液冷温控：智算中心的重要保障

证券研究报告|2024年7月29日 【国信通信·行业专题】 液冷温控——智算中心的重要保障 行业研究·行业专题通信 投资评级：优于大市 证券分析师：马成龙 02160933150 machenglong@guosen.com.cnS0980518100002 01 液冷温控：智算中心的稳定器 02 液冷驱动温控价值提升，国内市场空间近百亿 03 温控厂商受益趋势明确，电子散热加速国产替代 02 投资建议 AI时代数据中心热密度加速提升，液冷应用成为刚需。智算中心需要在稳定温度环境中运行，温控技术必不可少。AI时代，算力芯片功率持续提升，设备功率密度触及传统风冷降温方式极限，液冷技术应用大势所趋。当前阶段，液冷应用主要采用冷板式技术；浸没式方案是长期发展方向。同时，国内PUE考核趋严，运营商液冷白皮书规划有望进一步加速国内液冷应用。 液冷的通用架构可分为机房侧（包括一次侧设备和二次侧设备）以及ICT设备侧（如冷板模组等）： 机房侧：二次侧设备包括Manifold、CDU、管路、动环系统等，一次侧设备主要包括室外冷水机组。目前冷板式液冷的单位价值量约在 5000-6000元/kw，基于此我们预计国内液冷渗透率2024年进入加速期，对应2025年机房温控市场规模有望达140亿； ICT设备侧：服务器液冷均热板已开始加速使用，与核心芯片（如GPU）为1:1对应关系，单位价值量约1000-2000元，2025年国内市场为30-60亿元。 温控厂商受益趋势明确，电子散热加速国产替代： 产业链竞争格局：目前液冷仍处于产业发展初期阶段，服务器厂商、温控厂商、零配件公司、互联网大厂都参与其中，互相渗透，体现出竞争格局混乱的特征。但长期来看，解耦交付是大趋势。温控厂商依靠专业化的能力，产业链地位会逐步提高。其中，国产温控公司有望依靠定制化能力、服务响应、后期运维等优势逐步提高市占率。 电子散热竞争格局：随着液冷技术不断成熟，本土公司对于部分零配件的生产能力逐步增强，有望由外采改为自己设计制造模式，从而逐步参与到电子散热市场中。同时，原先其它消费电子领域的公司，通过跨界，也参与到竞争中，在国产替代背景下，份额提升。 投资建议：随着芯片功率提升、单机柜密度提升，液冷成为AIDC时代的必选散热技术。我们认为在长期解耦交付发展趋势下，具备系统级理解能力的专业温控厂商有望更为受益行业发展趋势，同时部分与芯片方案具有绑定关系的厂商竞争优势更为明显，重点推荐英维克，推荐关注申菱环境等。 归母净利润（百万元） EPS（元） PE 收盘价 总市值 产业链 代码 简称 投资评级 PB 20232024E2025E20232024E2025E20232024E2025E（7月25日）（亿元） 表1：重点公司盈利预测及估值（截至7月25日） 温控设备 002837.SZ英维克优于大市3445357030.610.720.9536.831.123.6622.42166 301018.SZ申菱环境优于大市1052853630.391.071.3752.619.215.02.220.5155 资料来源：Wind，国信证券经济研究所整理和预测；申菱环境采用Wind一致预期 一、液冷温控：智算中心的稳定器 温控对于保障高密度算力中心正常稳定运转有重要的意义。大多数服务器和网络设备的工作温度范围在5摄氏度至35摄氏度之间。为了确保设备的最佳运行状态和延长使用寿命，国际标准建议IDC机房的温度应控制在22摄氏度至24摄氏度之间。如果温度过高，设备容易过热导致损坏；如果温度过低，设备易产生冷凝水，导致短路和损坏。 智算中心（AIDC）中，液冷不可或缺。随着智算中心所采用芯片功耗的提升、单机柜功率密度的快速增长，传统风冷逐渐触及温控性能极限，液冷温控成为算力中心温控的必备技术。 图1：智算中心运行环境 资料来源：英维克官网，国信证券经济研究所整理 图2：CPU/GPUTDP变化趋势 资料来源：维谛技术官网，国信证券经济研究所整理 温控底层技术主要分为：风冷、冷冻水（间接蒸发冷）、液冷、相变材料、电子散热技术（导热材料散热、热管散热、均热板等）。 数据中心存量场景中以风冷为主，液冷技术的使用比例正不断提升 表2：主要温控方式及使用场景对比 冷却方式使用场景举例渗透率优点缺点 数据中心 运营商、第三方IDC、政企等中小型IDC 存量70%以上，新增占比下降 相对节省场地，形态多样（列间、行间等）、提高空能耗相对较高，低PUE下发展受到一定限间利用率、经济效应相对好制（一般PUE1.2以下用传统的风冷比较 难实现） 风冷动力电池奇瑞、江淮、北汽存量多以风冷为主 储能电池100MWh以下风冷为主存量90%以上，新增高容量电池占比 下降 1）适用于所有类型电池，构造简单成本低； 2）安全性能相对好，不用担心液体泄露等 大功率电池上使用发展受限，空气出口/出口温差较大，降温效果无法保障 3）相对于液冷降温效果有限。 在成本端节省；3）“三合一”省去组装等步骤 据中心渗透率持续提升 对于PUE要求在1.3以下的超大型数1）相对风冷能够有效降低PUE水平；2）相对于液冷1）占地面积较大；2）需要消耗水资源； 腾讯IDC、部分新增大型IDC 数据中心 间接蒸发冷 数据中心阿里云、中科曙光超算数据中心等渗透率较低，除部分超算外较少采用降温效果好，对于高密度场景（eg功率密度＞15KW 成本较高，浸没式液冷可放置服务器数量 ） 目前 液冷动力电池众泰、帝豪、比亚迪、蔚来、东风逐渐成为主流趋势 御风、宇通公交 有明显优势 大大减小 存在漏液的可能；重量相对较大；维修和 与电池壁接触面之间换热系数高；冷却、加热速度快； 储能电池新增中高功率储能以液冷为主 体积较小；散热效果好 保养复杂；需要水套、换热器等部件，结 构相对复杂 相变冷 （直冷） 工业为主（未来可如农业、科研等目前主要以工业的一些场景为主能用于动力电池） 1）空间需求小；2）换热速率大；3）允许电池在大功率条件下运行避免电池过早退化（是未来动力电池发展的重要技术路径之一） 1）在新能源领域缺乏应用案例；2）缺乏热机械性于散热性能定量描述 数据来源：中国热管理网、施耐德、IDC、CDCC、公司公告，国信证券经济研究所整理 风冷式冷水机组主要是利用制冷剂气体的循环达到冷却效果：1）压缩机吸入蒸发制冷后的低温低压制冷剂气体后压缩成高温高压气体送入冷凝器；2）高压高温气体经泠凝器冷却后使气体冷凝变为常温高压液体；3）常温高压液体流入热力膨胀阀经节流形成低温低压湿蒸汽，后再经过冷却后回到压缩机形成循环。 优点：体积相对较小，免去冷却塔等安装设施； 缺点：制冷效果相对有限，易受到环境温度影响； 主要应用场景：数据中心、新能源、工厂、服务器等。 表3：风冷式冷水机组核心部件及工作原理 部件名称原理 压缩机将经过蒸发器后吸收了热能的制冷剂气体压缩成高压气体，然后送到室外机的冷凝器 冷凝器将高温高压气体的热能通过风扇向周围空气中释放，使高温高压的气体制冷剂重新凝结成液体，然后送到膨胀阀 膨胀阀使中温高压的液体制冷剂通过其节流成为低温低压的湿蒸汽，然后制冷剂在蒸发器中吸收热量达到制冷效果 风机通过风机将热能向周围空气中释放（通常精密空调制冷量越大所需风机数量越大） 资料来源：瀚信德官网，国信证券经济研究所整理 图3：风冷式冷水机组工作原理 资料来源：瀚信德官网，国信证券经济研究所整理 水冷冷水机工作原理：主要利用液体的循环&交换降温：利用壳管蒸发器使水与冷媒进行热交换，冷媒系统在吸收水中的热负荷，使水降温产生冷水后，通过制冷压缩机的作用将热量带至壳管式冷凝器，由冷媒与水进行热交换，使水吸收热量后通过水管将热量带出外部的冷却塔散失(水冷却)）。 优点：能耗方面相对风冷更节能、受季节影响小全年降温效果更好； 缺点：前期设备投入较大、消耗水资源、后期维护成本高； 主要用用场景：工厂、互联网IDC、输配电升压站等。 水冷与液冷差异：数据中心水冷一般指间接蒸发冷，实质是一种高端风冷，对机房内仍采用送风形式降温。 图4：间接蒸发冷产品示意图（左：干模式，右：湿模式） 通过水的蒸发相变吸热制冷，对室内设备通过送风制冷 资料来源：华为数字能源白皮书，国信证券经济研究所整理 液冷主要原理为用液体替代空气作为冷媒，为发热器件换热。相比风冷，液冷的主要原理是用液体替代空气作为冷媒，为CPU、芯片组、内存条以及扩展卡等发热器件进行换热，带走热量。在节能、成本、节地、芯片可靠性、机房环境等多维度，液冷相比风冷均具备优势。 液冷主要可分为冷板式、浸没式、喷淋式三大类。按照接触方式，液冷主要可分为冷板式、浸没、喷淋式三大类。其中，按照是否相变，冷板式液冷可分为单相冷板式液冷、两相冷板式液冷，浸没式液冷可分为单相浸没式液冷、相变浸没式液冷。 液冷方案 非接触式液冷 接触式液冷 冷板式 浸没式液冷相变浸没式单相浸没式 喷淋式 投资成本 初始投资中等，运维成本低 初始投资及运维成初始投资及运维成本高本高 <1.05<1.09复杂 阿里巴巴、H3C、 仅曙光绿色云图、云酷智能、曙光数创 超算领域较多较多 初始投资最高，初始投资较高，PUE收益最高，需PUE收益较高，部使用专用机柜，服 分部件不兼容，服 务器结构需改造为 务器结构需改造 刀片式 结构改造及液体消耗成本大，液冷系统初始投资成本低 <1.1复杂仅广东合一 数据中心场景无批量使用 初始投资较高，运维成本高，液体消耗成本高，PUE收益中等，部署方式同浸没式，服务器结构需改造 PUE 1.1-1.2 可维护性 较简单华为、浪潮、曙光、 供应商 联想、超聚变等主流供应商 应用案例 多 初始投资中等，运维成本低，PUE收 分析 益中等，部署方式与风冷相同，从传 统模式过渡较平滑 表4：液冷技术对比 图5：液冷方式分类 资料来源：IDC《中国液冷数据中心发展白皮书》，国信证券经济研究所整理 资料来源：中国移动《冷板液冷服务器设计白皮书》，国信证券经济研究所整理 液冷系统通用架构可拆解为机房侧和ICT设备侧两部分，机房侧可进一步分为一次侧和二次侧两部分，浸没式和冷板式液冷在机房侧架构基本相同，差异主要在ICT设备侧： 一次侧：包含冷却塔、一次侧管网、一次侧冷却液（通常为水）。室外侧为外部冷源，通常为室外的冷水机组、冷却塔或干冷器，热量转移主要通过水温的升降实现； 二次侧：包含CDU、液冷机柜、二次侧管网和二次侧冷却液。室内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中的板式换热器发生间壁式换热； ICT设备侧：浸没式采用Tank安装制冷工质，ICT设备浸于其中；冷板式主要采用冷板贴于核心热源（CPU、GPU、内存）等上方。 制冷工质的选择：冷板式通常采用乙二醇/丙二醇溶液（基于防冻考虑）或去离子水；浸没式通常采用氟化液、矿物油（如硅油）等。 图6：液冷系统通用架构 资料来源：中兴通讯《液冷技术白皮书》，国信证券经济研究所整理 图7：一个典型冷板式液冷机房的布局和部件拆解 一次侧（机房外），核心设施为外部冷源（如冷却塔） 冷板 二次侧（机房内） 快接头 CDU （冷量分配单元） 机架顶Manifold 服务器内部 液冷机柜 竖向Manifold 资料来源：Vertiv官网，国信证券经济研究所整理 冷板式和浸没式液冷方式各有优劣： 冷板式：优点在于设备改造幅度较小，兼容度、初始投资/改造成本较低，推广更为容易；缺点在于散热效率低于浸没式液冷， 150KW以上机柜散热存在压力； 浸没式：优点在于散热效率最高；缺点在于制冷工质成本高，且常用的制冷工质氟化液具有致癌/激素紊乱等毒性问题，同时改造和初始投资成本大，对机房基础设施有更高要求。 目前液冷方式以冷板式为主。冷板式液冷对于数据中心的改造难度较低，