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雙碳”趨勢下，零碳數據中心如何打造，要重點考慮"電從哪里來？熱到哪里去?"（三）

發布時間：2024-12-16

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三、液冷技術方案的應用

創新技術是推動數據中心節能減碳的核心動力、制冷方式的革新、設計建設方式的優化。在數據中心領域，服務器的數量決定了整個數據中心的業務處理能力，而中大型數據中心服務器都是以數千臺來計算，按照一個機架放置10臺服務器，大型數據中心就需要數百個機架。這樣巨量的服務器設備同時運轉，按照每臺運行功率300W來計算，一萬臺就要3兆瓦，所以如果每臺服務器都能節省一點能耗，一萬臺服務器節省的能耗就非常可觀。因此有不少的專家從服務器入手，在服務器上下功夫，在不降低服務器運行性能的前提下，盡量降低運行的能耗和改善服務器的運行環境，在這樣的迫切需求情況下，更加高效的系列液冷方案就應運而生。液冷的冷卻能力遠遠高于傳統風冷的冷卻能力，同體積的空氣和水相比，比如1個立方的水和空氣，在常溫下溫度變化1℃時，空氣的傳熱大約是1.3千焦, 而水的傳熱大約是4200千焦，可見水的傳熱能力超過空氣的3000倍多。

目前，我國液冷數據中心還處于快速發展階段，但已經部分大型企業和機構開始嘗試部署液冷技術，如阿里巴巴、騰訊、華為等公司都在新建或改造部分數據中心為液冷數據中心。此外，還有一些創業公司也在液冷領域進行探索和實踐，如云酷智能、綠色云圖、依米康、海悟、申菱等。

目前液冷技術主要有三大類，分別是噴淋式液冷、浸沒式液冷、冷板式液冷，其示意原理圖如下：

1. 噴淋式液冷：將冷卻液通過噴淋的方式淋在服務器的散熱元件上帶走服務器產生的熱量。

2. 浸沒式液冷：將服務器的發熱元器件完全浸沒在冷卻液中，通過冷卻液的對流或相變將服務器的熱量帶走的散熱系統。根據目前主流氟化液的單相換熱能力是同體積空氣換熱能力的1200倍以上。如果采用相變浸沒式，氟化液的相變換熱能力是同體積空氣換熱能力的10000倍以上。

3. 冷板式液冷：在服務器的CPU等大功耗部件采用液冷冷板散熱，其他少量發熱器件（如硬盤、接口卡等）仍采用風冷散熱系統。冷板液冷優點是對現有機房的架構影響不大，采用水的散熱能力是同體積空氣散熱能力的3200倍，而且具備低噪音、空間利用率高、熱能可回收的特點。

其中，冷板式液冷技術開發較早，是目前成熟度最高、行業布局最多、應用最廣泛的液冷散熱方案，根據CCID前瞻產業研究院的調研數據，2022年我國液冷市場規模約為600億元左右，其中冷板液冷的市場份額約占65%，浸沒式液冷約占34%，2023年我國液冷市場規模將增至800億元，到2025年我國液冷市場規模預計將達到1300億元左右。

2018年，阿里建設了大型浸沒液冷張北數據中心，該數據中心是阿里云首個應用全浸沒式液冷服務器的數據中心，與傳統制冷系統相比，熱傳導效率要高百倍，節能效果超過70%。阿里張北液冷數據中心不僅在技術上具有創新和領先優勢，同時也注重環保和節能。該數據中心采用自然冷卻等先進節能技術，可將電能利用效率（PUE）控制在1.25以內，最低可達1.13。

浸沒液冷技術的優勢不僅在于導熱散熱，還能夠容納更多IT設備，提高了計算能力。阿里張北液冷數據中心功耗密度達到60千瓦，將計算密度提升了10倍。同時，液冷機柜具有高密封性特點，使得電子元器件遠離濕度、灰塵、振動的影響，提升了設備的穩定性、降低了故障發生率。阿里張北液冷機房運行3年來，與同等規模的其他機房相比，故障發生率降低了54%。基于阿里對張北液冷數據中心的經驗，2020年阿里又在杭州建設了中國首座綠色等級達5A級的液冷數據中心—阿里杭州仁和液冷數據中心，該數據中心整棟樓采用了全浸沒液冷服務器。由于大規模使用全浸沒液冷服務器技術，使得整體PUE值為1.09，達到目前世界最領先水平。

2023年6月5日，移動、聯通、電信三大運營商在第31屆中國國際信息通信展覽會“算力創新發展高峰論壇”上發布了《電信運營商液冷技術白皮書》，白皮書分析了數據中心目前面臨的形勢和液冷技術發展現狀，介紹了電信運營商液冷技術實踐和目前的發展挑戰，提出電信運營商液冷技術發展三年愿景和具體技術路線，對冷板式和浸沒式液冷兩種型式關鍵技術選擇做了介紹。總體來看，冷板式液冷與單相浸沒式液冷各有優劣，生態均需完善，兩者演進均尚需時日，未來一定時間內將并存發展，為當前業內發展主流。綜上，電信運營商現階段主要推進冷板式液冷與單相浸沒式液冷兩種技術路線，詳細如下：

根據《電信運營商液冷技術白皮書》，預計到2025年50%以上數據中心項目將應用液冷技術。互聯網行業液冷數據中心占比達24.0%，金融行業占比達25.0%、電信行業占比達23.0%、能源行業占比達10.5%，生物、醫療和政務等行業需求將加快融入通用數據中心新業態。

液冷技術的出現，不但為“雙碳”戰略做出了貢獻，同時也推動了數據中心節能新技術的落地，改善了傳統風冷的散熱形式，更能滿足高密機柜、芯片級精確制冷、更節能、更節地、更低噪聲。

液冷方案在實際數據中心場景應用中，結合不同的產品制定了場景化的解決方案，例如海悟的場景化液冷解決方案，分別是：

場景一：采用冷板式液冷，配合集中式CDU解決方案，該方案最大支持的功率密度為50～80kW，整體液冷方案年平均PUE可以做到1.2及以下。

場景二：此方案采用冷板式液冷，配合分布式CDU方案，該方案最大支持功率密度為50～80kW，整體液冷方案年平均PUE同樣可以做到1.2及以下。

場景三：此方案采用單相浸沒式液冷，室外采用干冷器，配合雙機柜式CDU,最大支持功率密度為30～100KW，整體液冷方案年平均PUE可以做到1.1及以下。

目前各液冷設備廠家的方案有所不同，因為液冷技術當前生態不完善，各家產品形態各異，產品規范化程度較低，機柜與服務器深度耦合，尚無統一接口標準，難以標準化、規模化推廣應用。推廣液冷技術，需集思廣益、凝聚共識，完善液冷產業標準化和生態建設、促進液冷技術有序發展，開辟數據中心液冷行業高質量發展道路。

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