液冷通用架构
液冷架构由多个部分组成，并且每个部分还可以继续细分，但本质上液冷架 构可以描述为三个部分：热捕获，热交换，冷源。 下图 1 是简化后的液冷通用架构，它展示了液冷最核心的三个部分，方便 我们将其归纳并讨论。
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图 1 液冷系统通用架构示意图
02热捕获
液冷的热捕获指的是使用液体从 IT 组件中带走热量。根据热捕获的方式不 同，液冷可以分为多种形式，当前主流的技术方案有三种：冷板式、浸没式、喷 淋式。
冷板式 冷板式液冷（见图 3-2）的冷却液不与 IT 发热元件直接接触，而是通过安装 在发热元件（通常为 CPU/GPU 等大功耗部件）上的冷板（通常为铜铝等导热金 属构成的封闭腔体）将热量带走，这种散热形式也称为非接触式液冷。
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图 2 冷板液冷实物图及原理图
根据冷却液在冷板中是否发生相变，冷板式液冷可以分为以下两种类型：单 相冷板和两相冷板。 两种换热类型的制冷架构基本一致，主要区别在于二次侧冷却液不同。单相 冷板一般采用沸点较高的水基冷却液，换热过程不发生相变。两相冷板一般采用 沸点较低的制冷剂，换热过程会发生相变。 冷却液的对比如下表 1：
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冷板式液冷选择冷却液时，需要综合分析冷却液的热性能、环保、兼容性、 价格等因素。对于单相冷板液冷，需要特别关注冷却液的防腐和细菌抑制能力，否则不但 会导致换热效率大幅下降，同时也可能造成泄漏，损坏服务器。
推荐选择 25% 丙二醇水溶液。 对于相变冷板液冷，需要特别关注当地的环保法规和工作压力。推荐选择 R515B、R134a、R513A、R1234yf。
浸没式： 浸没式液冷是将服务器内的元器件完全浸没在冷却液中，通过冷却液的循环 将服务器的热量带走，这种散热形式也称为接触式液冷。
根据冷却液在换热过程中是否相变，浸没式液冷可以分为以下两种类型：单 相浸没、两相浸没。
单相浸没： 单相浸没的箱体称为 TANK，低温的冷却液进入 TANK 后，吸收服务器的热量， 然后进入 CDU 中散热，整个过程中冷却液不会发生相变。实物图和原理图如下 图 3：
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图 3 单相浸没式液冷实物图及原理图
单相液冷和两相液冷两者的制冷架构基本一致，主要差异在于二次侧冷却液 的循环方式。相变液冷的冷却液仅在浸没腔体内循环，而单相液冷的冷却液需要 进入 CDU 中。 冷却液是浸没液冷最需要关注的地方，也是其大规模应用的最大瓶颈。浸没 液冷将带电状态下的服务器完整的浸没在冷却液中，因此充当换热介质的冷却液 必须是不导电的高稳定介电液体，这样的介电液体通常不溶（或难溶）于水，可 最大限度保障其绝缘性不被轻易破坏。 浸没液冷所使用的介电液体可以分为两大类：油类、氟化液。 油类沸点非常高，因此只应用于单相浸没；氟化液种类繁多，可以配制成各 种沸点，例如从 55℃到 200℃以上。低沸点（例如 55℃）用于两相浸没，而高 沸点用于单相浸没
两相浸没： 两相浸没将 IT 设备浸没在沸点低于 IT 设备工作温度的冷却液中，当 IT 设备 的运行温度达到冷却液的沸点后，会引起冷却液的局部沸腾，从而带走热量，蒸 汽上升到达冷凝器盘管会变成液体并落下。实物图和原理图如下图 3-4：
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表 2 浸没式液冷冷却液对比
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浸没液冷在选择冷却液时，需要从以下几个方面综合考虑： 1、综合热性能 2、信号完整度 3、兼容性、可靠性、维护 4、环保 浸没液冷的冷却液推荐氟化液，它的综合热性能优秀，并且有非常好的兼容 性和可靠性，缺点是价格昂贵，并且需要关注当地的环保法规。
喷淋式 喷淋式液冷是用低温冷却液直接喷淋 IT 组件的发热元件，吸热后的高温冷 却液换热后再次循环进入服务器喷淋，整个过程中无相变。它和浸没式液冷一样 也属于接触式液冷，差异在于喷淋式加强了对流换热。 喷淋式液冷的实物图及原理图如下图 5：
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图 5 喷淋式液冷实物图及原理图
喷淋式与单相浸没式液冷比较类似，可以把它当作一种特殊形式的浸没液冷， 因此喷淋式可以采用与单相浸没一样的冷却液。
三种热捕获技术对比 三种热捕获技术都有各自的优缺点及适用场景， 我们从以下这些维度进行 比较，见表 3：
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液冷技术在进行方案选择时，还需要重点考虑服务器的侧的条件，通过服务 器侧的具体信息反推基础设施侧采用何种液冷技术。
03热交换
CDU 的安装方式不仅决定了它的安装位置，同时也决定了它的容量和所带末 C液冷的热交换主要通过 CDU（Coolant Distribution Unit）即冷量分配单元来 实现。作为连接一次侧和二次侧的“桥梁”，CDU 中包含热交换模块、泵模块、 过滤模块、补液模块、监测模块、控制模块等，这些模块集成在一起，实现以下 三项功能： 1、一/二次侧流体的热交换及隔离 2、冷却液的温度、流量、压力控制 3、冷却液监测&处理 除了以上三项关键功能，还需要关注 CDU 的类型，可以从以下两个方面具 体分析：换热方式和安装形式。表 4 CDU 换热方式分类
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CDU 的安装方式
CDU 的换热方式.端的数量。可分为机架式（分布式）和机柜式（集中式）。 两者的原理图如下图 3-6：
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图 6 CDU 安装原理图
CDU 两种形式分别对应不同的场景，对比如下表 5：
表 5 CDU 安装形式对比
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04冷源
液冷架构的冷源有多种方案可供选择。选择冷源前，要确定一次侧的供水温 度，ASHRAE TC9.9 定义了一次侧冷水的温度等级，如下表 6：
表 6 ASHRAE 液冷水温等级
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当水温较高且当地气候条件好，可以完全利用自然冷却系统，而当水温较低 时，一般就需要利用机械冷却系统。 还有一种情况比较特殊：部分老旧机房也会有智算需求，因此要对它们进行 液冷改造，但普遍存在的问题是现场无法新增一套供液冷使用的冷源，所以只能 将原有的精密空调作为冷源。
因此，冷源共有三类：自然冷却系统、机械冷却系统（带自然冷）、原有精 密空调自然冷却系统。
自然冷源系统可以分为：开式冷却塔、闭式冷却塔、干冷器、泵驱两相系统。
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图 7 开式冷却塔系统工作原理图
闭式冷却塔系统： 闭式冷却塔由内循环和外循环组成，内循环向系统提供冷却水，它是一个封 闭的系统，所以水质比较好，不需要增加板换，WUE 也会低于开式冷却塔。缺 点是价格昂贵且体积大。 系统原理图如下图 8：
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图 8 闭式冷却塔系统工作原理图
干冷器系统：
干冷器即干式冷却器，它的管内是冷却液，与环境空气直接换热，工作过程 没有消耗水。优点是 WUE 为 0（或非常低），价格便宜。缺点是换热效率较低，对空气质量和环境温度有较高要求。 干冷器也可以配置水喷淋系统以增强在高温季节的换热能力。 系统原理图如下图 9：
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图 9 干冷器工作原理图
泵驱两相系统： 泵驱两相系统主要由氟泵、冷凝器、储液管组成，采用相变冷却。优点是换 热效率高，不需要考虑防冻和水质处理。缺点是价格较高，维护复杂。 该系统的冷凝器可以选择风冷冷凝器或者蒸发式冷凝器，前者 WUE 为 0， 后者换热效率高。 系统原理图如下图 10：
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图 10 泵驱两相系统工作原理图除了以上这些自然冷源之外，还有一些比较高效的自然冷源，例如间接蒸发 冷却塔、干湿联合式冷却塔等。他们都是在上述自然冷源的基础上进行的优化拓 展，可以使用同样的液冷架构。
机械冷却系统（带自然冷）
机械冷却是指带有压缩机的直膨系统。该系统可以提供更加低温的一次侧冷却液，满足液冷系统的进液要求，同时不受环境温度的限制。 在液冷系统的应用中，机械冷却会加入自然冷模块，从而提高全年能效比。 可以分为风冷冷水机+水侧自然冷系统，水冷冷水机+水侧自然冷系统，磁悬浮相 变+氟泵自然冷系统。
风冷冷水机+水侧自然冷系统
该系统的常用配置是在风冷冷水机的基础上配置一套干冷器或者绝热冷却 器（可额外配置也可集成在冷机上），实现过渡季节的部分自然冷和寒冷季节的 完全自然冷。 该系统的优点是省去了冷却水系统，安装方便，适应性更强，WUE 为 0（干 冷器）或者非常低（绝热冷却器）。缺点是运行过程中容易受环境因素影响，对 比水冷冷水系统能效偏低。 系统原理图如下图 11：
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风冷冷水机+水侧自然冷系统
通过调节阀 1、2、3 的状态，可以分别实现机械冷、部分自然冷、完全自然 冷。工作状态如下表 7：
表 7 工作模式切换表
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磁悬浮相变+氟泵自然冷系统
该系统由磁悬浮压缩机、氟泵、储液罐、阀件、换热器等部件组成。冷凝器 可选择干冷器或者蒸发式冷凝器，前者 WUE 低，后者能效高。 该方案不使用水作为载冷剂，二是直接向 CDU 输送制冷剂，对应的 CDU 类 型为 L2R 或 R2R。优点是换热效率高，无油系统稳定性好。缺点是价格昂贵，维 护难度比水系统大。 32它有两种运行模式：机械冷和氟泵自然冷。低温时氟泵单独工作，实现完全 自然冷。 系统原理图如下图 13：
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图 13 磁悬浮相变系统工作原理图
原有精密空调系统
利用机房现有的精密空调作为液冷系统的冷源时，对应的 CDU 类型为 L2A 或 R2A，安装形式可以为机架式或者机柜式。液冷服务器的热量传递给机房内的 空气，最终由精密空调的冷凝器将热量散到室外。 液冷改造类项目的限制条件较多，因此并不是每种热捕获形式都适用。目前 冷板式液冷对原有机房的承重、机柜、服务器等兼容性最好，所以液冷改造项目 以冷板式液冷为主。 原理图如下图 3-14：
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图 14 原有空调系统液冷改造原理图
冷源选择建议
本节的冷源选择建议针对新建的液冷数据中心。选择冷源时，需要从以下几 个方面综合考虑：
1、一次侧供液温度等级
2、气候条件（温度、湿度、气温变化范围等）
3、水资源情况及 WUE 政策
4、技术因素（能效、可靠性、冷却介质等）
5、经济因素（初投资&运行成本）
6、其他因素（建设周期、可扩展性、建筑形式等） 本文中所涉及的冷源选择建议如下图 3-15：
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图 3-15 冷源选择建议
需注意：一次侧供液温度与当地气象参数相关联，同样的供液等级在不同地 区的冷源形式可能不同。
05液冷架构分类
液冷系统的三个核心部分组合在一起可以形成多种液冷架构。热捕获形式中， 喷淋式液冷的应用案例太少，未形成完整的产业链。因此，液冷架构还是以冷板 式和浸没式为主，可以归纳为下表中的 8 种架构，见表 9：
表 9 液冷架构分类
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以上每种架构都有各自适用的场景，可以根据下表 10 选择合适的液冷架 构：
表 10 各类液冷架构特点
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