关于数据中心液冷技术应用现状和趋势研究

摘要：在当前数据中心建设中，液冷技术因为具有节能减排、高散热密度等技术优势而得到广泛推广，对于实现数据中心绿色节能生产的意义重大。在本次研究中，本文针对数据中心液冷技术的应用现状展开分析，包括间接液体冷却与直接液体冷却两个部分，之后对该技术的未来发展趋势进行展望，提出了相关技术应用中存在的问题以及促进技术革新的发展方向，希望以此能够为推动技术变革提供支持。

关键词：数据中心;液冷技术;节能效率

根据相关调查显示，截至2020年，全球信息与通信技术行业的温室气体排放量占温室气体总量的6%左右，且预计到2030年，可能达到全球温室气体排放的20%。当前，温室气体对地球环境造成的负面影响已不容忽视，所以为了能够更好地解决这一问题，需要寻找一种可以进一步降低行业温室气体排放的方法，而液冷技术的出现则充分满足了上述要求。因此为了进一步发挥液冷技术的优势，则应该了解该技术的现状及未来发展趋势，这也是本文研究的主要目的。

一、数据中心液冷技术应用现状

（一）背景概述

随着各种高性能芯片的发展，导致数据中心热流密度明显升高，而温度的提升本身可能对电子器件的正常运行产生影响，而电子器件失效的主要原因就是温度过高，尤其是当温度超过85℃时，将会造成芯片等部件破坏[1]。目前数据中心在运行过程中，通常按照《数据中心设计规范》当中关于环境规范的相关标准，期间为维持整个数据中心的平稳运行，则需要严格控制温度、湿度等关键数据，并且因为功能的特殊性，数据中心空调系统必须要时刻关注内部的温度变化情况，通过全天候运行来严格控制温度与湿度。目前各地区数据中心已经建成了功能完整的CRAC（机房空调），并通过该装置控制空间中的温湿度变化。但是因为功能的特殊性，传统的空调系统一直存在功耗大的问题，在采用机械蒸汽压缩冷却的技术后，空调系统的能耗问题为得到有效解决。而随着数据中心业务量不断增加，导致冷负荷密度提升，传统空调系统也面临散热不足、能耗严重的问题，主要表现为以下几方面：1.冷却系统的能耗高。在传统的空调系统中使用压缩机械冷却的方法，该方法虽然运行稳定，但是运行过程中所产生的能耗不容忽视，尤其在低纬度地区，更是PUE过高的主要根因，已经不符合《关于加强绿色数据中心建设指导意见》中的相关标准。2.空气换热系数偏低，当前空调系统的散热能力不足，导致在某些运行频率较高的设备运行中出现了散热效果不佳的情况。3.冷源与热源的距离远，因此为确保冷却效果则需要增设更多的送风通道，所以随着相关设备数量的增加，导致制冷系统过于复杂，这也增加了系统运行负担。因此针对传统空调系统的不足，相关学者开始对空调技术模式进行探索与创新，并通过一系列冷风替代技术来解决高能耗问题，液冷技术则是其中的代表，从技术特性来看，该技术可以专门针对散热部位做冷却，确保快速降温的同时也能减少系统能耗，具有优势。同时冷却液的技术手段也在不断完善与发展之中，例如相关学者所研发的浸没式冷却技术则可以显著提升冷却效果，实现了冷却技术的变革，根据其技术特征，可将其划分为直接液体冷却和间接液体冷却两种。

（二）间接液体冷却技术

1.技术特征

间接冷却技术的主要特征是采用一系列间接接触的方法实现冷却，通过液冷散热器来实现温控目标;在具体实施阶段，可通过微通道散热器来强化简介散热器的性能，在进行改进后整个系统的传热性能满意，技术优势显著[2]。为实现有效散热的目标，简介液体冷却技术主要是依托其物理性能实现散热目标，所以在该系统运行中能够通过调整空气流速以及冷却剂的温度来实现降温，减少损耗。同时因为机柜、服务器级管道系统的存在，整个空调系统的通用性下降，所以针对该问题，液冷技术冷却系统也能按照相应的设备布设方法与服务器运行要求做出调整。

2.冷板冷却技术

根据冷却的发生可将该技术细分为单向冷板冷却与两相冷板冷。从技术应用来看，冷板技术的应用时间较早，具有成熟。而近些年快速兴起的两相冷却冷板技术则是在技术手段上进行创新，与传统技术相比，该技术可依托低沸点冷却剂，在经过一系列物理反应后可以吸收服务器运行过程中所产生的热量，与传统技术相比，该技术具有更大的传热速率，且加热表面与冷却液之间的温度梯度水平下降，冷却液在相变之后可以改变传统的散热热流密度，最终达到降温效果。但是该方法也存在一定的不足，包括冷却液流动的不稳定性、运行过程中可能造成的流动逆转等问题，而上述故障的出现可能造成受热表面温度快速提升而引发烧毁现象。所以为了解决该问题，相关学者在冷却板冷却技术优化过程中重点开发了强化散热技术，可以为芯片级设计高效多孔介质和微通道散热器，在改进后数据中心的PUE仅为1.17-1.30，符合相关标准[3]。

3.热管冷却技术

热管冷却技术的关键点是在不需要外部能量的情况下，持续以较小的温度差传递热量，所以与其他技术相比，热管冷却技术的能源利用效率更高，且基本不会影响室内环境，尤其是满足空调系统压缩集成的技术要求。目前热管化热器普遍具有良好的控温特性，可以在不進行外部能量传递的情况下维持较低温差导热，所以该技术可以通过天然冷却控制温度。从技术应用现状来看，相关学者将该技术用于GPU、CPU等高温热点器件的冷却处理中，并且因为该系统中几乎不需要添加运动部件，所以可以保证系统的稳定性[4]。

（三）直接液体冷却技术

1.喷雾冷却技术

喷雾冷却技术具有控温响应速度快、散热能力强等优点，从应用现状可以发现，该技术的换热系数范围更高。目前该技术的冷却过程包括：准备液体之后，经通道进入喷嘴，在喷嘴的分割下可实现快速雾化进而分解成无数微小的液滴，之后经喷嘴喷出液滴之后可以均匀分布在发热表面上，在这个过程中液滴所产生的击打作用以及蒸发等物理作用可以将发热面的热量带走。现阶段较为常见的喷雾冷却技术普遍采用了倾斜气体辅助喷嘴，在运行期间可以根据服务器区域的面积妥善布设数量不等的喷嘴。该技术现在已经被应用于超级计算机的冷却上，且在数据中心中也有广阔的应用前景。

2.喷淋冷却技术

通过该技术能够打造一个温度边界层，该边界层不仅能够隔离受热表面与环境，也能不断吸收表面发散的热度;并且因为该边界层中的水流速度较快，因此可以快速带走热量。从技术原理来看，喷淋冷却技术与喷雾冷却技术类似，但在应用过程中相关人员还需要重点考虑到密封蒸汽室、两相冷却剂流动等方面的要求。如广州某企业在采用喷淋冷却技术之后，其PUE被控制在1.05-1.10之间，证明该技术具有可行性。

3.单相浸没式冷却技术

该技术的关键点就是可以将服务器直接放置在冷却液体中进行冷却，利用冷却液直接吸收热量，具有温控效果好的优点。所以在应用该冷却方法时，应重点考虑到杂质对降温效果的影响，针对杂质进行处置之后才能用于装置的冷却处理中。在该技术的末端系统建设期间，通常会增设干冷塔或者水冷塔等装置，通过上述装置可以实现温水的自然冷却，并且将数据中心所产生的热量快速发散到空气中，所以具有理想的散热效果。同时该技术也支持热量加工与循环利用的要求，例如通过搭设余热利用回收系统可以回收冷却温水中的热量。从技术应用现状来看，该技术常见的冷却液包括白油、合成介质冷却剂等，并且相关人员可以根据温控要求选择开放式的冷却系统与密闭式的冷却系统等。而根据相关学者的研究可知，在单相浸没式冷却技术中，通过将服务器完全浸泡在冷却液中，相关人员可以根据具体要求改进服务器的架设密度、系统的冷却能力等，在技术上具有很强的适用性。同时从成本管理的角度来看，因为该系统不需要布设冷水机组、活动地板等装置，所以有助于进一步控制总成本。从应用经验来看，某超级计算机采用了单相浸没式冷却系统之后，在温控过程中约节省了50%的总能源成本，因此该系统预计运行3年的时间即可完全收回单相浸没式冷却技术的投入成本;同时在该液冷技术投入使用之后，数据中心的PUE最高值为1.08，各项指标符合技术要求。

4.两相浸没式冷却技术

浸没式冷却技术的另一常见方式就是采用两相浸没式冷却技术，该技术主要利用浸没冷却沸点低时所出现的一系列物理现象而达到温控目的，如沸腾相变之后的沸腾过程会通过潜热吸收热量，进而快速降低数据中心的温度。该技术中液体会随着温度的升高快速吸热最终沸腾，所以该技术中涉及重力驱动、潜热传递等一系列的物理变化过程。从技术应用来看，该技术的显著优点就是无须设置冷却服务管道系统、连接器等装置，因此整个系统的维修难度小，方便后期运营维护。同时因为该系统不需要设置专门的芯片级冷却泵，因此整个系统的稳定性会有显著提升。同时，两相浸没式冷却技术的最终冷却效果与热源表面的粗糙度、冷却液的各项性能参数等因素有关，例如常用的热源表面结构复杂，包括多孔结构、颗粒结构、纳米颗粒结构、翅片列阵结构等，在采用两相浸没式冷却技术时，该技术所使用的低沸点氟化液可在较低温度下发生沸腾，促进热量排除。应用效果显示，在采用两相浸没式冷却技术之后，数据中心的PUE为1.05左右，且节能结果更理想。

二、数据中心液冷技术的发展趋势研究

（一）数据中心液冷技术的发展现状

我国数据中心的耗电量处于较高水平，2020年全年的用电规模已经突破700亿千瓦时，并且呈现快速增长的趋势，若在未来能够全面推广液冷技术，可以实现数据中心更加节能的运行，对于我国如期实现2030年碳达峰、2060年碳中和的战略目标具有重大的意义。从现状来看，我国大范围推广液冷技术的数据中心占比较低，造成这一现象的原因主要包括：1.高昂的成本。数据中心液冷技术的不同技术路线之间存在较大的数据差异，再加之我国液冷技术的产业化发展水平较低，导致整个行业并未实现产业化生产，单个零部件的生产与采购成本偏高，导致相关企业只能花费更多的资金进行采购，这无疑会影响液冷技术的推广效果。2.设计成本偏高。目前我国并未完全制定数据中心液冷技术的相关技术标准与规范，因此用户在建设具备液冷技术的数据中心时，只能全面委托液冷技术专业团队进行数据中心的设计与建设，这种现象无疑会增加总成本。3.通用性不足。液冷服务器本身需要特殊定制，且各生产厂商之间目前存在一些排他性，因此用户在实际使用过程中，普遍存在一定的适应性问题。因此通过上述相关研究可以发现，当前液冷技术的高成本问题成为限制其进一步推广的重要原因，所以该技术更多只能以定制化的形式在数据中心进行小范围、小规模的应用，这是未来发展中不容忽视的问题。

（二）发展趋势分析

1.液冷技术应用规模扩大

为了能够更好地适应数据中心发展，并且落实国家双碳战略，有关液冷技术的数据中心设计规范将会陆续出台，这对于下游的厂家而言，随着相关规章制度的不断完善，可以破除制约整个行业发展的枷锁，可以更好地参与到市场竞争中并为更多的数据中心提供针对性的液冷技术支持方案。同时，随着整个行业服务模式的变革，在一对多液冷技术服务模式下，能够进一步解决相关技术方案的推广效率偏低问题，有助于企业快速开拓市场，具有深远影响。同时在行业内部而言，随着企业参与市场竞争的经验增加，会促进各种行业标准与技术规范的出台，促使企业能够从自身积累的经验入手，进一步总结成功经验，进而更好的保证液冷技术的应用路径。

2.能够促进行业的良性竞争

伴随着相关液冷技术的发展与完善，在行业内已经聚集了国内外发展相对成熟的液冷技术解决方案。所以从整个行业技术发展趋势来看，未来相关厂家可以在编制行业标准的过程中形成相互借鉴、相互合作的良好机会，在坚持互利合作的基础上，重点解决容易混淆的概念、解决方案的称谓等方面问题，通过理顺相关逻辑，获取其他解决方案厂家的认可，推动形成一个相对有序的市场环境、形成共同发展的局面，最终引导整个行业的技术变革，这对于推动数据中心发展将会产生有益的促进作用。

3.技术措施会更加完善

因为液冷技术的运维模式与传统风冷技术相比存在较大差异，所以在运用该技术之后可能会进一步增加整个项目的运维成本。所以为了能够有效解决这一问题，需要各个配件生产厂家能够做好合作与技术控制，在为各个厂家提供必要的技术支持与调试规范说明之后，坚持从标准化生产作业流程入手开展工作。

同时相关人员也要做好液冷技术的验证管理，在确保技术可行性的基础上，能够联合服务商、设备商、企业等各方能力，坚持从设备可行性、节能可靠性等相关角度入手展开评估，坚持根据试点工程项目的实践经验判断液冷技术的实施效果，最终能够在保证技术可行性的基础上顺应未来数据中心推广要求。

4.技术的进一步探索

为了能够确保液冷技术的可操作性以及总成本控制，未来需要从技术应用需求角度入手来吸引更多企业参与到产业链中，最终降低液冷技术的总运行成本，推动相关技术的发展成熟，并将其作为促进技术发展的增长点。同时在技术发展中需要工作人员能够加快构建各设备与部件的统一技术标准，在坚持加快产业链融合的基础上，确定行业内相关技术的边界以及技术要求，最终实现液冷技术行业的经济效益与社会效益、环境效益的统一。

三、結束语

数据中心液冷技术的出现可以显著降低数据中心运行中出现的能源消耗，在技术上具有可行性，并且技术的应用结果也证实，该技术的出现能够降低能耗，与传统技术相比，其优势明显，例如液冷冷却可以强化余热再利用等，相关技术进一步降低能耗和减少二氧化碳排放。因此对于工作人员而言，在未来工作中必须要深入了解液冷技术的技术要点与操作方法，这样才能顺应整个行业发展要求，值得关注。

参  考  文  献

[1]杨辰，李俊山.基于模块化数据中心的低碳化技术分析[J].信息技术与标准化，2021（12）：55-58.

[2]庄泽岩，孙聪，张琦，等.冷板式液冷技术与应用现状分析[J].通信管理与技术，2021（03）：27-30.

[3]冯帅，王国岩，何嘉俊，等.浸没式交换机液冷技术仿真与实验[J].制冷学报，2021，42（03）：135-144.

[4]韩冰冰.数据中心液冷技术发展现状[J].智能建筑，2020（08）：73-76.

作者单位：李云飞   中国电信股份有限公司深圳分公司

李云飞（1988.05-），男，汉族，安徽蚌埠，研究生，通信工程师（中级），研究方向：数据中心，云计算。