液冷，顺应低碳数字时代需求的高效冷却技术

行业研究|深度报告 看好（维持） 液冷，顺应低碳数字时代需求的高效冷却技术 通信行业 国家/地区中国 行业通信行业 报告发布日期2023年06月08日 核心观点 液冷具有比风冷更高的冷却效率，可分为直接液冷（如冷板式液冷）和间接液冷 （如浸没式液冷）。由于液体的比热容远高于气体，因此相比于常见的风冷技术， 液冷可实现散热效率的极大提升。根据接触方式的不同，液冷可分为两种：（1）冷板式液冷属于间接接触型液冷技术，通过装有冷却液的冷板与设备接触进行散热，该液冷技术发展较早且改造成本较低因而技术更成熟、生态更完善，目前属于液冷中应用最为广泛的技术之一；（2）另一种是直接接触型液冷技术，较为典型的是浸没式液冷，是指将发热器件浸泡在冷却液中，两者直接接触以协助器件散热，该技术可更大程度上利用液体比热容大的特点，进一步提升制冷效率。 数据中心领域：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%。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，根据 《绿色高能效数据中心散热冷却技术研究现状及发展趋势》，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。IT设备在工作中会产生热量，而过热和过湿又会反过来损害设备，削弱设备性能、降低设备寿命，因此需采用冷却技术进行降温。目前数据中心冷却仍以风冷为主，但随着数据中心数量增加、大型机架占比提升，数据中心高耗电的问题已不容忽视，政策对于PUE的要求也日趋严格，另一方面，高算力需求或将推动数据中心功率密度的提升，进一步提升液冷需求。2023年6月5日，三大运营商发布《电信运营商液冷技术白皮书》，提出运营商将于2023年开展技术验证；2024年新建数据中心项目10%规模试点应用液冷技术；2025年50%以上数据中心项目应用液冷技术，有望催化液冷技术渗透率的提升。 储能领域：2025年渗透率有望达到45%左右。储能系统是一个由大量电池、PCS、BMS、EMS、温控、消防等子系统组成的复杂系统，其中电池是系统的核心部件。温度对电化学储能系统的容量、安全性、寿命等性能都有影响，因此需要 投资建议与投资标的 对储能系统进行热管理。在储能系统应用的热管理方案中，目前只有风冷和液冷进入大规模应用。从供给端看，液冷方案具有技术成熟度高、冷却效果好、对系统的性能有积极影响等优势；从需求端看，储能系统更大容量、更多场景的发展方向，对热管理的要求越来越高，液冷方案的性能与之更匹配。因此液冷方案逐渐发展成为增量储能场景下的主流。根据GGII测算，2025年液冷在储能温控市场中占比有望达45%。 建议关注1）温控液冷厂商：英维克(002837，未评级)、曙光数创(872808，未评级)、佳力图(603912，未评级)、申菱环境(301018，未评级)、同飞股份(300990，未评级)、高澜股份(300499，未评级)；2）布局液冷的IDC厂商：网宿科技 (300017，未评级)、科华数据(002335，未评级)、润泽科技(300442，未评级)。 风险提示 算力投资不及预期，超算中心、智算中心发展不及预期，液冷技术实际应用发展不及预期，相关假设影响风冷、液冷方案成本测算结果风险 证券分析师张颖 021-63325888*6085 zhangying1@orientsec.com.cn执业证书编号：S0860514090001香港证监会牌照：BRW773 证券分析师卢日鑫 021-63325888*6118 lurixin@orientsec.com.cn 执业证书编号：S0860515100003 证券分析师施静 021-63325888*3206 shijing1@orientsec.com.cn 执业证书编号：S0860520090002香港证监会牌照：BMO306 联系人王婉婷 wangwanting@orientsec.com.cn 联系人温晨阳 wenchenyang@orientsec.com.cn 运营商发布液冷技术三年规划，国内液冷 2023-06-05 应用有望加快发改委公开征求两部电力领域管理办法意 2023-05-22 见，进一步推动智能电网建设利润端良好增长，有望受益于800G高端 2023-05-14 产品放量：——光模块光器件板块2022年报及2023一季报综述 有关分析师的申明，见本报告最后部分。其他重要信息披露见分析师申明之后部分，或请与您的投资代表联系。并请阅读本证券研究报告最后一页的免责申明。 目录 一、液冷技术原理概述5 1.1冷板式液冷5 1.2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8 2.1数据中心领域：冷板式液冷为主8 2.2储能领域：液冷方案成为主流趋势11 三、液冷方案应用现状15 3.1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%.153.2储能液冷：2025年渗透率有望达到45%左右17 四、投资建议20 4.1英维克20 4.2曙光数创21 4.3佳力图21 4.4申菱环境22 4.5同飞股份22 4.6高澜股份23 4.7网宿科技24 4.8科华数据24 4.9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：单相浸没式液冷原理图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15：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18：2020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BattCool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2022年年报）23 一、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（PowerUsageEffectiveness，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）中的板式换热器发生间壁式换热，工质不做混合。 CDU是关键部件之一，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一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2℃的水平，以防止冷凝现象发生。 图1：开式循环系统的冷板式液冷整体链路图 数据来源：《绿色数据中心创新实践——冷板液冷系统设计参考》，东方证券研究所 1.2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生的热量带走。根据冷却液在循环散热过程中是否发生相变，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器冷却；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（CDU），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。IT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。 图3：双相浸没式液冷原理图图4：双相浸没式液冷需要冷凝管实现气态到液态的转换 数据来源：周婷等《液冷技术在数据中心中的应用》，东方证券研究所数据来源：朱佳佳等《数据中心浸没式液冷技术研究》，东方证券研究所 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、生态更完善、改造成本更低，因此目前以冷板式液冷为