作者：中国通信标准化协会开放数据中心标准推进委员会（ODCC） 组织编写
出版社：化学工业出版社
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冷板式液冷试读：
前言
业务量的扩大和计算效率的提升促使高功率密度数据中心逐渐取代低功率密度数据中心，相应的机房IT设备的集成度越来越高，散热需求越来越迫切，传统散热设计和设备都面临革新。如何同时兼顾高效计算和高效散热是数据中心建设要考虑的重点问题，液冷是近年里业内发展最迅速并被广泛推崇的解决方案。
目前数据中心液冷主要有冷板式、浸没式、喷淋式三种部署方式，冷板式是一种间接液冷方式，浸没式、喷淋式则是直接液冷方式。在冷板式液冷系统中，发热器件不直接接触液体，而是通过装有液体的冷板（通常为铜、铝等导热金属构成的封闭腔体）来导热，然后通过液体循环带走热量。由于服务器芯片等发热器件不用直接接触液体，所以该系统不需对整套机房设备进行重新改造设计，可操作性更强，因此冷板式液冷也是三种液冷方式中成熟度最高、应用最广泛的。
但是，液冷相对于传统数据中心部署方式来说仍是一个巨大创新和革命，IT设备等硬件的变革更是需要大量人力和物力的投入，对它的使用、运营和维护也需要采取与传统数据中心截然不同的方式，部署和使用液冷技术需要依靠更多的标准化要求进行规范。
由于编者水平有限，书中不足之处在所难免，希望广大读者批评指正。编者1 范围
本书规定了冷板式液冷系统的液冷服务器、配套基础设施的技术指标和参数，并对其测试验证、监控和控制、运维管理等具体环节做出了方法说明，适用于冷板式液冷设计、施工、部署、运维等环节的技术指导。2 术语、定义和缩略语2.1 术语和定义2.1.1 液冷
一种采用液体带走发热器件热量的数据中心制冷方式，适用于需提高计算能力、能源效率、部署密度等应用场合。2.1.2 冷板式液冷
通过冷板（通常为铜铝等导热金属构成的封闭腔体）将发热器件的热量间接传递给封闭在循环管路中的冷却液体，通过冷却液体将热量带走的一种形式。2.1.3 液冷机柜
提供冷却液体进出，针对电子设备进行冷却的装置。2.1.4 CDU
英文全称为Coolant Distribution Unit，即冷量分配单元，是指用于进行液冷电子设备间的冷却液体分配的系统，提供二次侧流量分配、压力控制、物理隔离、防凝露等功能。2.1.5 冷源装置
用于将液体回路的热量带出到室外大气中的装置，一般放置在建筑物的室外。2.1.6 一次侧循环系统
连接室外冷源装置的循环回路系统，也称CWS Loop，属于液冷系统一次侧。2.1.7 专用冷却液系统
连接冷量分配单元（CDU）和冷却设备之间的专用冷却液循环系统，也称TCS Loop，属于液冷系统二次侧。2.1.8 分集水器（Manifold）
用于连接各路加热管供回水的配、集水装置，按进、回水方式不同分为分水器和集水器。2.1.9 快速接头
用于液冷系统中的一种不需要工具就能实现管路连通或断开的接头。2.2 缩略语
CDU Coolant Distribution Unit 冷量分配单元
UPS Uninterruptible Power System 不间断电源
MTBF Mean Time Between Failure 平均故障间隔时间
MTTR Mean Time To Restoration 平均修复时间3 液冷服务器3.1 快速接头
根据插拔形式的不同，快速接头可分为盲插快速接头和非盲插快速接头，不同的液冷方式，根据实际需求，选择合适的快速接头，具体指标参数见表1。表1 快速接头指标要求5注：1kgf=9.81N；1bar=10Pa。表2 冷板、管路等推荐材料
液冷快速接头需满足可维护性、可靠性、流阻性能等多方面的需求：
①需满足免工具维护的需求，可以免工具进行快速接头的断开和接合；
②需满足连接与断开中冷却液的泄漏不影响维护过程以及对服务器和机柜不会造成不良影响；
③需满足和冷却液的材料兼容要求；
④需满足发生故障并需要更换时，能方便更换的要求；
⑤需满足液冷系统的阻抗要求，在指定流量范围内，阻抗应尽可能低，有利于降低液冷系统的能耗。3.2 液冷机柜3.2.1 机柜
提供常规机柜功能的同时，需满足集分水器、管路以及其他配件安装固定的需求，宜具备下列要求：
①建议为标准机柜，尺寸宜为600mm（宽）×1200mm（深）×2100mm（高）；
②分集水器（Manifold）锁附于机柜前侧或后侧，推荐在后侧；
③上进水，机柜上层配开孔挡板；下进水，机架底部和地板需留对应开口。3.2.2 集分水器
①对于分布式（嵌入式）CDU布局，CDU布局在机柜内部，机柜进出水管连通的是CDU的一次侧循环；CDU的二次侧循环是由集分水器以及服务器冷板构成的冷却液循环，冷却液从CDU出来，首先进入进水侧集分水器，然后被“均匀”地分配给各个冷板，经过冷板后冷却液被汇总至回水侧集分水器，最后返回至CDU。
②对于集中式CDU布局，冷却液通过进水管路进入液冷机柜后，首先进入进水侧集分水器，然后被“均匀”地分配给各个冷板，经过冷板后冷却液被汇总至回水侧集分水器，最后通过回水管路流出机柜。
③为了保证各支路流量均匀，需尽可能降低流阻，每个支路的流阻差异不能超过10%的支路流阻，并应尽可能使用大通径集分水器，从而保证内部冷却液的流速低于1.5m/s。3.2.3 其他配件
不属于液冷机柜的必配件，如排气阀、电磁阀、用于排液的单向阀、积水盘等，可根据实际液冷机柜需求进行设计。3.3 服务器3.3.1 液冷系统的能效评价
液冷占比是指液冷系统中直接通过冷却液带走的热量（功耗）与系统总功耗的比值。
液冷占比体现了液冷系统直接利用液体冷却带走热量的效率，液冷占比越高，冷却效率越高，推荐采用高液冷占比的系统提升能源利用效率。
液冷占比计算公式如下。LPE=P/PL0式中 LPE——Liquid Performance Efficiency，即液冷性能效率，简称液冷占比；
P——直接液冷功耗，为直接由液冷带走的冷却功耗；L
P——系统总功耗，包含直接液冷功耗和风冷功耗两部分。0
建议液冷性能效率≥60%，风冷具备10%的余量覆盖。3.3.2 冷板
①冷板之间可以直接通过软管或硬管进行连接，需充分考虑连接的可靠性以及整体冷板的应力。
a.使用软管连接，一般不存在连接应力问题，但是需要保证连接的可靠性，一般会采用“宝塔”接头，可通过过盈连接或者增加卡箍的方式保证连接可靠性。
b.使用硬管连接，连接可靠性较好，但是容易出现连接应力问题，需设计缓冲区来加以解决。
②冷板的设计需要考虑可维护性，对于内存等易维护部件，建议做到免工具维护。
③冷板的对外管路接头为快速接头，不同的液冷系统，可选择盲插接头和非盲插接头。
冷板指标要求见表3。表3 冷板指标要求5注：1bar=10Pa。4 基础设施4.1 概括
液冷系统主要由冷源、液冷分配单元（CDU）、主循环水泵及管道组成。液冷系统可分为一次侧循环和二次侧循环，外侧为一次侧循环，冷源通过管道与液冷分配单元（CDU）连接，用于对外散热；内侧为二次侧循环，液冷服务器通过管道与液冷分配单元（CDU）连接，用于转移液冷服务器的热量。冷板液冷系统原理如图1所示。图1 冷板液冷系统原理图
二次侧循环泵将冷却液泵入一次侧环网管路，经环网管路均匀地分配到各个服务器机柜；冷却液流经服务器节点，将热量导出后，汇流到二次侧环网管路，经CDU与一次侧冷却液完成热交换，将热量释放到一次侧冷却液中，最终通过冷源释放到外部环境中。被冷却后的冷却液回流到二次循环泵，经循环泵后重新进入二次侧环网管路，形成一个闭式的循环冷却回路。
服务器节点的热负荷变化会反映在冷却液的温度变化上，液冷系统的控制系统会根据检测到的供回液温度变化来控制CDU的换热功率变化，从而达到精确控制二次侧冷却液供液温度的要求，确保服务器供液温度在设计范围之内，并防止供液温度产生较大波动、二次侧循环回路管道凝露等问题。4.2 冷源
根据当地气候条件、资源条件、运行成本等因素，液冷系统的冷源可选用干冷器、闭式冷却塔、冷水机组等多种形式。从技术创新的角度来看，外部冷源形式可以多种多样，例如原有建筑冷水系统、江河湖海水源冷却、地源冷却等，但需要保障系统可靠性、能效和环保等要求。
冷源的选择主要取决于室外环境温度（包括干球/湿球温度）及液冷服务器的进水温度，并需要兼顾节能方面的考虑，可以根据情况选用单一形式的冷源或两种形式的冷源结合。例如在南方长期高热高湿地区，冷源的形式既可以采用独立冷水机组的单一冷源供冷，也可以采用冷水机组+闭式冷却塔/干冷器双冷源混合供冷的方式。
当两种冷源的介质不同时，可通过换热器隔离两个系统，满足使用侧的洁净需求。4.2.1 干冷器
①干冷器的选型应满足在当地极端干球温度及海拔高度条件下液冷系统散热的需要，选型逼近度建议在10℃以内；在无其他补充冷源的情况下，干冷器通常采用N+X模块化冗余配置（X=1，2…）。
②干冷器要求壳体为镀锌钢板加室外专用喷塑涂层处理，采用不锈钢螺栓，最大限度防止锈蚀。
③采用环氧涂层或亲水铝箔盘管，高效紧凑的叉排片型设计，波浪型翅片，增强空气扰流。
④可增设精细雾化喷水节能装置，显著降低夏季高负荷时的能耗，水质应做必要的防结垢处理。4.2.2 冷却塔4.2.2.1 冷源设备形式
①冷却塔的选型应满足在当地极端湿球温度及海拔高度条件下液冷系统散热的需要，选型逼近度建议在5℃以内；在无其他补充冷源情况下，冷却塔通常采用N+X模块化冗余配置（X=1，2…）。
②冷却塔要求设置自动和手动补水装置，并带有溢流及排污口。自动补水装置应为全铜材质，浮球阀应为原装进口产品，要求使用灵活，寿命大于5年。
③采用变频风机或双速风机，以最大限度匹配负荷及设计湿球温度要求。
④冷却塔外部循环泵电动机与风机电动机均采用全封闭形式，电动机的设置位置及形式有助于快速完成检修和维护；循环泵进水口前应设置过滤器。
⑤采用开式冷却塔的场合，应设置中间换热器，将冷却塔的开式回路与冷板的循环水回路隔离开，并且冷却水补水箱的容量应按照不低于12h配置。
⑥室外环境全年最高温度低于冷板供液温度10℃以下，可考虑采用风冷散热器。4.2.2.2 冷却能力
①在标准工况下，冷却塔实际冷却能力不小于设计值的95%。非标准设计工况的冷却塔，需要特殊说明其设计工况，其实际冷却能力不应小于非标准设计工况设计值的95%。
②冷却塔选型不低于冷板式液冷总负荷，应考虑极端天气下的湿球温度工况，应设计至少10%的富余量。4.2.2.3 冗余设计
冷却塔应按照N+X（X=1～N）冗余配置。4.2.2.4 防冻
冷却塔关键部件、管道及循环冷却水应具有防冻措施，根据所在地区不同，应满足当地连续低温不结冰的要求。4.2.3 冷水机组
若当地处于极端干/湿球温度及海拔高度条件下，采用干冷器或闭式冷却塔均无法完全满足液冷系统散热的需要时，可选用冷水机组作为系统单一冷源，也可以选用冷水机组作为补充冷源，在干冷器、闭式冷却塔供冷不足时，提供补充制冷，但应设置完善的切换措施。
①冷水机组的选型可根据系统制冷量、场地情况等条件，选择风冷冷水机组或液冷冷水机组。
②如冷水机组作为单一冷源，宜自带自然冷却功能。
③冷水机组具体技术规格，可根据设计情况具体确定。4.3 主循环泵4.3.1 基本要求
①主循环泵为高速离心泵，提供冷却液循环运行所需动力，泵体宜采用机械密封。
②循环泵扬程应匹配冷却塔、板式换热器、过滤器、阀门等局部阻力及沿程阻力的和，多台泵并联时应考虑附加并联损耗。
③系统内的主循环泵应冗余配置，泵的数量应与冷源设备数量一一对应，采用变频器控制，可变频运行。当主循环泵出现故障或不能提供额定压力或流量时，能立即发出报警信号。
④主循环泵的安装位置应方便检修，并注意噪声对周围环境的影响；室外安装水泵应满足控制、防雨等技术要求。
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