2023年通信行业深度报告：液冷顺应低碳数字时代需求的高效冷却技术.docx

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1、液冷，顺应低碳数字时代需求的高效冷却技术一、液冷技术原理概述51.1 冷板式液冷51.2 浸没式液冷5单相浸没式液冷6双相浸没式液冷6两种技术比较7二、项目大型化带来冷却效率提升需求，液冷降耗优势明显82.1 数据中心领域：冷板式液冷为主822储能领域：液冷方案成为主流趋势11三、液冷方案应用现状152.2 数据中心液冷：电信运营商发布“三年愿景”，2025年液冷数据中心占比有望达50%.152.3 储能液冷：2025年渗透率有望达到45%左右17四、投资建议204.1 英维克204.2 曙光数创214.3 佳力图214.4 申菱环境224.5 同飞股份224.6 高澜股份234.7 网宿科技

2、244.8 科华数据244.9 润泽科技25风险提示25图表目录图1:开式循环系统的冷板式液冷整体链路图5图2:单相浸没式液冷式理图6图3:双相浸没式液冷原理图6图4:双相浸没式液冷需要冷凝管实现气态到液态的转换6图5:数据中心各环节能耗占比8图6:数据中心机架数量9图7:中国数据中心耗电量及占比9图8:单机柜密度增大，风冷技术已不能满足散热需求11图9:2008年以来全球数据中心单机柜功率变化情况及预测11图10:中国液冷数据中心市场规模预测11图11:储能电站系统11图12:锂电池工作的各种温度区间12图13:1.5C放电倍率下风冷系统电池组温度分布图13图14:4种储能热管理方案13图1

3、5:国内外液冷发展大事记15图16:曙光浸没式相变液冷系统16图17:阿里云磐久液冷一体机16图18:2023年中国液冷数据中心厂商竞争力矩阵图16图19:2019-2025年中国液冷数据中心行业应用结构预测17图20:储能液冷系统示意图18图21:科华S3液冷储能系统18图22:风冷储能系统19图23:液冷储能系统19图24:储能温控市场空间（亿元）19图25:英维克BattCoO1储能全链条液冷解决方案2.021图26:曙光数创营收结构（亿元）21图27:曙光数创全浸式液冷服务器，PUE可低至1.01-1.0221图28:佳力图冷水机组产品系列22图29:申菱环境储能温控产品22图30:高

4、澜电站式储能系统液冷方案23图31:网宿科技子公司绿色云图液冷数据中心平面图24图32:科华数据液冷产品25表1:冷板式液冷和浸没式液冷技术比较7表2:液冷与风冷的差异8表3:国家对数据中心PUE要求日趋严格10表4:典型储能热管理技术的特点14表5:各公司推出的液冷产品17表6:储能液冷温控主要供应商20表7:同飞股份储能热管理在研项目（截至2023年年报）23-、液冷技术原理概述液冷，顾名思义，即采用液体接触热源进行冷却的方式。根据冷却液和服务器接触换热方式的不同，分为直接液冷和间接液冷，其中间接液冷以冷板式液冷技术为主，直接液冷以浸没式液冷技术为主。1.1 冷板式液冷冷板式液冷属于间接式

5、液冷,即发热元件和冷却介质不直接接触。冷板式液冷通过与装有液体的冷板直接接触来散热，或者由导热部件将热量传导到冷板上，然后通过冷板内部液体循环带走热量。由于服务器芯片等发热器件不直接接触液体，因此该方式对现有服务器芯片组件及附属部件改动量较小，可操作性更强。开式循环的冷板式液冷系统包括一次侧（室外）和二次侧（室内）。根据循环架构的不同，冷板式液冷又分为开式循环系统和闭式循环系统。开式循环系统能将热量转移至室外进行散热，减少机房的空调用量，降低整体PUE（PoWerUSageEffeCWeneSS,电能利用效率）。具体而言，该系统包括一次侧（室外）和二次侧（室内）两部分，一次侧为机房供水，包括室

6、外的干冷器和冷水机组，热量转移主要通过水温的升降实现，二次侧包括供液环路和服务器内部流道，主要通过冷却液温度的升降实现热量转移：两个部分通过CDU（冷量分配单元）中的板式换热器发Th间壁式换热，工质不做混合。CDU是关键部件之除了起到循环冷却液的作用外，还负责监视环境露点并调节供水给机架的温度，露点温度即水蒸气与水达到平衡状态的温度，当实际温度t大于露点温度Td时，空气未饱和。CDU般将辅助水回路的供应温度提高到比房间露点温度高出至少2C的水平，以防止冷凝现象发Th。图1:开式循环系统的冷板式液冷整体链路图1.21.3 浸没式液冷浸没式液冷是指将发热电子元器件如CPU、主板、内存条、硬盘等直接

7、浸泡在绝缘、化学惰性的冷却液（电子氟化液）中，通过循环的冷却液将电子元器件产Th的热量带走。根据冷却液在循环散热过程中是否发Th相变，分为单相浸没式液冷和双相浸没式液冷。单相浸没式液冷单相浸没式液冷的冷却液通常具有较高的沸点因此冷却液在吸热后始终维持在液态状态。单相浸没式液冷通过自然对流或泵驱动冷却液的循环，区别在于是否有外力驱动液体循环。自然对流驱动的循环散热过程利用了液体受热后体积膨胀密度减小的特点，较热的冷却液会自然上浮，之后被连接到外部冷却回路的热交换错冷却：冷却后的液体在重力作用下自然下沉，完成循环散热。泵驱动则拥有一个由泵、热交换器、传感器、过滤器组成的装置，即冷却液分配单元（CD

8、U）,利用CDU可以更加精确地控制冷却液的温度和流速。图2:单相浸没式液冷原理图数据来源：周婷等液冷技术在数据中心中的应用,东方证券研究所单相浸没式液冷的优势在于（1）冷却液价格相对更低，部署成本更低；（2）冷却液无相变，不需要频繁补充冷却液且无需担心冷却液蒸发溢出或人员吸入的健康风险，更有利于维护。但另一方面，相对于双相液冷，单相液冷的散热效率更低。双相浸没式液冷双相浸没式液冷的冷却液则会经历气液状态的转换TT设备完全浸没在装有低沸点冷却液的密闭罐体中，设备的热量被冷却液吸收，冷却液吸热后温度升高至沸腾，由液态变为气态，蒸汽从液体中升起逃逸至页面上方，在液体罐体内形成气相区。气相区的冷却液蒸

9、汽与水冷冷凝器接触后凝结成液体滴落回容器中再次循环，而冷凝器中被加热的冷却水则通过循环冷却水系统完成排热。双相浸没式液冷充分利用了冷却液的蒸发潜热，可以满足高功率发热元件对散热的极端要求，使IT设备可以保持满功率运行。但相变的存在也使得液冷系统必须保持密闭，以防止蒸汽外溢流失,同时必须考虑相变过程导致的气压变化，以及系统维护时维护人员吸入气体的健康风险。整体来看,浸没式液冷优势在于：（1）冷却液与发热设备直接接触，具有较低的对流热阻，传热系数高；（2）冷却液具有较高的热导率和比热容，运行温度变化率较小：（3）冷却液绝缘性能优良，闪点高不易燃，且无毒、无害、无腐蚀。因此浸没式液冷技术适用于对热流

10、密度、绿色节能需求高的大型数据中心、超级计算、工业级其他计算领域和科研机构，特别是应用于地处严寒、高海拔地区，或者地势较为特殊、空间有限的数据中心，以及对环境噪音要求较高，距离人群办公、居住场所较近，需要静音的数据中心具有明显优势。两种技术比较由于冷板式液冷技术发展较早，相比浸没式这类直接接触型液冷技术更成熟、Th态更完善、改造成本更低，因此目前以冷板式液冷为主。但直接接触型液冷技术可更大程度上利用液体的比热容大的特点，制冷效率更高，未来或将占据更多市场。表1:冷板式液冷和浸没式液冷技术比较项目冷板式浸没式备注初投资冷板规格多、定制成本较高，系统带有大量的快速接头和阀门，成本较高冷却液用量大，

11、特制密封压力容器或卧式液冷箱体，成本居中室外散热设备相似，区别主要在服务器及冷却系统架构节能性中等，PUE1.1-1.3优秀，PUE1.05-1.1浸没式100%液冷散热：冷板式还需风冷，拉高了PUE可维护性优秀（冷却液不接触电路板），管路支持水平插拔较差，不支持在线维护冷板式基于传统机架式设计，服务器可下架维护安全性冷却液多为乙二醇水溶液，泄漏可导电及腐蚀，且冷板流道存在堵塞风险化学方面，冷却液绝缘，可安全运行；温度方面，冷却液散热能力强，能保证器件温差小,不易高温老化冷却液的物理化学特性为关键风险点空间利用率较高，风冷系统仍需占据部分空间中等浸没式容器结构改变较大，降低空间利用率数据来源：

12、谢春峰等E液冷技术在通信行业中的应用及相关建议,东方证券研究所二、项目大型化带来冷却效率提升需求，液冷降耗优势明显2.1 数据中心领域：冷板式液冷为主数据中心的电能消耗源于IT设备制冷设备供配电系统和照明等。对于数据中心内的IT和电气设备而言，高温和高湿度是不理想的条件。大多数IT设备在工作过程中会产Th热量，而过热和过湿会损害设备，导致它们发Th故障并停止工作，损坏的设备又可能导致火灾和其他安全问题。因此需要为数据中心配备足够的冷却能力，保障设备的正常运行。根据绿色高能效数据中心散热冷却技术研窕现状及发展趋势，我国数据中心约有45%的能耗用于IT设备，43%用于散热冷却设备。图5:数据中心各

13、环节能耗占比数据中心的常规冷却方式包括风冷水冷、液冷等。风冷：早期的数据中心普遍采用风冷型空调系统，该系统采用制冷剂冷媒作为传热介质，空气通过室内机组内蒸发盘管制冷降温后，在室内进行空气循环。制冷剂一般为氟利昂，单机制冷量为IO-120kW水冷：随着数据中心对冷却效果的要求不断提升，水冷技术逐步被应用其中。水冷型系统主要由室内机、换热器、冷却塔、膨胀水箱、循环水泵、内外间连接水管等组成。制冷剂吸热后，热量先通过水冷冷凝器传递给冷却水，再通过冷却塔排放到大气中。液冷：水冷实际是液冷的一种，除了以水作为传热介质外，为了提高换热效率，满足数据中心高功率、高密部署、低PUE的使用需求，液冷还会采用比热

14、容更大的传热介质，如乙二醇水溶液、矿物油、氨化液等。标况下空气的定压比热容为1004kJ(kgk),水的比热容为4.2kJ(kgk),用于阿里浸没式液冷的氟化液比热容和汽化潜热分别为IIIokJ/(kgk)和88kJkg.:液体的比热容远高于气体散热效率实现极大提升。表2:液冷与风冷的差异差异点风冷液冷换热介质空气液体驱动部件风扇移除或部分移除风扇散热能力一般效果好，冷却液的比热容是空气的IoOO倍，散热能力远大于空气节能降耗PUE值2.2以内PUE值1.2以内噪音噪音高移除部分风扇，噪音低建设成本机柜只能低密布局，机柜占用机房面积较大，需传统精密空调和冷热通道设计可带来机柜高密布局设计，减少

15、机房占用面积，低PUE意味着电源、配电和备份基础设施的规模减小选址对环境气候、电力因素考虑要求较高不受空气质量与气候影响，不受能源政策限制，全国各地均可部署数据来源：锐捷网络，东方证券研究所数据中心数量增加&大型机架占比提升,总耗电量不断上升,增加能耗担忧。根据信通院数据，2017-2023年，数据中心机架数量从166万架增至520万架，年均复合增速超30%,大型规模以上机架数量从83万架增至420万架，总占比提升至80.8%O据信通院测算，2023年全国机架规模将持续增长，大型以上机架数量将增至540万架。能耗方面，2017-2023年，我国信息通信领域规模以上数据中心年耗电量年均增长28%,2023年全国数据中心耗电量达2166亿度，约占全国总耗电量的2.6%,碳排放量达1.35亿吨，占全国二氧化碳排放量的1.14%左右。据信通院测算，2030年我国数据中心耗电量将超过3800亿度。图7:中国数据中心耗电量及占比