高算力数据中心风液融合制冷系统技术演进与工程应用研究

摘要

人工智能大模型驱动单机柜热负荷提升至50 kW以上，传统风冷系统在30 kW/机架工况下达到散热极限；同时国内“双碳”政策将PUE≤1.3划定为新建算力中心硬性准入指标，数据中心温控赛道由单一设备性能竞争转向全链条系统集成能力竞争。本文构建一次侧冷源—二次侧温控—液冷系统三层矩阵式架构，梳理干冷器自然冷却、磁悬浮机组混合制冷两类工程落地架构，系统阐释风液同源协同运行机理；围绕CDU、液冷管网全链路工程实施要点，剖析磁悬浮冷源、双线兼容、智慧能碳调控四大核心技术优势，为高密度AI数据中心低碳制冷方案设计、分期改造工程落地提供完整技术参考。

关键词：高密度数据中心；风液融合；磁悬浮冷水机组；液冷；自然冷却；PUE

1引言

数字算力基础设施快速扩容，单机柜功率密度由传统5~8 kW攀升至50 kW及以上，常规风冷依靠空气对流换热，热密度超过30 kW/rack后换热效率急剧衰减，无法满足AI服务器持续散热需求。国家“双碳”战略持续强化数据中心能耗管控，PUE低于1.3由优化指标转变为项目审批硬性门槛。在此背景下，行业技术路线逐步转向液冷为主、风液协同的一体化制冷方案。

当前行业研究主要分为四大技术方向：磁悬浮高效冷源、双冷源风墙末端、CDU 板式液冷分配、风液融合系统集成。现有文献多聚焦单一设备性能测试，缺少分层系统架构、多地域适配方案、软硬件协同调控的整体性论述。本文依托三层矩阵式设备架构，结合两类工程拓扑图纸，完整阐述风液同源制冷体系的设备参数、运行逻辑、工程难点与行业发展前景。

2三层矩阵式制冷系统总体架构

按照一次侧冷源、二次侧温控、液冷系统分层矩阵架构，可适配纯风冷、风液混合、全液冷三类机房场景，兼顾新建园区与老旧机房改造需求，各层级设备参数与技术特征如表1所示。

表 1 三层矩阵式制冷系统设备参数与技术特征

双冷源风墙是风冷末端核心设备，两套独立换热回路实现季节化节能运行：冬季依托室外低温空气驱动氟泵自然冷却回路，压缩机功耗接近零；夏季高温工况切换冷冻水主回路承载峰值散热负荷。

3风液同源一体化制冷工程架构

风液融合体系核心特征为同源共享、统一调控：风冷末端、液冷末端共用一套一次侧冷源管路，搭载 Optseek 能碳智慧管理平台统一调度，基于 AI 算法完成负荷预测、冷量动态分配、系统能效全局寻优，区别于风冷、液冷设备简单拼接的传统混合方案。工程落地形成两类主流成熟架构。

3.1干冷器驱动全自然冷液冷架构

一次侧冷源仅配置冷却塔、循环水泵、干冷器，无压缩式冷水机组，依靠室外低温空气全年自然冷却；二次侧同步部署CDU、标准化二次液冷环网、双冷源风墙、液冷服务器。液冷回路承担AI服务器高密度核心热负荷，双冷源风墙负责机房环境余热散热，两套末端协同运行。

该方案适配“东数西算”西部低温区域，冬季可实现100%自然冷却运行，几乎无压缩机能耗，全年PUE优化潜力大，系统管路简洁、运维成本低。

3.2磁悬浮冷机驱动混合制冷架构

一次侧冷源配备水冷磁悬浮机组、风冷磁悬浮机组、带自然冷却风冷冷水机组，磁悬浮机组部分负荷COP可达12以上，无油轴承结构大幅降低低负载工况能耗；二次侧集成冷冻水风墙、CDU、干冷器、冷却塔多类末端设备，同时兼容风冷扩容、高密度液冷、过渡季自然冷却多重需求。

该架构适配中东部高温高湿地区大型数据中心，磁悬浮机组稳定应对夏季峰值热负荷，干冷器回路降低春秋季能耗；冷源设备品类丰富，支持传统风冷机房向AI液冷集群渐进式升级。

4液冷系统全链路工程化关键技术

制冷系统整体稳定性由全链路薄弱环节决定，仅单独部署CDU或冷板无法保障机房长期稳定运行，完整液冷体系需覆盖冷源、分配单元、管网、末端冷板全链条配套设备：

CDU冗余温控设计：冷量覆盖300~2500 kW全区间，标配双循环泵、双路供电冗余架构，出水温控精度控制在±0.5 ℃以内，保障服务器芯片热环境稳定；

标准化模块化液冷管网：集管+快速接头成套管路，支持机柜分批加装、后期扩容改造，缩短现场施工周期；

全系统交钥匙集成交付：单一厂商统筹冷源、风墙、液冷管网、智慧控制平台全流程设计、供货、调试，统一承担系统能效、温控指标责任，规避多设备供应商协同故障风险。

各层级全套设备品类如图所示：

5风液融合制冷体系核心竞争优势

5.1磁悬浮冷源设备自主可控

磁悬浮压缩机核心部件至整机实现垂直整合，摆脱海外核心部件技术依赖；无油润滑结构对比传统螺杆、涡旋机组，部分负荷能效提升 30% 以上，匹配数据中心常年低负荷运行工况。

5.2洁净工艺基底带来高设备可靠性

设备研发基础源自高精度洁净环境温控工艺，出厂冗余设计、温湿度控制标准高于常规数据中心设备，天然适配算力中心7×24 h不间断运行需求，降低散热停机故障概率。

5.3风液双线兼容，支持渐进式升级

同步掌握双冷源风墙风冷成套技术与板式液冷系统技术，可分阶段实施机房改造：初期仅部署风墙满足中等密度机柜散热；后期新增高密AI机柜时，直接加装CDU与液冷环网，原有一次侧冷源、智慧调控平台无需更换，大幅降低改造成本与施工周期。

5.4软件定义能碳一体化智慧调控

配套Optseek能碳管理平台，内嵌AI负荷预测算法与算力行业垂类大模型，依托海量机房运行数据持续迭代优化模型；统筹冷源、风冷末端、液冷回路全局冷量分配，实现全系统能效最优，长期运行数据沉淀形成行业技术壁垒。

6业发展展望

当前高密度算力温控行业竞争趋于白热化，技术路线呈现多元化发展趋势：板式冷板液冷持续迭代、浸没式液冷逐步试点应用，同时海外设备合规、进出口技术限制等外部变量持续存在。

长期来看，以洁净温控工艺为底层基础、磁悬浮高效冷源为核心、风液分层融合系统为实施路径的全链条制冷方案，可同时适配高密度散热、低碳 PUE 管控、分期改造、稳定运维多重行业刚需。在AI算力持续扩张、国家能耗管控收紧、液冷技术渗透率逐年提升的行业背景下，风液一体化分层制冷系统将成为新一代大型算力枢纽主流技术方案。