利用率和生产效率，这对数据中 心机房的散热能力提出了较高的要求；另外随着城轨智能化发展，越来越多的领域和业务场景 都需要较高的计算和处理能力，城轨行业客户也在不断探索和应用GPU等异构计算技术，导致 城轨数据中心整体能耗不断上升，越来越多的客户都在探索新的数据中心散热技术以发展绿色 城轨建设。

4.液冷技术介绍

液冷是一种用液体来冷却电子设备的散热技术。液冷的工作原理是以液体作为冷媒，利用 液体的高热容和高热传导性能，通过液体流动将IT设备的内部元器件产生的热量传递到设备 外，使IT设备的发热器件得到冷却，以保证IT设备在安全温度范围内运行。根据冷却液与发热 器件的接触方式不同，可以分为间接液冷和直接液冷。间接液冷是指服务器热源与冷却液之间 没有直接接触的换热过程，以冷板式液冷技术为主。直接液冷是指将发热部件与冷却液直接接 触的冷却方式，包括浸没式和喷淋式液冷技术。其中又可以根据冷却液是否会发生液态到气态 的转变，将浸没式液冷分为单相浸没式液冷和双相浸没式液冷。当前，冷板式液冷和浸没式液 冷为液冷的主要形式。

液冷系统通用架构包括室外侧和室内侧两部分：室外侧包含冷却塔、一次侧管网、一次侧 冷却液；室内侧包含CDU、液冷机柜、ICT设备、二次侧管网和二次侧冷却液。室外侧为外部 冷源，通常为室外的冷水机组、冷却塔或干冷器，热量转移主要通过水温的升降实现；室内侧 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中的板式换热器发生间壁式换热。

冷板式液冷

冷板式液冷属于间接液冷，冷却液不与服务器芯片直接接触。冷板式液冷也被称作芯片级 液冷，技术原理是通过在服务器组件（如CPU、GPU等高发热部件）上安装液冷板（通常为铜 铝等导热金属构成的封闭腔体），服务器组件通过导热部件将热量传导到液冷板上，然后利用 液冷板内部的液体循环将热量传递到远离服务器的散热单元；同时一般会增设风冷单元为低发 热元件进行散热。 冷板式液冷系统主要由冷却塔、CDU、一次侧&二次侧液冷管路、冷却介质、液冷机柜组 成；其中液冷机柜内包含液冷板、设备内液冷管路、流体连接器、分液器等。

浸没式液冷

浸没式液冷属于直接液冷，将发热器件浸没在冷却液中进行热交换，依靠冷却液流动循环 带走热量。 浸没式液冷系统室外侧包含冷却塔、一次侧管网、一次侧冷却液；室内侧包含CDU、浸没 腔体、IT设备、二次侧管网和二次侧冷却液。使用过程中IT设备完全浸没在二次侧冷却液中， 因此二次侧循环冷却液需要采用不导电液体，如矿物油、硅油、氟化液等。 浸没式液冷根据冷却液换热过程中是否发生相变，可以进一步分为单相浸没式液冷和双相 浸没式液冷技术。

单相浸没式液冷： 在单相浸没式液冷中，冷却液在热量传递过程中仅发生温度变化，而不存在相态转变。 单相浸没式液冷的技术原理为：CDU循环泵驱动二次侧低温冷却液由浸没腔体底部进入，流 经竖插在浸没腔体中的IT设备时带走发热器件热量；吸收热量升温后的二次侧冷却液由浸没 腔体顶部出口流回CDU；通过CDU内部的板式换热器将吸收的热量传递给一次侧冷却液；吸 热升温后的一次侧冷却液通过外部冷却装置（如冷却塔）将热量排放到大气环境中，完成整 个冷却过程。

双相浸没式液冷： 双相浸没式液冷的不同之处在于冷却液会发生相态转变。双相浸没式液冷的传热路径与单相浸没液冷基本一致，主要差异在于二次侧冷却液仅在浸没腔体内部循环区域，浸没腔体 内顶部为气态区、底部为液态区；IT设备完全浸没在低沸点的液态冷却液中，液态冷却液吸 收设备热量后发生沸腾，汽化产生的高温气态冷却液因密度较小，会逐渐汇聚到浸没腔体顶 部，与安装在顶部的冷凝器发生换热后冷凝为低温液态冷却液，随后在重力作用下回流至腔 体底部，实现对IT设备的散热。

喷淋式液冷

喷淋式液冷属于直接液冷，将冷却液精准喷洒于电子设备器件进行散热。冷却液借助特制 的喷淋板精准喷洒至发热器件或与之相连接的固体导热材料上，并与之进行热交换，吸热后的 冷却液换热后将通过回液管、回液箱等集液装置进行收集并通过循环泵输送至CDU进行下一次 制冷循环。 喷淋式液冷系统主要由冷却塔、CDU、一次侧&二次侧液冷管路、冷却介质和喷淋式液冷 机柜组成；其中喷淋式液冷机柜通常包含管路系统、布液系统、喷淋模块、回液系统等。