下一代数据中心冷却技术：高效与可持续的热管理革命

光芯

发布于 2025-11-26 18:59:47

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本文章搬运自American University in Cairo机械工程系副教授Omar Abdelazizhe报告，Omar Abdelazizhe在能源高效建筑技术、可持续能源利用、替代冷热技术及低全球变暖潜能值制冷剂等领域拥有超过 15 年的研发与项目管理经验，是国际上该领域的知名专家。

随着 AI、云计算和超大规模数据中心的爆发式增长，全球数据中心耗电量预计将在 2030 年翻倍至 945 TWh（IEA 2024 数据），其中美、中、欧贡献了 85% 的能耗负担。冷却系统作为数据中心的核心基础设施，不仅占据总能耗的 30%-50%，更成为制约机架密度提升、影响运营成本与可持续性的关键瓶颈。当传统空冷技术在 30kW / 机架以上的高密度负载面前逐渐失效，下一代冷却技术正引领一场从 “被动降温” 到 “精准控温” 的革命。

在此背景下，美国供暖、制冷与空调工程师学会（ASHRAE）作为全球 HVAC&R（供暖、通风、空调与制冷）领域的权威机构，通过制定热设计指南（如 ASHRAE 2021 Thermal Design Guidelines）、推动低全球变暖潜能值（GWP）制冷剂应用等举措，为冷却技术创新提供标准支撑。本文结合 ASHRAE 技术框架与实际工程案例，系统梳理数据中心冷却技术的演进路径，为高密度、可持续数据中心的建设提供技术依据。

一、核心性能指标：冷却效率的量化标尺

评估数据中心冷却系统的优劣，需依托一套科学的量化指标，其中以 PUE、WUE 和 CUE 最为核心，它们共同构成了冷却系统的 “效率三角”。

电力使用效率（PUE） 是最基础的指标，定义为数据中心总能耗与 IT 设备能耗的比值，理想值为 1.0（所有电力直接用于 IT 设备）。现代高效数据中心可实现 1.2 左右的 PUE，而谷歌等超大规模数据中心已将这一数值压低至 1.11 以下。2023 年 UPTIME 研究院对 558 个数据中心的调查显示，机架容量越大，PUE 越低 —— 超 30MW 的大型数据中心平均 PUE 仅 1.44，而小于 99kW 的小型数据中心则高达 1.69。

水使用效率（WUE） 衡量每千瓦时 IT 能耗的冷却耗水量（单位：L/kWh），在缺水地区或可持续目标约束下至关重要。2016 年劳伦斯伯克利国家实验室的研究显示，美国数据中心平均 WUE 为 1.8 L/kWh，一座 100MW 的数据中心每日耗水量可达 110 万加仑，且电力生产间接消耗的水量远超过现场冷却耗水。

碳使用效率（CUE） 、数据中心基础设施效率（DCiE，PUE 的倒数）、能源再利用效率（ERE）等指标则从更全面的视角补充评估，尤其是 ERE，聚焦废热回收利用，成为可持续数据中心的重要衡量标准。

二、传统空冷技术：现状与局限

长期以来，基于空气的冷却系统是数据中心的主流选择，核心组件包括计算机机房空调（CRAC）、计算机机房空气处理器（CRAH）、冷冻水回路及冷热通道封闭系统。其原理是通过送风设备将调节后的冷空气输送至服务器入口，再将排出的热空气回收冷却，技术成熟且部署广泛。

传统空气冷却系统通过计算机机房空调（CRAC）、计算机机房空气处理器（CRAH）、冷冻水回路或制冷剂系统，结合冷热通道隔离、活动地板等气流分配设计，将冷却后的空气输送至服务器入口，再排出热空气进行散热。这种技术成熟、部署广泛，但其局限性在高密场景下愈发明显： - 热容量低：需大量气流和大功率风扇，增加能耗； - 密度上限：难以支撑50kW/机架以上的高密负载； - 环境敏感：在高温地区能效大幅下降，且废热回收难度大； - 依赖加湿：在干燥地区需消耗大量水资源维持湿度。

根据ASHRAE 2021热设计指南，数据中心IT设备的推荐进气环境为：温度15-32℃，相对湿度30%-60%，并划分了A1-A4四个允许区域，其中A1区为低污染物环境的推荐范围，可在保证设备可靠性的前提下优化冷却效率。

为提升传统空冷的性能，行业衍生出直接蒸发冷却、被动后门冷却（依赖服务器风扇，支持20kW/机架，需露点控制）、主动后门冷却（配备热交换器风扇，支持75kW/机架）、带自由冷却的冷水机（根据环境温度切换制冷模式）等优化方案。尽管如此，空冷系统仍存在本质短板：

1. 密度上限低：空气低热容特性导致机架密度超过30kW后效率骤降，即使主动式后门冷却也难以突破75kW/机架；

2. 能耗高：需大功率风扇驱动海量气流，噪音与能耗同步增加；

3. 废热回收难：热空气温度低（通常<45℃），难以满足供暖、工业预热等场景的温度需求；

4. 地域适应性差：高温地区制冷效率低，高湿地区直接蒸发冷却的高水耗与水资源约束冲突。

三、下一代冷却技术：液体冷却的突破

当空冷技术逼近性能天花板，液体冷却凭借更高的换热效率、更强的高密度支持能力，成为下一代数据中心的核心解决方案，主要分为直接到芯片冷却和浸没式冷却两大方向。

（一）直接到芯片（Direct-to-Chip）冷却

直接到芯片冷却通过在 CPU、GPU 等高热流密度组件上安装冷板，让非导电冷却液直接流经冷板通道吸收热量，再通过冷却液分配单元（CDU）将热量导出。其核心优势在于换热效率高、服务器入口温度低，可大幅减少风扇需求，支持更高机架密度，尤其适用于 HPC 和 AI 数据中心。

该技术分为单相和双相两种方案，单相系统 PUE 约 1.13，双相系统可低至 1.07。关键组件包括冷板、CDU（集成泵、储液罐和换热器）及二次回路，冷却液需选用非导电流体以保障设备安全。通过改造现有空冷数据中心，直接到芯片冷却可将 IT 容量翻倍（例如从 15MW 提升至 30MW），机架密度最高可达 120kW。

不过，该技术也面临挑战：需管理泄漏风险、调整服务器和机架设计、优化冷却液选型与维护，且初期投入较高，与现有空冷基础设施的整合需整体规划。但其优势同样显著 —— 温度均匀性好、设备可靠性高，若冷却液出口温度达到 60℃，还可实现废热回收，成为连接空冷与全浸没冷却的 “过渡性核心技术”。

（二）浸没式冷却：高密度场景的终极方案

浸没式冷却将服务器或组件直接浸入绝缘冷却液中，彻底摆脱对空气的依赖，分为单相和两相两种技术路径，是超高密度场景（如 AI、HPC）的终极冷却选择。

单相浸没冷却 中，服务器浸没在不沸腾的绝缘液体中，热量通过液体对流传递至外部换热器，简化了通风设计，支持最高 150kW / 机架的密度，在高端数据中心应用日益广泛。其核心优势是无风扇依赖、能耗低，但需解决冷却液兼容性、设备维护便利性等问题。

双相浸没冷却 则利用冷却液的相变潜热进行换热：液体在服务器周围沸腾汽化，蒸汽上升至冷凝器凝结后回流至液浴，换热效率远超单相系统，可支持 200kW / 机架以上的超高密度（部分方案已达 250kW / 机架）。该技术无需复杂的气流设计，能耗和水耗显著降低，还能延长硬件寿命、减少碳排放，但初期基础设施投入更高，需解决蒸汽处理、冷却液选型及组件兼容性等挑战。

与直接到芯片冷却相比，浸没式冷却的优势更为突出：无需任何气流辅助（仅需保障人员舒适度的少量通风）、热移除能力极强、环境友好性更高，但基础设施改造更彻底，更适合新建数据中心或超高密度升级场景。

四、混合系统与未来展望

下一代冷却技术并非单一方案的替代，而是多元技术的融合与创新。

1. 混合冷却系统 当前行业尚未完全抛弃空气冷却，而是形成了"液冷+空冷""废热回收+主动冷却"的混合方案： - 热水回路废热回收：将芯片直冷产生的60℃左右热水用于区域供暖、锅炉预热等； - AI-based控制优化：通过人工智能算法优化CDU运行、冷却液流量与温度，适配AI负载的波动特性； - 微流控冷却：在芯片封装内集成冷却通道，进一步降低热阻，提升散热效率。 2. 未来趋势

- 双相冷却主流化：随着功率密度持续攀升，两相浸没冷却将成为高密场景的标准配置； - 废热回收标准化：数据中心将从"能耗大户"转变为"热能供应商"，废热再利用成为标配； - 指标体系升级：可持续评估将超越PUE/WUE，纳入碳足迹、水资源足迹（WP）等多维指标； - 地域化设计：高温、缺水地区将优先采用浸没冷却，而寒冷地区将强化免费冷却与废热回收的结合。