YELENG GAINIAN
液冷概念
产业链电子手册
产业概述
液冷技术是解决散热压力和节能挑战的必由之路
随着人工智能、云计算、大数据以及区块链等技术的创新发展，以高速率、低时延和大连接为特点的5G通信时代到来，作为信息基础设施的数据中心及通信设备承担的计算量越来越大，对计算效率的要求也越来越高。为了应对网络处理性能的挑战，数据中心服务器及通信设备不断提升自身处理能力和集成度，带来了功率密度的节节攀升。
这些变化除了带来巨额能耗问题以外，高热密度也给制冷设备和技术提出了更高要求。传统风冷技术面对高热密度场景呈现瓶颈，散热效率已经跟不上计算效率。在此背景下，液冷技术以其超高能效、超高热密度等特点引起行业的普遍关注，液冷技术是解决散热压力和节能挑战的必由之路。
产业概述
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算力持续增加促进功率密度增长，对制冷技术提出新的要求。
算力的持续增加促进通讯设备性能不断提升，芯片功耗和热流密度也在持续攀升，产品每演进一代功率密度攀升30~50%。当代X86平台CPU最大功耗300~400W，业界最高芯片热流密度已超过120W/cm2；芯片功率密度的持续提升直接制约着芯片散热和可靠性，传统风冷散热能力越来越难以为继。
芯片功率密度的攀升同时带来整柜功率密度的增长，当前最大已超过30kW/机架；对机房制冷技术也提出了更高的挑战。液冷作为数据中心新兴制冷技术，被应用于解决高功率密度机柜散热需求。
产业概述
双碳政策下数据中心PUE指标不断降低。近年来，在“双碳”政策下，数据中心PUE指标不断降低，多数地区要求电能利用效率不得超过1.25，并积极推动数据中心升级改造，更有例如北京地区，对超过规定PUE的数据中心电价进行加价。
制冷系统在典型数据中心能耗占比24%，降低制冷系统能耗是降低PUE的有效方法。算力的持续增加，意味着硬件部分的能耗也在持续提升；在保证算力运转的前提下，只有通过降低数据中心辅助能源的消耗，才能达成节能目标下的PUE要求。制冷系统在典型数据中心能耗中占比达到24%以上，是数据中心辅助能源中占比最高的部分。
因此，降低制冷系统能耗能够极大的促进PUE的降低。有数据显示，我国数据中心的电费占数据中心运维成本的60-70%。随着服务器的加速部署，如何进一步降低能耗，实现数据中心绿色发展，成为业界关注的焦点。
液冷技术能实现极佳节能效果。近年来，为了降低制冷系统电能消耗，行业内对机房制冷技术进行了持续的创新和探索。间蒸/直蒸技术通过缩短制冷链路，减少过程能量损耗实现数据中心PUE降至1.15~1.35；液冷则利用液体的高导热、高传热特性，在进一步缩短传热路径的同时充分利用自然冷源，实现了PUE小于1.25的极佳节能效果。
产业概述
风冷方案存多项不足
风冷是最成熟冷却方案之一，但仍存在多项不足。
目前风冷技术是数据中心最为成熟和应用最为广泛的冷却方案之一。它通过冷／热空气通道的交替排列实现换热。机架产生的热空气由机房空调（CRAC）或者机房空气处理单元（CRAH）产生的冷空气进行冷却，冷空气通过地下的通风口输送至机架间的冷空气通道。其中，CRAC采用制冷剂为媒介进行冷却，而CRAH则采用水－空气换热器对水进行冷却。
在典型的风冷数据中心中，所有服务器机架均呈行排列。通过CRAH或CRAC单元冷却的空气通过地下通风通道进入数据中心房间后，扩散经过服务器，吸收服务器产生的热量后进入热风通道，从而回到CRAH或CRAC单元。因此，风冷技术会同时冷却服务器机架内的所有电子器件。
产业概述
1、热点
2、机械能耗
3、环境匹配性
4、占用空间大
风冷技术存在低密度和相对较低的散热能力的不足。这对于高性能计算（HPC）应用尤为明显。此外，风冷技术还有以下不足：
由于缺乏合适的空气流量控制系统，服务器设备产生的热量和冷空气换热不均匀，容易在服务器机架之间和内部形成局部热点。因此，为了充分消除这些热点，需要对数据中心进行过度冷却，从而额外增大了能耗。
在冷却过程中，很大一部分电能用于驱动风机和泵，从而实现空气和水的循环。
为了维持数据中心运行稳定，采用风冷技术的系统通常需要常年不间断运行。因此，即使在冬季，室外温度较低，也需要维持数据中心的冷却循环，不利于节能。
要达到有效冷却，数据中心通常需要大量的空间来放置空调和服务器机架。
产业概述
相较于风冷，液冷具有低能耗、高散热、低噪声、低TCO等优势。
液冷通过液体代替空气，把热量带走。液冷是通过液体代替空气，把CPU、内存等IT发热器件产生的热量带走，就好似给服务器局部冷却、整体“淋浴”甚至全部“泡澡”。根据目前技术研究的进程，将液冷分类为了水冷和冷媒冷却。可用冷媒包括水、矿物油、电子氟化液等。
液冷具有低能耗、高散热、低噪声、低TCO等优势。液体的冷却能力是空气的1000～3000倍。液冷技术可实现高密度、低噪音、低传热温差以及普遍自然冷却等优点，相对于风冷技术具有无法比拟的技术优势，是一种可以适用于需要大幅度提高计算能力、能源效率和部署密度等场景的优秀散热解决方案。
产业概述
（1）低能耗
传热路径短：低温液体由CDU（冷量分配单元）直接供给通讯设备内；
换热效率高：液冷系统一次侧和二次侧之间通过换热器实现液液换热；一次侧和外部环境之间结合风液换热、液液换热、蒸发汽化换热三种形式，具备更优的换热效果；
制冷能效高：液冷技术可实现40~55℃高温供液，无需压缩机冷水机组，采用室外冷却塔，可实现全年自然冷却；除制冷系统自身的能耗降低外，采用液冷散热技术有利于进一步降低芯片温度，芯片温度降低带来更高的可靠性和更低的能耗，整机能耗预计可降低约5%。
（2）高散热
液冷系统常用介质有去离子水、醇基溶液、氟碳类工质、矿物油或硅油等多种类型；这些液体的载热能力、导热能力和强化对流换热系数均远大于空气；因此，针对单芯片，液冷相比于风冷具有更高的散热能力。同时，液冷直接将设备大部分热源热量通过循环介质带走；单板、整柜、机房整体送风需求量大幅降低，允许高功率密度设备部署；同时，在单位空间能够布置更多的ICT设备，提高数据中心空间利用率、节省用地面积。
产业概述
（3）低噪声
液冷散热技术利用泵驱动冷却介质在系统内循环流动并进行散热，解决全部发热器件或关键高功率器件散热问题；能够降低冷却风机转速或者采用无风机设计，从而具备极佳的降噪效果，提升机房运维环境舒适性，解决噪声污染问题。
（4）低TCO
液冷技术具有极佳的节能效果，液冷数据中心PUE可降至1.2以下，每年可节省大量电费，能够极大的降低数据中心运行成本。相比于传统风冷，液冷散热技术的应用虽然会增加一定的初期投资，但可通过降低运行成本回收投资。以规模为10MW的数据中心为例，比较液冷方案（PUE1.15）和冷冻水方案（PUE1.35），预计2.2年左右可回收增加的基础设施初投资。通过将传统风冷、冷板式液冷和单相浸没液冷对比，浸没式液冷功率密度最高，机柜数量和占地面积最小，冷却能耗和冷却电费最低；而风冷的功率密度最低，机柜数量和占地面积最大，冷却能耗和冷却电费最高；冷板式液冷居中。
产业概述
液冷市场规模
近年来，国内数据中心建设加快推进。根据中国信通院的数据显示，2021年，中国数据中心在用机架数量达到520万架，较2020年增加超过100万架。据工信部《新型数据中心发展三年行动计划（2021-2023年）》，预计到2023年底，全国数据中心机架规模年均增速保持在20%左右，2023年中国数据中心在用数量将超过800万架。2021年中国数据中心市场规模超过1500亿元，预计2022年中国数据中心市场规模到突破1900亿元人民币，同样呈现出较快的增长趋势。
招商证券预计，2025年中国液冷数据中心市场规模将超千亿。据《液冷白皮书》，考虑到液冷对传统市场进行替代，包括风冷的机房空调市场、服务器市场以及数据中心基础设施（机柜、CDU、冷却塔等）市场，预计2025年，保守测算下中国液冷数据中心市场规模将达1283.2亿元，乐观测算下中国液冷数据中心市场规模将达1330.3亿元。
产业概述
浸没式液冷凭借其优良的制冷效果，市场份额将快速提升。据《液冷白皮书》，保守来看，2025年中国冷板式液冷数据中心市场规模将达到757.1亿元，浸没式为526.1亿元；乐观来看，2025年中国冷板式液冷数据中心市场规模将达到784.9亿元，浸没式为545.4亿元。其中浸没式液冷数据中心凭借其优良的制冷效果，市场份额增长速度较快，浸没式液冷数据中心的占比将从2019年的18%左右提升至2025年的40%左右。
互联网、金融、电信等领域对数据中心液冷的需求量将会持续加大。预计到2025年，互联网行业液冷数据中心占比将达到24.0%，金融行业将达到25.0%，电信行业将达到23.0%。而能源、生物、医疗和政务等将行业需求将加快融入通用数据中心新业态，整体上规模有所下降。预计2025年能源行业液冷数据中心占比将达到10.5%，金融行业将达到8.5%，电信行业将达到6.5%，以政务为代表的其他业务将下降至2.5%。
除数据中心之外，近年来电化学储能市场快速发展，预计将带动储能温控行业需求提升。据CNESA数据，截至2021年底，我国已投运储能项目累计装机规模为46.1GW，占全球市场总规模的22%，同比增长30%，由于储能电池容量及功率较大，其对散热要求更高，同时储能系统内部容易产生电池产热和温度分布不均等问题，优质的温控系统显得对电池系统的寿命和安全性显得尤为重要。
产业链
冷却液为液冷技术关键材料，市场需求有望大幅提升。
液体冷却剂是液冷技术的关键因素之一。在浸没式（接触式）液冷技术应用中，除了硬件设备要求，液体冷却剂也是最为关键的因素之一。对于合适的接触式液冷冷却剂，它要求：1）良好的热物理性质。高热传导系数和比热容、低黏度，相变则需要高的汽化潜热。2）低凝固点和膨胀系数。3）单相液冷需要高沸点。4）两相液冷需要合适的沸点和窄的沸程范围。5）对电子器件具有良好的化学和热稳定性。6）高闪点和自燃温度。7）对系统材料（金属、非金属和其他有机物无腐蚀性。8）不需要或仅需要最低限度的监管限制（环境友好、无环境毒害、可生物降解等）。9）经济性。
冷却液主要可分为氟化学物质（或氟碳化合物）和烃类（例如矿物油、合成油和天然油）。需要使用沸点较高（高于系统的最高温度）的液体以确保液体保持在液相状态。在选择不同氟化学物质和烃类之间做出决策时需要考虑以下因素：热传递性能（稳定性和可靠性等），IT 硬件维护的便利性，液体卫生和更换需求，材料兼容性，电气特性，易燃或易燃性，环境影响，安全相关问题和罐或数据中心使用寿命期间的总液体成本。
资料来源：上市公司公告、机构研报、权威媒体
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