液冷那些事｜第一期：风冷 OR 液冷？

文/严瀚（奕焯）

忽如一夜春风来，液冷成为了炙手可热的行业关键词。随着数据中心产业建设日趋成熟，传统方案无法实现PUE1.3以下的减碳目标已成为行业共识。在数据中心节能降碳政策的大力推广下，各地对数据中心PUE的管控也愈发严格。以东数西算工程为代表的项目，要求北方地区实现PUE1.2，南方PUE1.25，如何实现？风冷？还是液冷？

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什么是液冷？

随着全球信息化的高速发展，数字经济占GDP的比重持续攀升，据最新研究表明，我国的这一比值已经达到38.6%。在云计算助力数字经济快速增长的背后，数据中心能耗急剧增长问题同样不容忽视。如何实现数据中心节能降耗，已经成为整个行业乃至政府关注的焦点。

传统服务器的冷却方式是通过空气进行换热，该技术方案很好的将IT设备与冷却设备进行了解耦，从而使得制冷系统形式能够实现多样化，但由于空气比热容较小，体积流量受服务器进风口大小限制，换热能力有限。自然而然，为了提高换热效率，采用更高比热容的换热介质、更大接触换热面积的、更大的换热体积流量的方案就成为了提高制冷效率的必然选择。从这三方面考虑，采用全面浸没的换热方式显然具有更高的换热效率，从而可以实现更好的节能效果。因此，液冷技术就顺其自然的进入了数据中心领域。

顾名思义，液冷就是采用冷却液体接触热源进行冷却的方式。其中，又因为冷却液和服务器接触换热方式的不同而分为浸没式、冷板式和喷淋式这几类。

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什么是浸没式液冷？

基于换热的原理，换热量的大小由有效换热面积、表面流速、换热对数温差所决定，因此在其他条件相差不大的情况下，浸没式液冷接触换热面积较大，对于表面流速（速度越高泵功率越大）、换热对数温差要求（要求更大的换热器）方面都会有明显优势。

图1 浸没式液冷系统原理图

浸没式液冷就是将IT设备完全浸没在冷却液体里实现散热的技术。如图1所示，浸没式液冷系统结构简单，省掉了压缩机等制冷系统核心部件，省去了原来水冷风冷系统中两次空气与水交换的过程，且系统采用液体充分接触交换的方式，因此很容易实现单机柜100kW 的换热，并实现较低功耗（换热量大，因此需求的流速低，泵功耗低），冷却部分PUE可达1.04。

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什么是冷板式液冷？

冷板式液冷的技术原理是将换热器就近直接贴合发热部件放置就近散热。为了提高换热能力，需要尽可能增大换热面积，必须要尽可能将板式换热器平整的贴合在热源表面，异形的设备很难采用这种换热形式。因此只有形状比较规则的芯片才适合采用冷板换热，这也就造成了冷板方案的一大问题-服务器中其余的存储、内存、电源等占服务器整体30%的热量，依然需要采用传统风冷IT的方案去实现。

图2 冷板服务器方案系统原理图

如图2所示，由于冷板散热特点，这就导致应用冷板方案必须同时叠加两套制冷系统，成本和实际系统PUE都会有所上升。服务器内部液冷循环为单环路，无冗余，可靠性比液冷2N CDU冗余设计低一个等级。此外，以数据中心12年使用期为例，采用冷板液冷服务器内置冷板每次都需更换适配下一代CPU的冷板，因此每次迭代都会有2到3次重复投资。这些都使得冷板系统更加复杂，TCO相对较高。

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什么是风冷？如何区分风冷与液冷？

很多人会把传统意义上的风冷和液冷所对应的“风冷”概念相互混淆。其实，传统上所谓的风冷和水冷，指的是数据中心制冷系统的室外侧冷却方式。其中传统上默认的服务器冷却方式都是空气冷却（风冷）；而液冷相对所说的风冷，指的是室内侧服务器的冷却散热方式，这二者完全是指的两个不同部分的换热形式。因此，可以参考冷水主机关于室内侧和室外侧换热整合的说法进行命名。按照数据中心室外侧散热方式+室内侧服务器换热方式的完整命名方式划分，可分为四种类型，其分类方式应该按照如图3所示两两组合：

图3 风冷与水冷场景定义

由此我们可以得到更为全面的室外侧+室内侧的冷却类型分类命名方法：分别是全风冷（代表：传统DX系统精密空调）、风冷液冷（液冷+干冷器/风冷冷凝器）、水冷风冷（代表：水冷冷冻水系统）和水冷液冷（液冷+冷却塔）四种形式。

由此我们可以看到，液冷和传统上数据中心所说的“风冷”并不是同一维度的事物，我们需要将室内外两侧区分开来看待，液冷同样具有多种的换热形式，可以实现完全不消耗水的空气冷却方案，也可以称之为风冷液冷或无水液冷。

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什么是风液共存？

既然有风冷、液冷之分，那么，在同一个数据中心，是否可以同时使用这两种技术呢？有无冲突与矛盾？实践证明，完全可以做到“风液”共存。

风液共存，有两种含义。同样的从室内侧和室外侧的散热方式上来理解，都有风液共存的场景和意义。

从室内侧来理解，风液共存即指，在同一个数据中心，服务器既可以有采用空气冷却的子机房，也可以有用液冷的子机房。为什么要采用这种结构呢？这是由于目前液冷成本还较高，为了平衡初投资和PUE而采用的折中方式。水冷液冷制冷PUE可达1.09，而采用水冷风冷的数据中心PUE往往达到1.4以上，因此这两种方案混布，能够带来成本降低和PUE目标达成。如图4，在风液混布的数据中心，风冷和液冷分别处于不同的子机房，互相之间独立无干扰。

图4 风液混布数据中心架构示意图

从目前国家东数西算数据中心普遍的管控政策看来，北方地区PUE1.2，南方地区1.25，可以满足未来三年规划数据中心的节能需求。因此可以根据不同地区的需要来选择风液混布的比例。

从室外侧来理解，风液混布也具有典型意义。在传统IDC建设之中，室外侧冷却是采用风冷冷却还是水冷蒸发冷却一直存在着广泛的争议。

从效率角度看

水蒸发换热具有无可比拟的优势，而且由于水价的低廉，用水成本在数据中心的比例远远低于用电成本，这二种成本相差一个数量级以上，因此传统建设者普遍不关注耗水量的问题；

从节水角度看

我国北方普遍缺水，华北地区地下水已经达到每年入不敷出的境地。数月之前，乌兰察布政府发布了新的政策，全面禁止大数据企业使用地下水资源，包括已建成的均需要限期进行改造为风冷。

可以说，未来数据中心，尤其是北方地区的数据中心，将面临着无水可用或者用水成本大幅上升（水处理成本/水价跃升的成本）的困境。

在传统建设模式中，这两种冷却方式由于蒸发效率在换热效果的巨大优势而失去了平衡。但是在液冷出现后，由于水冷液冷pPUE可达1.04，而风冷液冷同样可以实现pPUE1.05，蒸发换热带来的效率提升已经微乎其微，基于此，在未来的液冷项目中，我们完全可以采用不耗水的干冷器或风冷冷凝器来构筑无水液冷方案，并且辅助以蒸发喷淋的功能，使得在有充足水源，或者水价相对电价更有优势的区域采用辅助蒸发，提升系统效率，降低TCO，实现更加经济的运行，实现风与液冷的灵活调度，共同工作。

所以，不管是从室内侧还是室外侧，风液混布都更加符合实际需要。不管是考虑成本与效率，还是能源限制与环境保护，风液混布的设计方案都是更加平衡的可持续发展之道。

为什么要使用浸没式液冷？

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