高热流密度算力中心液冷技术及能-水协同研究进展

        大模型训练和高性能计算负载正在改变数据中心的功率分布。热设计问题已由传统的机房平均负荷，转变为高功率芯片、内存、供电模块和高速光电互连共同形成的多尺度热点。

        随着高功率器件所需封装至冷却介质热阻持续降低，液冷正由辅助强化措施转变为部分高密度设备的必要散热方式。能源利用效率（PUE）用于表征数据中心设施能源效率，水资源使用效率（WUE）用于表征现场用水强度，不同冷却方案需在一致的年度负载、气象条件和统计范围内进行分析比较。

        液冷数据中心的典型换热架构如图1所示。本文围绕液冷技术的热管理能力、能-水绩效、运行可靠性及设备兼容性对主要液冷技术及其室外排热方式进行综合分析。

液冷技术方案及性能分析

        高热流密度算力中心液冷技术主要包括冷板液冷、单相与两相浸没液冷、喷淋液冷以及热管或泵驱两相循环等。液冷技术评价不能局限于局部换热性能，还应综合考虑芯片结温、系统压降、辅助功耗、故障恢复能力及全寿命可靠性。

冷板液冷

        冷板液冷通过导热界面与芯片封装接触，冷却液在内部通道吸收显热或发生沸腾。该技术保留服务器板卡、维护方式和空气隔离界面，适于存量机房扩容及异构设备共存。其关键环节包括冷板底板与微通道结构、歧管均流、冷却液分配单元（CDU）、快速接头、二次侧水质及设施供回水温度。

单相与两相浸没液冷

        单相浸没将服务器或板卡置于高沸点介电液中，依靠自然对流或泵驱循环带走显热。该方案可覆盖CPU、GPU之外的内存和供电模块，并减少服务器风扇功耗。其性能受冷却液导热系数、比热、黏度、密度及温度依赖性影响，槽体进出口位置、服务器间距和局部导流同样重要。

        两相浸没液冷利用低沸点介电液在器件表面的沸腾潜热传递高热流，蒸气经冷凝器液化后依靠重力回流。与单相系统相比，两相系统在较小温差下具有较高换热能力和较低循环流量潜力。系统实验表明，两相浸没在适宜工况下具有较高的热力性能，但其综合经济性与运行效果取决于冷凝条件和辅助设备能耗。此外，两相系统对成核稳定性、蒸气逸出、冷凝能力、非凝性气体和液位控制更为敏感。

喷淋与泵驱两相循环液冷

        喷淋液冷通过射流或薄液膜定点强化热点，适用于热源高度集中的场景，但喷孔堵塞、局部干涸和较高压降等问题限制其规模化应用。

        泵驱两相双循环系统可由芯片级两相冷板循环与机柜背板循环构成。前者利用制冷剂在冷板内沸腾吸收CPU、GPU的高热流负荷，后者移除内存、电源及其他未被冷板覆盖部件的余热，热量经板式换热器传递至室外冷源。

        表1从传热机制、主要优势、关键制约和工程成熟度等方面对主要液冷技术进行归纳，以便在统一的系统层次上比较各类技术的适用特征。

低水耗排热与能-水协同

        如图1所示，液冷机柜排出的热量仍需经过CDU、设施水环路和室外排热设备释放或利用。若仅评价冷板或浸没槽，无法判定数据中心的PUE与WUE。

        相关系统研究表明，干式排热、湿式强化、机械制冷与余热利用的分级组合有利于降低全年综合能耗与水耗。缺水地区可在少量高温时段采用机械制冷，以降低全年用水量；水资源压力较低且气候干燥的地区则可通过受控蒸发减少制冷用电。不同方案的相对优势取决于逐时气象条件、IT负荷、水资源稀缺程度及电力碳排放强度。主要室外排热方式及对比如表2所示。

蒸发、干湿复合与膜蒸发

        蒸发冷却能够利用空气湿球温度降低冷却水温，其电耗优势通常较明显。干湿复合设备通过控制喷淋启停和风机转速，可在能耗与水耗之间形成可调工作区间。

        膜蒸发冷却利用疏水多孔膜将循环水与空气物理隔离，在膜两侧水蒸气分压力差的驱动下，水分以蒸气形式通过膜孔迁移，并通过相变潜热带走循环水中的热量，其工作原理如图2所示。相较于直接蒸发冷却，该过程避免了循环水与室外空气的直接接触，可显著减少灰尘、微生物及气溶胶对水质的影响，降低因污染和浓缩而产生的排污水量及水处理需求。已有研究表明，合理设计的膜蒸发系统具有降低现场补水量和水资源使用效率（WUE）的潜力，因而可作为水资源紧缺地区协调数据中心排热需求与用水约束的重要技术途径。然而，其节水效果受膜材料孔隙率、疏水稳定性、空气湿度、膜侧压降及水质条件等因素影响。

气候适应性与水资源约束

        室外排热系统的全年性能具有显著的地域差异。干燥地区湿球温度较低，有利于蒸发冷却，但耗水量受高温季持续时间影响；湿热地区蒸发冷却潜力受限，机械制冷需求相应增加；寒冷地区自然冷却时段较长，但需考虑设备防冻和低负荷运行问题。因此单一设计工况难以反映排热系统的全年性能。研究中可采用典型气象年逐时模拟，并结合年度现场监测数据进行校核，综合分析供液温度、干冷器风量、喷淋状态、冷却塔浓缩倍数及机械制冷投入比例对PUE、WUE、峰值用电和峰值补水量的影响。

        水资源短缺地区的排热系统需兼顾能源消耗、现场用水和运行可靠性。提高液冷供液温度、增强干式换热能力、采用夜间蓄冷及限制湿式设备运行时数，均可降低全年补水需求；膜蒸发冷却还可减少循环水污染及排污损失。对于极端高温持续时间较短的地区，可由干式排热承担基础负荷，从而在保障热安全的同时降低全年耗水量。

能耗与水耗的协同优化

        PUE与WUE之间不存在确定的单调关系，其耦合特征受室外气象参数、冷源形式、排热方式及运行控制策略共同影响。提高蒸发冷却投入比例通常可降低冷却水温度并减少压缩机制冷能耗，但同时会增加蒸发补水量。干式排热能够显著降低现场耗水，却可能因高温工况下换热温差减小而引起风机功率和机械制冷能耗上升。因此，液冷数据中心的能源效率与用水效率不宜依据单一设计工况评价，而需结合全年逐时气象数据和IT负荷变化，对PUE、WUE、峰值功率及峰值补水量进行综合分析。相关优化可将年度电耗、现场用水量、运行费用和碳排放量构建为多目标函数，并综合考虑地区电价、水价、供水可靠性、水资源稀缺程度。

        能耗与水耗的协同优化本质上是不同排热模式及其运行参数的动态匹配问题。系统控制需综合考虑室外干球温度、湿球温度、IT负荷、设施供回液温度、设备部分负荷效率及水资源约束，协调干式冷却、蒸发冷却、膜蒸发冷却和机械制冷的运行比例。膜蒸发冷却可作为干式排热与传统蒸发冷却之间的补充方式，在降低循环水污染及非蒸发性水损失的同时提供一定的蒸发冷却能力，因此具有重要的应用前景。基于气象与负荷预测的模型预测控制可提前调整供液温度、泵速、风机转速及湿式冷却投入程度，并在传感器异常、通信中断或模型偏差增大时切换至安全控制模式。通过全年连续计量与模型校正，可获得不同控制策略下PUE与WUE的变化规律，为液冷数据中心PUE与WUE的联合评价提供依据。

结论

        液冷系统的能源与水资源利用水平取决于芯片捕热、冷却液输配、室外排热等环节的协同。提高供回液温度并采用干式优先、湿式调节的复合排热方式，可扩大自然冷却时段并改善PUE与WUE，膜蒸发冷却在降低循环水污染、排污损失和现场补水量方面具有应用潜力。现有研究在评价方法、年度实测及跨气候区验证方面尚不充分，后续研究可围绕统一能水统计方法、关键部件寿命评价和多工况连续测试展开，并结合气象与IT负荷预测优化系统运行参数，为不同气候和资源条件下液冷系统的技术选择与运行调控提供依据。