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数据中心液冷散热技术及应用

1应用背景（PUE）提出更高要求。

工业和信息化部于2021年7月印发《新型数据中心发展

1.1节能政策驱动

三年行动计划（2021—2023年）》，明确到2023年底，新建

随着数字技术的创新演进，云计算、大数据、人工智能

大型及以上数据中心PUE降低到1.3以下，东数西算枢纽节

（AI）、元宇宙等信息技术和实体经济深度融合，推动数字经

点及寒冷地区力争降低到1.25以下[1]。国家发展改革委在

济持续快速增长。数据中心是数字经济基础设施的底座。数

2021年11月印发《贯彻落实碳达峰碳中和目标要求推动数

据量爆发式增长带动数据中心市场快速增长。数据显示，截

据中心和5G等新型基础设施绿色高质量发展实施方案》，进

至2023年底，中国在用数据中心机架总规模达到810万标准

机架。作为“能耗大户”，数据中心的耗电量不断刷新纪录，一步明确“到2025年，新建大型、超大型数据中心PUE降

数据中心的总用电量约占全社会用电量3%。在可持续发展、到1.3以下，国家枢纽节点降至1.25以下”[2]。东数西算工

“碳达峰、碳中和”、新型数据中心等政策理念指引下，国家程八大枢纽节点，要求东部地区PUE目标不超过1.25，西部

及地方政府相继出台相关政策，对数据中心电源使用效率地区不超过1.2，能效指标更加严格。

在典型数据中心能耗占比中，制冷系统占比达到24%体替代空气作为冷却介质，将液体直接或间接接触发热器

以上，是数据中心辅助能源中占比最高的部分。因此，降低件，可使散热效率大幅提升，能够有效满足单点、整机柜、

数据中心PUE的关键在于采用更加高效节能的制冷方案。机房的高散热需求。

近年来，为了降低制冷系统电能消耗，业内对机房制冷

技术进行了持续的创新和探索，如间接蒸发冷却、冷板式液2液冷技术分类

冷、浸没式液冷[3]等。其中，间接蒸发技术的PUE可达根据热器件是否与冷却液接触，液冷技术可以分为直接

1.25，液冷技术则利用液体的高导热、高传热特性，在进一接触式和间接接触式两种：直接接触式是指将冷却液体与发

步缩短传热路径的同时充分利用自然冷源，可以实现数据中热器件直接接触散热，这类液体包括单相浸没式液冷、两相

心PUE低至1.1的极佳节能效果。得益于绿色节能优势，近浸没式液冷、喷淋式液冷；间接接触式是指冷却液体不与发

年来液冷技术也成为国家及地方政策明确鼓励采用的重要节热器件直接接触，通过散热器间接散热，这类液体包括单相

能技术，如表1所示。冷板式液冷、两相冷板式液冷。

液冷系统通用架构如图2所示。其中，室外侧包含室外

1.2高散热诉求冷源、一次侧冷却液，室内侧包含冷量分配单元（CDU）、

算力的持续增加促进通信设备性能不断提升，市场主流二次侧冷却液以及液冷机柜。该液冷系统的基本原理是：二

芯片功耗和热流密度也在持续攀升，中央处理器（CPU）散次侧冷却液在机柜内吸收设备热量，并通过CDU内的换热

热设计功耗已达350~500W。AI技术的快速发展推动图形处器将热量传递给一次侧冷却