数据中心冷水机组：风冷式和水冷式机组的选择

数据中心里的每台服务器、GPU 和交换机都会将电能转化为热能，而这些热量必须排出建筑物，同时又不能让 IT 设备过热。冷水机组正是实现这一目标的关键设备。它产生冷冻水，将热量带出机房，其设计在很大程度上决定了整个设施为了保持冷却而消耗的电力和水量。.

对于运营商和设施工程师而言，实际问题很少是某个场所是否需要冷水机组，而是哪种类型的冷水机组最适合负荷、气候和水质情况。本文将重点讨论这一决策，而不涉及芯片层面的细节。, 数据中心液体冷却, 我们将分别讨论冷却剂分配装置和制冷循环本身。.

冷水机组在数据中心冷却链中的位置

数据中心冷水机组是产生冷冻水并将机房热量排放到室外的制冷设备，其运行负荷取决于机架密度和所服务区域的气候条件。在机房内部，机房空气处理机组、机架式机组或直接对芯片的冷板回路会收集设备产生的热量并将其传递到冷冻水循环系统中。冷水机组的工作始于冷却返回的温水，终于将热量排放到室外环境。.

冷水机组只是其中的一个环节，而非整个系统。它如何完成与室外环境的最终连接，正是区分两大类冷水机组的关键所在，而这种差异也决定了下游系统的大部分成本和效率。.

风冷与水冷：真正的区别在于散热

“风冷”和“水冷”这两个标签描述的是冷却器散热的位置，而不是服务器的冷却方式。正确的选择取决于水的可用性和环境温度峰值。即使机房内循环使用冷冻水，仍然可以称之为“风冷”，因为这个术语指的是散热环节，而不是机架本身。.

风冷式冷水机组通过冷凝器盘管和风扇直接将热量排放到室外空气中，因此无需冷却塔，正常运行时耗水量也极少或无需耗水。水冷式冷水机组则将热量传递到冷凝器-水循环回路和冷却塔，最终通过蒸发排出热量。水冷式冷水机组的效率优势体现在物理层面，而非市场宣传：冷却塔的散热温度低于室外湿球温度，而风冷式冷凝器需要克服的干球温度较低，因此制冷剂在较低的温度下即可冷凝。 压缩机耗电量更少. 获得这种优势需要付出持续用水、水处理和更多工厂基础设施的代价。.

这张表格中隐藏着一个常见的尺寸设计错误。在炎热干燥的气候下，当夏季环境温度达到峰值时，风冷式冷水机组的冷凝器侧往往最先损失制冷能力。如果机组是根据温和设计日的气候条件设计的，那么在最关键的日子里，机组的制冷能力就会不足。避免这种情况的验证步骤是，将设计环境温度与最恶劣的当地气候条件进行比较，而不是使用年平均值。.

在比较冷水机之前，请确认相关标准和评级要点。

只有参照既定的评级标准，冷水机组的比较才有意义，因为除非采用相同的测量方法，否则两家制造商的数据不具有可比性。在比较不同机组的性能之前，务必确认每个数据的来源。.

• AHRI 550/590 (IP) 或 551/591 (SI) 该标准对工厂生产的蒸汽压缩式冷水机组进行评级，涵盖空冷式和水冷式机组。其定义以kW/ton为单位的满负荷效率（kW/ton ≈ 3.516 ÷ COP），并加上部分负荷下的IPLV和NPLV。需要注意的是，该标准本身也明确指出：IPLV代表的是单台冷水机组的平均性能，因此，针对特定建筑的分析能够更准确地预测实际能耗。.
• ASHRAE 标准 90.4 是数据中心的能源标准，适用于空调楼层密度超过 20 W/ft² 且 IT 负载超过 10 kW 的设施。它通过机械负荷分量 (MLC) 来评估设备，该分量是冷却、风扇、水泵和散热能耗与 IT 设备能耗的比值。ASHRAE 指出 MLC 与 PUE 并不直接对应，因此应将两者视为独立的指标。.
• ASHRAE TC 9.9 热力指南 设定允许的供水温度和湿度范围，这决定了冷冻水可以运行的温度，进而决定了该场所可以申报多少自然冷却时间。.
• 绿色网格 PUE 和 WUE 构建下文讨论的能源与水资源权衡框架。.

一份简短的预选清单可以避免这些问题变得抽象：设计日干球温度和湿球温度、目标冷冻水供回水温度、实际现场条件下的满负荷千瓦/吨和 IPLV/NPLV、冗余等级和由此产生的机组数量，以及包括补水、排污和处理在内的水预算。.

决定哪种冷却器类型适合您站点的因素

冷水机组的选择并非取决于单一的最佳技术，而是取决于一系列相互关联的现场变量。制冷负荷是首要考虑因素：中小型机组通常采用风冷式，而大型中央空调机组则更倾向于水冷式，尽管不同制造商公布的适用范围有所不同，而且一旦采用冗余设计，适用范围也会发生变化。气候因素也会影响最终结果，因为风冷式机组的制冷能力会随着干球温度的升高而下降，因此，漫长炎热的夏季会使水冷式或混合式机组的制冷量更优。.

水资源的可用性通常是决定性的制约因素。在水资源稀缺、成本高昂或受到管制的情况下，采用空冷或闭环设计可以避免持续抽取冷却塔水以及由此带来的审批风险。厂房空间和结构同样需要考虑：冷却塔、冷凝器管道和水泵都需要空间和结构支撑，因此，屋顶空间受限或改造项目通常更倾向于采用独立的空冷式机组。冗余设计会放大所有这些因素，因为 N+1 或 2N 的目标会增加机组数量和占地面积，以至于单台价格较低的机组在总安装成本上反而会处于劣势。.

反复出现的规格错误直接源于忽略以下变量之一：仅根据 IT 负载吨位进行尺寸设计、使用平均环境温度而非峰值环境温度进行验证、忽略湿球温度、忘记冗余增加的占地面积，以及从未确认冷却架构实际能够提供的回水温度。.

自然冷却和部分负荷运行，能量实际流向何处

冷水机组的实际能耗取决于部分负荷性能和自然冷却时间，而这两者受气候和冷冻水设定温度的影响远大于铭牌上的满负荷效率。数据中心一年中的大部分时间都处于部分负荷运行状态，因此40%或60%负荷下的性能比100%负荷下的额定值更为重要，而IPLV（瞬态过载功率）正是用于描述这一负荷范围的。.

自然冷却是区分高效制冷系统和高成本制冷系统的关键。当室外温度足够低时，冷水机组可以降低或停止机械压缩，利用环境温度冷却水。在温带气候下，这可以显著降低一年中大部分时间的压缩机能耗。提高冷冻水设定温度可以扩大这一范围，而合理分隔的冷热通道则允许制冷系统在不影响IT设备的情况下运行温度较高。.

这种权衡体现在两个指标上。PUE 等于设施总能耗除以 IT 设备能耗，WUE 等于站点年用水量除以 IT 设备能耗，单位均为升/千瓦时。一个设计方案可能在其中一个指标上表现优异，但在另一个指标上表现欠佳，因此，一个 PUE 值优异的水冷式电站可能 WUE 值很高，从而在缺水地区无法正常运行。在混合式空气冷却和液体冷却系统中，仅凭 PUE 值也可能低估实际情况，因此有时会添加诸如总功率使用效率之类的补充指标。需要尽早确认的是，该站点实际采用的是哪个指标进行评估。.

随着机架密度增加，冷却器和芯片级冷却如何分工？

随着机架密度超过室温空气的承载能力，冷却系统越来越多地采用芯片级液冷循环而非直接冷却空气，但其作为散热主干的作用并未改变。在直接冷却芯片的方案中，, 冷盘 在处理器处捕获热量， 冷却液分配单元 它管理着技术冷却回路，冷水机或干式冷却器将热量排放到室外。冷水机仍然位于冷却链的末端。.

一个边界条件常被误解：芯片直接冷却并不意味着必须使用更冷的冷冻水。根据冷板设计、冷却单元 (CDU) 进水温度、冷却剂类型和芯片进水限制等因素，某些架构允许使用明显更高的冷冻水或二次回路温度，从而提高自然冷却效率和提升效率。这些更高的设定值是特定架构的结果，而非通用设计值，因此必须针对实际回路进行验证，而不能想当然地认为它们适用。不变的是，冷却器必须与其所服务的冷却架构相匹配：更高的机架密度和特定的冷却剂温度会改变工厂需要处理的回水条件。.

最终，选择冷水机还是要看它所服务的负荷。

冷水机组的选择取决于三个相互关联的变量：散热位置、气候和水资源状况以及冗余负荷分配。风冷或水冷的选择取决于具体场所的适用性，需参考AHRI额定满负荷和部分负荷数据以及ASHRAE 90.4标准对整体机械负荷的评估，而非质量排名。.

在 Trumonytechs，我们的工作位于这条链条的芯片到冷却液的环节，具体来说是冷板和 热界面材料 冷却器最终会将循环回路中的热量排出。从这个角度来看，在确定冷却器型号之前，有一个变量反复成为决定性因素：回水温度，因为它决定了冷却器蒸发器的工作状态、可用的自然冷却时间、冷却装置 (CDU) 的进水温度以及芯片实际接触到的冷板入口温度。如果基于过于乐观的冷却剂温度来构建芯片级循环回路，即使是额定功率正确的设备也可能难以正常工作。.

如果您正在为冷水机组匹配冷却架构，下一步务必在比较设备之前确定设计的干球温度和湿球温度、目标冷冻水供回水温度以及冗余层级。在芯片端，请提供冷板热负荷、芯片热设计功耗 (TDP)、冷却液类型、目标冷媒分配单元 (CDU) 进出口温度、导热界面材料 (TIM) 厚度和导热系数以及压降预算，我们的工程团队可以帮助您将芯片级冷却设计与您计划的散热系统相匹配。.

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