智算中心风冷系统与冷板式液冷系统融合形式探讨

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在数字化转型浪潮下，大数据、人工智能等前沿技术呈爆发式增长，对算力的需求也日益剧增。作为承载算力的核心基础设施，智算中心的重要性愈发凸显。当前，智算中心服务器芯片密度持续攀升，传统的风冷技术难以有效解决散热问题，在此背景下，液冷技术凭借其高效的散热能力逐渐被推广应用，在众多液冷技术路线中，冷板式液冷以其技术成熟度较高、兼容性较好等优势脱颖而出，成为目前主流的发展路线。

然而，服务器内除GPU、CPU等主要发热器件需要依靠液冷系统进行高效散热外，硬盘、内存等低发热量元器件仍需借助传统冷水空调系统（即风冷散热系统）来解决，导致智算中心风液2种系统共存， 这虽然在一定程度上满足了服务器不同部件的散热需求， 但也带来了一些新挑战。首先，风液双系统的架构使智算中心的散热系统复杂度增加，无论是在系统设计，还是后期运维管理方面，都对技术人员提出了更高的要求；其次，由于服务器在不同的工作负载和运行场景下，风冷和液冷负荷的占比也在发生变化，这就给散热系统的容量配置带来了极大的挑战，难以实现灵活、弹性的适配，无法在保证散热效果的同时，实现能源的高效利用。因此，行业内积极探索和研究不同的风液融合方案：石菲介绍了某厂家提出的智算中心风液混冷架构的解决方案；朱宸等人对某运营商智算中心项目在传统风冷系统基础上采用冷板式液冷的方案进行了理论研究，结果表明冷板式液冷技术对解决高密度、高功耗设备散热及降低制冷能耗具有显著效果。
目前，对风液融合系统的研究多集中在单一方案或局部优化，缺乏对新型风液融合方案的探索及不同方案形式下的综合分析，为探讨不同冷板式液冷系统和风冷系统融合的形式、特点及其对智算中心能效的影响，本文通过建立智算中心能效计算模型，对行业内已有实际应用的风液融合系统及新型风液融合系统进行研究，并对不同系统下的节能性、节水性和经济性进行定量对比分析，以期为智算中心高效风液融合散热方案提供参考，助力智算发展。

01 风液融合系统
风液融合系统在整体架构上可以归为一次侧散热系统和二次侧散热系统。按照一次侧是否共用一套散热系统可分为风液共塔系统和独立系统两大类，按照制冷剂种类又可分为水系统、氟系统、水/氟系统三大类。其中，水系统利用水作为制冷剂，成本较低且导热性能良好；氟系统则采用氟利昂等含氟化合物，其化学性质稳定、沸点低，在特定场景下散热效果显著；水/氟系统则结合了两者的特性，根据不同的散热需求灵活调配。本文列出工程上部分应用的风液融合系统，在此基础上提出一种新型的风液融合架构，并对这些系统进行特性分析。
1.1 风液共塔
水系统该架构在数据中心传统冷水空调系统基础上混合液冷系统，在一次侧共用一套冷却塔系统，共用冷却侧环路；二次侧则分别通过风冷和液冷末端设备进行散热。风冷末端设备为冷水型空调，形式多样，可以是背板、列间、房间级等形式，液冷末端设备可以是分布式CDU或集中式CDU，该系统架构如图1所示。

该架构采用一次侧共用冷却塔的形式，具有节省冷塔设备占地面积的优势，但一次侧都采用传统冷水空调系统的小温差参数运行，使冷却水泵能耗提高，同时冷却塔按照冬季自然冷却工况选型，塔体容量较大，风扇功率较高，因此该架构较难发挥液冷系统的节能优势。在灵活性方面，需要冷源及末端容量超出设计风液比下的容量配置才能实现风液比可调。
1.2 风液共塔-水/氟系统
该架构在一次侧同样共用一套冷却塔系统，二次侧风冷末端设备为双冷源空调，双冷源空调内集成了小型压缩机、水换热盘管、氟换热盘管等，液冷末端设备同样可选择分布式或集中式CDU，该系统架构如图2所示。

与风液共塔水系统相比，该架构在风冷系统上采用分布式制冷形式，通过小型压缩机实现局部冷却，双冷源空调水盘管内的冷却水用于自然冷却，氟盘管内的氟利昂等制冷剂用于非自然冷却时依靠机械压缩补冷，这种末端分布式制冷形式具有单点故障影响范围小、控制灵活、换热环节减少等优势。在节能性方面，冷却侧采用小温差参数运行同样较难发挥液冷节能优势，且双冷源空调采用双盘管设计，送风阻力增加会导致风机能耗增大。在灵活性方面，同样需要冷源及末端容量超出设计风液比下的容量配置才能实现风液比可调。
1.3 风液独立-水系统
该架构在传统冷水空调系统基础上叠加液冷系统，在一次侧各自用一套冷却塔系统，二次侧分别通过风冷和液冷末端设备进行散热，风冷系统和液冷系统互相独立，该系统架构如图3所示。

与风液共塔形式相比，该架构中液冷冷却塔按照大温差参数运行，风机功耗降低，可充分发挥液冷节能优势，风液系统按照各自控制逻辑运行，互不干扰，独立调节，避免了共塔系统的耦合问题，但水泵、管路数量较多，使系统复杂度增大。
1.4 新型风液共塔串联系统
在前述风液融合系统的基础上，提出一种新型风液融合架构， 与风液共塔水系统相比，该架构在二次侧创新地采用串联形式，冷水先经风冷末端空调预冷，再进入液冷末端CDU进一步冷却，该系统架构图如图4所示。

该架构利用风冷及液冷末端水温差异特性，通过末端风液串联方式实现冷水梯级利用，提升了能源利用效率，同时一次侧采用大温差冷却，降低了系统整体能耗，与前述风液融合系统相比，设备、管路配置简化，提高了空间利用率。在灵活性方面，需要末端串联控制策略能适应风液比变化，才能实现风液比可调，因此该架构的控制复杂度有所增加。
02 智算中心能效计算模型建立
2.1不同气候区代表城市的选取
本文根据GB50189-2015《公共建筑节能设计标准》 中的表3.1.2，从五大气候区分别选取一些城市作为代表，进行研究分析。本文选取的五大气候区代表城市见表1。各城市全年室外逐时湿球温度参数依据《中国建筑热环境分析专用气象数据集》选取。

2.2 智算中心能效计算模型建立
为了定量分析各风液融合系统的能效表现，本文以某智算中心为例，构建其能效计算模型。该智算中心共布置315架冷板式液冷机柜，采用分布式CDU，每架液冷机柜的功耗为40kW，液冷机柜风液负荷比为2:8，即单架机柜液冷散热32kW，风冷散热8kW，整楼it总负荷为12600kW，IT风冷负荷为2520kW，液冷负荷为10080kW。将4种风液融合系统分别应用于该智算中心，表2~5分别给 出智算中心4种风液融合系统的主要设备。

对该智算中心4种风液融合系统的主要设备进行能效建模，包括电效模型和水效模型。耗电设备主要有开式塔、 循环泵、冷水机组、双冷源空调等，耗水设备主要有开式塔。 为简化能效模型计算，假设智算中心全年总IT能耗不变， 板式换热器传热系数不变，系统各设备、管路及管件没有热损耗，系统处于正常工作状态。各设备在参考厂商实际数据的基础上进行能效计算，其中，冷水机组和双冷源空调运行能耗按照制冷量与COP之间的关系式计算，循环泵运行能耗参考水泵运行功率计算式计算,开式塔的运行能耗和水耗参考厂商实际运行数据，据此建立4种风液融合系统的全年逐时温度能效计算表，并基于此数据表进行计算。
03 不同风液融合系统的能效及经济性对比分析
3.1 节能性分析
分别计算4种风液融合系统在31个代表城市下的全年耗电量，由于风液融合系统在整个智算中心中主要影响IT机房空调系统的能耗，因此将智算中心风液融合系统的全年耗电量与IT设备全年耗电量之比作为节能性评价指 标，即IT机房空调PUE因子。图5给出了某智算中心4种风液融合系统在不同代表城市的IT机房空调PUE因子。

从图5可以看出：4种风液融合系统在全国范围内的IT机房PUE空调因子变化趋势相同，南方城市普遍高于北方城市，这主要是由于南方地区较高的湿球温度导致系统冷却效率降低。同时，在不同气候条件下，4种系统的节能效果存在差异，系统Ａ的PUE因子最高，节能性最差；系统C的节能性最优，进一步印证了风液独立系统的设计策略在发挥液冷系统节能上的优势；系统B比系统A在南方地区节能效果更显著，表明风冷系统采用分布式双冷源空调比传统冷水空调在高温高湿环境下更具优势，这是由于冷水空调系统在高温高湿环境下需要完全依靠机械压缩制冷，而分布式双冷源空调减少了换热环节，且氟系统传热效 率高的特性使其通过机械压缩补冷即可以解决末端负荷， 有效降低了能耗；系统Ｄ虽然简化了风液融合系统形式，但节能效果并不如系统Ｃ优异，主要原因是新型风液共塔串联系统在风液负荷的承担上具有耦合性，冷源共同承担风液负荷,存在无法充分发挥液冷节能优势的问题，而系统Ｃ通过风液独立控制，确保了风冷系统和液冷系统的能效最优化。
总体来看，系统Ｃ分别比系统Ａ、Ｂ、Ｄ在节能性上平均降低了约24％、21％、8.5％的能耗，这表明在相同的智算中心IT能耗条件下系统Ｃ在节能性方面更优。
3.2 节水性分析
分别计算4种风液融合系统在31个代表城市下的全年耗水量，将智算中心风液融合系统的全年耗水量与IT设备全年耗电量之比作为节水性评价指标，即水资源利用效率WUE。图6给出了某智算中心4种风液融合系统在不同代表城市的WUE。

从图6可以看出，在节水性方面，系统Ｃ、Ｄ同样表现 出色，都优于系统Ａ、Ｂ,系统Ｃ、Ｄ在节水性上比系统Ａ、Ｂ 平均降低了约10％、8.6％的水耗，这是由于它们都利用了液冷系统中冷却塔的大温差特性，有效降低了冷却水循环量，从而减少了水资源的消耗。另外，值得注意的是，在国 标准对数据中心WUE≤1.6L/(kW·h)的管控要求下，系统Ｃ、Ｄ在北方城市的节水性均满足此要求，而系统Ａ、Ｂ在全国范围内普遍超过标准限制。
3.3 经济性分析
智算中心4种风液融合系统下的经济性主要通过设备总的初投资和10年TCO 2个指标来对比。 计算初投资时的设备主要包括冷却塔、冷水机组、双冷源空调、板式换热器、循环泵、冷塔补水泵、加药装置、定压补水装置、软水器、软水箱、集装箱、阀门管道等辅材，除冷却塔和冷水机组采用集采价格外，其他设备成本均按照目前市场价来估算。表6给出了4种风液融合系统的初投资，其中系统Ｄ的初投资最低，分别比系统Ａ、Ｂ、Ｃ低约40％、30％、35％，主要得益于其串联设计减少了设备数量。

在初投资的基础上，根据不同城市的电价、工业用水水价及PUE因子、WUE数据进一步计算4种风液融合系统的10年TCO。4种风液融合系统全年运行电费和水费分别见图7、8，10年TCO见图９。虽然系统Ｄ在初投资上占据优势，但其10年TCO却因较高电费而基本与系统Ｃ持平，系统Ａ、Ｂ的10年TCO则相对较高，主要由于它们不仅初投资高，且高电费和高水费导致运维成本增加。综合来看，系统Ｃ的平均10年TCO比系统Ａ、Ｂ、Ｄ分别降低了约18％、14％、1.5％，表明系统Ｃ在长期经济性上表现最佳。

3.4 综合特性分析
根据前述对4种风液融合系统的节能性、节水性、经济性的分析，结合各系统的灵活性、运维难度等其他特性，对4种风液融合系统进行综合对比评估，表7给出了4种风液融合系统的综合对比。系统Ｃ、Ｄ的PUE、WUE和10年TCO都比较优异，但在灵活性、运维难度、技术成熟度上存在显著差异，而系统Ａ、Ｂ在各对比项上表现相对均衡，但缺乏突出优势。

04 结论
1、本文提出了一种新型风液共塔串联系统，与现有系统相比，该系统利用风冷和液冷供水温度的差异，在机房末端创新地采用了串联系统，通过梯级用冷，提高了电能利用效率，且在风液比可调上具有较高的灵活性，但其控制策略还需进一步探索。
2、在系统节能性表现上，风液独立水系统分别比风液共塔水系统、风液共塔水/氟系统和新型风液共塔串联系统平均降低了约24％、21％、8.5％的能耗，在节能性方面表现更优。风液独立水系统和新型风液共塔串联系统的节水性基本一致且都比较优异，比风液共塔水系统和风液共塔水/氟系统平均分别降低了约10％、8.6％。经济性上，风液独立水系统的平均10年TCO比风液共塔水系统、风液共塔水/氟系统和新型风液共塔串联系统分别降低了约18％、14％、1.5％。
3、综合来看，风液独立水系统和新型风液共塔串联系统在节能性、节水性、长期经济性上比另外2种系统更具优势，但风液独立水系统的低运维难度和高技术成熟度更适合大规模推广应用，而新型风液共塔串联系统的高灵活性则适应多变的弹性业务。因此，在选择风液融合系统时， 应根据实际需求和环境条件，权衡各系统的综合性能，以实现最优化的资源配置和长期效益最大化。