液冷数据中心如何分解PUE并权衡泵功耗

数据中心运维管理 2026-10-26 19:07 黑龙江

导语：液冷常被当作"天然的省电方案"，但 PUE 这个指标既测不出总能耗，也盖不住口径分歧。要把冷却电费真正降下来，得先把非 IT 能耗拆到分项，看清钱花在哪一段，再决定泵该怎么转——顺序颠倒，很容易省在泵上、花在冷机上。

图1 · 主题配图（示意配图 / 实物风格，非特定厂商实物）

一、PUE 到底在量什么，又量不出什么

PUE（Power Usage Effectiveness，电能使用效率）由美国绿色网格组织（The Green Grid）在 2007 年提出，定义为数据中心总设施能耗与 IT 设备能耗之比，同期提出的 DCiE是它的倒数[1][2]。PUE = 1.0 意味着进入数据中心的每一瓦电都送到了 IT 负载，任何大于 1 的部分都是支撑性开销。

定义简单，边界却从来没有天然统一。白皮书只给了"总设施能耗"与"IT 设备能耗"两个量，并没有规定：UPS 的转换损耗算 IT 侧还是设施侧；IT 设备自身的散热风扇用电算不算 IT 能耗；测点取在进线总表还是在 PDU 输出端。为此 The Green Grid 后续引入了按测量精度分级的 PUE 类别，国际标准 ISO/IEC 30134-2 进一步规定了测点位置与计算方法[3]。同一座机房，测点不同，读出的 PUE 可以差 0.1 以上——这是比对任何 PUE 数字之前必须先问清的第一件事。

第二件事是 PUE 的"免责范围"。它是一个比值，不是一个总量：既不反映 IT 设备本身的效率，也不反映数据中心的总能耗规模。中国信息通信研究院在《绿色算力技术白皮书》中明确列出 PUE 的局限——无法体现基础设施与 IT 设备内部各模块的节能情况、不同规模数据中心的 PUE 标准难以统一、缺乏对 IT 效能要素的评价，这也是 WUE、CUE、IUE 等指标相继被提出的原因[4]。把 PUE 做低，不等于把电费做低。

当前同一指标下的口径落差有多大，看这张表更直观：

表1 · 同一指标、不同口径。政策值 1.25 是设计与合规门槛；商业宣称的低值通常出现在 PUE 测量类别较优、未含 IT 风扇与部分配电损耗、且处于理想气候与高负荷率的条件下；实测值则是把所有波动都算进去的年平均值。三者不可直接横向比较。

二、液冷压低 PUE 的关键，不在"用液体"，在于冷源变暖

液冷首先改变的是末端输配介质。空气在常温常压下的体积热容约为 1.2 kJ/(m³·K)（ρ ≈ 1.20 kg/m³、c_p ≈ 1.005 kJ/(kg·K)），水约为 4180 kJ/(m³·K)，两者相差约 3500 倍（本文按常规物性自算；工程指南亦给出同一量级[10]）。把同样的热量搬出机房，所需的体积流量小三个数量级——这才是液冷能大幅削减末端风机与输配能耗的物理根源，而不是"液体导热更好"这种笼统说法。

但 PUE 的分子里，末端输配只占一小段。真正的大头在冷源：冷机开多久，取决于允许的一次侧供水温度有多高。ASHRAE TC 9.9 的液冷等级正是按这个温度上限划分的，第 5 版把命名改成了与上限数值对应的一组等级[11][12]：

表2 · ASHRAE液冷等级按一次侧供水温度上限划分，所有等级的下限均为 2 ℃[11][12]。

这里有两个容易被忽略的口径细节。其一，早期资料用 W1~W5 命名（W1 对应 17 ℃，W5 对应高于 45 ℃），与现行 W 类一一对应但极易混淆，跨资料引用时务必先对齐命名版本[11]。其二，第 5 版收紧了"合规"的定义，要求 W 类声明反映设备真实的设计工作点，而不是它能存活的最宽极限——按旧口径很多机型可以标称更宽的等级，新口径下不能[11]。

工程含义因此很明确：液冷对 PUE 的贡献，主要不是"用水吸热更高效"，而是通过允许更高的供水温度，把冷机从能量账里尽量划掉。若一边上液冷、一边仍按 17 ℃ 供水运行，冷机照开，末端省下的那点输配电根本补不回来。

图2 · 液冷冷板与管路连接件（示意配图 / 实物风格，非特定厂商实物）

三、一组同冷源实测：末端换了，冷源仍是最大项

2026 年发表的一项对比实验提供了难得的数据：在同一 IT 热负荷、同一台风冷冷机（ACC）作冷源的条件下，直接比较风机墙风冷系统与单相浸没液冷系统的能耗与 PUE[9]。结论有三层。

第一层是均值。浸没系统年均 PUE 约 1.27，风冷系统约 1.50，改善约 15.3%[9]。

第二层是波动，而这部分往往被忽视。风冷系统因 ACC 启停控制，PUE 呈周期性波动，范围 1.16 ~ 1.611.62，瞬态峰值可达 1.751.80；浸没系统则稳定在 1.25~1.29 的窄带内[9]。波动上限几乎覆盖了液冷的全部改进幅度。对按 PUE 分档征收差别电价的地区，触发条件看的是上限而非年均值，这一层的意义大于第一层。

第三层是分项结构，也是最反直觉的一层。在该实验中，两套系统的 ACC 都占各自总能耗的 77~80%；风冷的辅助侧为水泵 19%、风机墙 4%；浸没系统为热源泵 8%、CDU 7%、负载泵 5%[9]。也就是说，即使把末端从空气换成液体，冷源依旧是最大单项。

关于这组数据，必须补一句审慎的说明：该文中两套系统的 ACC 占比同为 77~80%，但总能耗相差 2.1 倍（风冷 15961 kWh、浸没 7498 kWh）[9]。若 IT 热负荷与冷源设备相同，冷机的绝对能耗不应相差一倍——可能的解释是两套系统的计量边界与运行工况并非完全可比，例如风冷侧存在额外的风机热负荷、或为满足更小的送回风温差而需要更低的蒸发温度，从而压低了冷机 COP。本文因此只采用该文的分项结构与波动特征，不采用其总能耗绝对值；该绝对值有待核实。

图3 · 左：两套系统的能耗分项（归一化，分项之和存在约 2% 的未分配余项）；右：同一指标下的多来源口径并列。本文绘制。

四、泵功耗：三次方既是朋友，也是陷阱

离心泵的相似定律（affinity laws）给出同一台泵仅改变转速时的三条关系：流量与转速成正比、扬程与转速的平方成正比、轴功率与转速的立方成正比[13]。转速降到 85%，轴功率只剩 61%；降到 70%，只剩 34%。变频调速之所以被反复强调，全部理由就在这个三次方里。

但相似定律有明确的适用边界，用错方向代价很大。它成立的前提是几何相似、效率不变，且工作点不显著偏离高效区（BEP）；叶轮切削与转速变化的幅值一般建议控制在 10% 量级以内，超出后效率下降、内部回流与必需汽蚀余量（NPSHr）都会变化，实际值将偏离三次方关系，必须回到厂家泵曲线核对[13][14]。换言之，三次方是选型与节能潜力估算的好工具，不是运行工况的替代品。

那么泵功到底占多少？用两个基础公式算一遍。

先看流量基准。OCP 给出的液冷机柜参考流量区间为 1.25 ~ 2.0 L/(min·kW)，工程上常取 1.5 L/(min·kW) 作为安全港（该区间经第三方技术分析转述，规范原文未核验）[15]。这个数看似经验值，其实可以直接验证：对纯水而言，1.5 L/(min·kW) 意味着每 kW 热负荷对应 0.025 kg/s 的流量，代入 Q = ṁ·c_p·ΔT 得 ΔT = 1000 /(0.025 × 4180) ≈ 9.6 K——恰好落在通常要求的 10 K 温升上限之内。这说明 1.5 L/(min·kW) 本就是按 10 K 温升反推出来的安全港数值，而不是独立的实测量。

再看泵轴功率。按 P = Δp·Q / η 估算：以一个 100 kW 机柜为样本，流量 150 L/min 即 0.0025 m³/s；取二次侧回路（冷板 + 快接头 + 歧管 + 管路）总压降 150 kPa、泵综合效率 60%，则 P ≈ 150000 × 0.0025 / 0.6 ≈ 625 W，约为该机柜 IT 功率的 0.6%（本文量级估算，压降与效率为假设值）。

对照来看，有检测机构给出冷板式液冷"泵功比 PPR ≤ 0.15"的口径[16]，比上面这个自算值高了两个数量级。差异来自分子边界：PPR 类指标通常把 CDU 内全部水泵及辅助设备的功耗（有时还包括干冷器风机等非 IT 端设备）一并计入，而本文按基础公式只算了二次侧循环泵在额定点的水力功率；该指标的具体定义细节未核实，引用这一类比值时务必先问清"分子里装了什么"[16]。

由此可以得出一个对运维有实际意义的判断：泵本身不是数据中心的主要能耗项，但它的可控性远好于冷源。因为存在三次方关系，在负载率低的时段按需降速，能拿到的节能量远大于泵在总能耗中的占比。第三方技术分析指出，定流量运行的 CDU 泵在低负载时段会浪费 15~40% 的泵能，改为按需变流量可将低功率阶段的泵耗降低最多 70%[17]。需要注明：该数字出自厂商技术宣传（文中同时提及一项控制方法专利 US 11,579,933），属公司口径，本文未独立核实。

五、流量—温升—泵功：一对必须同时看的两端

泵功的另一面是换热。冷板回路的温升由能量守恒直接决定：

ΔT = Q /(ṁ·c_p)

式中 Q 为回路吸收的热功率，ṁ 为质量流量，c_p 为工质定压比热。流量与温升成反比——这是液冷系统里最硬的一条约束。

于是取舍出现了：若通过降低转速把流量压到设计值的 70%，泵功降到 34%，但同一热负荷下的回路温升会从 9.6 K 抬到约 13.7 K。温升抬高的代价不在泵上，而在上游：入口温度不变时出口温度上升，意味着要么放宽芯片侧的结温约束，要么让 CDU 提供更低的二次侧供水温度——后者会把冷机重新拉回能量账里。省在泵上、花在冷机上，是 PUE 分解后最容易踩的坑。

反方向同样不划算。冷板热阻中的对流项 R_conv = 1/(hA)，而管内湍流充分发展时的换热系数按 Dittus-Boelter 关联式近似有 h ∝ Q^0.8（该式适用于 Re > 10⁴、0.7 ≤ Pr ≤ 160 的充分发展湍流管流，且要求温差不致引起显著的物性变化）[18]。流量的指数是 0.8，泵功的指数是 3——继续加大流量，得到的热阻改善远远追不上付出的泵功，这是"过度流量"在经济上不合理的根本原因，也是把设计点定在 1.25 ~ 2.0 L/(min·kW) 区间而不是更高处的依据。

表3 · 泵功按转速三次方、温升按 ΔT = Q/(ṁ·c_p) 推算，基准点取 1.5 L/(min·kW)、纯水、回路总压降近似不变（本文量级估算）。实际系统中压降随流量变化、泵效率随工况变化，均需按厂家曲线修正。

图4 · 离心泵相似定律与流量—温升—泵功的反向杠杆。本文绘制。

六、PUE 之外的账：水、余热与控制

只盯 PUE 会漏掉另外两笔账。

水。WUE 定义为年用水量（L）与 IT 能耗（kWh）之比。闭式液冷回路连续循环同一批水、不依赖蒸发排热，其 WUE 可以低到 0.1 L/kWh 量级；而传统蒸发冷却系统平均约在 1.9 L/kWh 上下，效率较差的装置还要更高（该组数值经商业博客转引研究机构口径，非一手实测）[19]。在缺水地区，WUE 的选址约束力常常大于 PUE。

余热。ERF（能量再利用率）定义为回收能量与总设施能耗之比。当系统运行在 W40 / W45 等级时，冷板回水温度可以超过 50~55 ℃，这个品位已经够得着区域供热与工业低温用热[12]。这里有一个容易被忽略的方向性：回收的难易由卡诺上限决定——把热从 T_cold 提升到 T_hot 的理想热泵 COP 上限为 T_hot/(T_hot − T_cold)，用热温度越接近余热温度，所需的提升越小、能效越高。取 T_cold = 45 ℃（318 K）、T_hot = 70 ℃（343 K），理想 COP 上限为 343/25 ≈ 13.7；若要求提升到 90 ℃（363 K），则降到 363/45 ≈ 8.1（本文按卡诺关系自算的理论上限，实际机组远低于此）。这解释了为什么在有余热需求的场景里，适度提高回水温度反而比一味压低更划算。

控制与量测。控制层面有一条原则：节流是人为增加系统阻力，把泵送来的能量白白耗散在阀门上；变频是改变泵自身的工作点，前者在能耗上永远劣于后者[13][14]。合规层面，GB 40879 正在修订，方向包括下调能效限定值、并将液冷等非风冷数据中心一并纳入考核范围[6][20]；欧盟能效指令则对 IT 容量超过 500 kW 的数据中心提出了按月记录并公布 PUE、WUE、ERF 等指标的要求（经商业技术资料转述）[12]。这些要求共同指向同一件事：没有分项计量，就没有可优化的对象。PUE 的改善空间，本质上受限于你测得出多少段。

结论与工程建议

1. 先分解，再动手。在讨论"上不上液冷"之前，先把非 IT 能耗拆成冷源、输配、配电损耗三段。若冷源占了七成以上，把预算投在末端输配上，边际收益很低。

2. PUE 不可跨口径比较。引用任何 PUE 数字前，先确认三件事：测点在进线还是 PDU 输出、IT 风扇是否计入 IT 能耗、是设计值还是年实测值。三者不同，数值可以差 0.5。

3. 液冷的真正杠杆是供水温度。液冷的价值主要来自允许更高的一次侧供水温度，从而减少冷机运行时间。若仍按低供水温度运行，液冷的能效优势会被大幅稀释。

4. 泵功要按边界引用。二次侧循环泵在额定点的水力功率约为机柜 IT 功率的千分之几；而 PPR 类指标常把 CDU 内全部泵与辅助设备计入，量级可差两个数量级。引用前先明确分子边界。

5. 流量不要凭感觉调。降流量省泵功（三次方）但抬温升（一次方反比），升流量降热阻（约 0.8 次方）但要付泵功（三次方）。设计点建议留在 1.25 ~ 2.0 L/(min·kW)，并按实际结温裕度而非习惯取值。

6. 把控制做进设计，而不是做成补丁。按需变流量需要流量、压差与温度的实时量测作为前提。缺了分项计量，再好的控制算法也没有可用的输入。

参考与出处

[1] The Green Grid. A Self-Help Tool to Measure Data Center Energy Efficiency（PUE 指标说明与行业改进数据）. 行业联盟资料，2007 年首次发布 PUE 指标. https://www.thegreengrid.org/system/files/store/TGGInfographicPUEvF.pdf（来源性质：行业联盟官方资料，一级来源）^[1]

[2] Belady, C., Rawson, A., Pfleuger, J., Cader, T. Green Grid Data Center Power Efficiency Metrics: PUE and DCiE. The Green Grid White Paper, 2007.（来源性质：行业联盟官方白皮书；本文经第三方技术概述转述引用，白皮书编号未直接核验）

[3] ISO/IEC 30134-2:2016. Information technology — Data centres — Key performance indicators — Part 2: Power usage effectiveness (PUE).（来源性质：国际标准；本文经第三方资料转述，未直接查阅标准正文）

[4] 中国信息通信研究院. 绿色算力技术白皮书. 开放数据中心委员会（ODCC）, 2024. https://www.odcc.org.cn/download/p-1727955210365325313.html（来源性质：研究机构官方白皮书，一级来源）^[2]

[5] Uptime Institute 年度全球数据中心调查（全球平均 PUE 连续多年维持约 1.54）. 经商业技术指南转述.（来源性质：第三方调查口径，经媒体转述；原始调查报告未直接核验）

[6] GB 40879-2021《数据中心能效限定值及能效等级》及全国标准信息公共服务平台公开的修订说明（能效等级 1 级 1.2、2 级 1.3、能效限定值 1.5；修订拟将液冷等非风冷数据中心纳入适用范围）. https://std.samr.gov.cn/gb/search/gbDetailed?id=2E4DD4D8E2E84A4BE06397BE0A0AE354（来源性质：强制性国家标准与官方标准平台，一级来源）^[3]

[7] 国家发展改革委等四部委. 《数据中心绿色低碳发展专项行动计划》（发改环资〔2024〕970 号）：到 2025 年底，新建及改扩建大型和超大型数据中心电能利用效率降至 1.25 以内，国家枢纽节点数据中心项目不高于 1.2.（来源性质：政策文件；本文经公开的节能审查答复文件转述，原文未直接调阅）

[8] SOETECK. Data Center Liquid Cooling Solutions: A Practical Guide for the AI Infrastructure Era. 2025.（来源性质：商业技术资料口径，非独立第三方）

[9] An Experimental Study on Energy Consumption in Air and Liquid Cooling Systems for Data Centers. Korea Science（论文摘要，编号 JAKO202614236041332）, 2026. https://koreascience.or.kr/article/JAKO202614236041332.do（来源性质：学术论文摘要，一级来源）^[4]

[10] Keentel Engineering. Data Center Coolant Distribution Units (CDU): An Engineering Guide.（来源性质：行业工程指南，商业来源；"水的体积热容约为空气的 3500 倍"为该文口径，本文另按常规物性自算校验）

[11] ASHRAE TC 9.9. Thermal Guidelines for Data Processing Environments（第 5 版液冷等级 W17 / W27 / W32 / W40 / W45 / W+，及 W 类合规定义）.（来源性质：行业标准；本文经第三方标准解读文章转述，未直接查阅标准正文）

[12] 浪潮信息. 全液冷冷板系统参考设计及验证白皮书. 2024. https://www.ieisystem.com/global/file/2024-01-23/17060016262012c975afc8bfb91fe492018d359ef4590dbb.pdf（来源性质：公司官方白皮书，含^[5]ASHRAE 一次侧供水温度等级表与冷板 / 浸没方案对比口径）

[13] Wilo. Affinity Laws Made Simple（离心泵相似定律：Q ∝ N、H ∝ N²、P ∝ N³，及适用条件说明）.（来源性质：厂商官方技术培训资料）

[14] Pump Affinity Laws Explained（相似定律的适用范围与误差来源：偏离高效区、NPSHr 随转速上升、叶轮切削幅值限制）.（来源性质：行业工具站技术说明，商业来源）

[15] Open Compute Project 液冷机柜参考流量区间 1.25 ~ 2.0 L/(min·kW). 经商业技术分析转述.（来源性质：行业规范口径，经第三方转述，规范原文未核验）

[16] 检测机构公开资料中"冷板式液冷泵功比 PPR ≤ 0.15"的口径.（来源性质：商业检测机构宣传口径，其分子边界未核实）

[17] ProphetStor. Predictive Liquid Cooling for High-Density AI Data Centers（定流量 CDU 泵在低负载时段浪费 15~40% 泵能；按需变流量可降低低功率阶段泵耗最多 70%；相关控制方法专利 US 11,579,933）.（来源性质：厂商技术宣传，含专利号；性能数字为公司口径，未独立核实）

[18] Dittus, F. W., Boelter, L. M. K. Heat Transfer in Automobile Radiators of the Tubular Type. University of California Publications in Engineering, Vol. 2, pp. 443–461, 1930.（来源性质：学术原始文献，一级来源；Nu = 0.023 Re⁰·⁸ Pr^n 的适用范围为 Re > 10⁴、0.7 ≤ Pr ≤ 160 的充分发展湍流管流）

[19] Badger Meter. Liquid Cooling: The Smart Path to Sustainable Data Centers（引 BlueField Research 数据：闭环液冷系统用水 0.1 L/kWh 量级，蒸发冷却系统 <1.9 L/kWh）.（来源性质：厂商博客转引研究机构口径，非一手实测）

[20] 关于 GB 40879 修订方向的公开政策解读（修订拟下调能效限定值并将液冷等非风冷数据中心纳入考核范围）.（来源性质：咨询与律所机构公开解读，非官方原文）

数据说明：本文引用数据均标注来源性质；表 3、第五章的温升推算与卡诺上限均为本文按基础公式所作的量级估算，压降、效率等为假设值；凡无法确认来源处已显式标注。

引用链接

[1]https://www.thegreengrid.org/system/files/store/TGGInfographicPUEvF.pdf（来源性质：行业联盟官方资料，一级来源）: https://www.thegreengrid.org/system/files/store/TGGInfographicPUEvF.pdf%EF%BC%88%E6%9D%A5%E6%BA%90%E6%80%A7%E8%B4%A8%EF%BC%9A%E8%A1%8C%E4%B8%9A%E8%81%94%E7%9B%9F%E5%AE%98%E6%96%B9%E8%B5%84%E6%96%99%EF%BC%8C%E4%B8%80%E7%BA%A7%E6%9D%A5%E6%BA%90%EF%BC%89

[2]https://www.odcc.org.cn/download/p-1727955210365325313.html（来源性质：研究机构官方白皮书，一级来源）: https://www.odcc.org.cn/download/p-1727955210365325313.html%EF%BC%88%E6%9D%A5%E6%BA%90%E6%80%A7%E8%B4%A8%EF%BC%9A%E7%A0%94%E7%A9%B6%E6%9C%BA%E6%9E%84%E5%AE%98%E6%96%B9%E7%99%BD%E7%9A%AE%E4%B9%A6%EF%BC%8C%E4%B8%80%E7%BA%A7%E6%9D%A5%E6%BA%90%EF%BC%89

[3]https://std.samr.gov.cn/gb/search/gbDetailed?id=2E4DD4D8E2E84A4BE06397BE0A0AE354（来源性质：强制性国家标准与官方标准平台，一级来源）: https://std.samr.gov.cn/gb/search/gbDetailed?id=2E4DD4D8E2E84A4BE06397BE0A0AE354%EF%BC%88%E6%9D%A5%E6%BA%90%E6%80%A7%E8%B4%A8%EF%BC%9A%E5%BC%BA%E5%88%B6%E6%80%A7%E5%9B%BD%E5%AE%B6%E6%A0%87%E5%87%86%E4%B8%8E%E5%AE%98%E6%96%B9%E6%A0%87%E5%87%86%E5%B9%B3%E5%8F%B0%EF%BC%8C%E4%B8%80%E7%BA%A7%E6%9D%A5%E6%BA%90%EF%BC%89

[4]https://koreascience.or.kr/article/JAKO202614236041332.do（来源性质：学术论文摘要，一级来源）: https://koreascience.or.kr/article/JAKO202614236041332.do%EF%BC%88%E6%9D%A5%E6%BA%90%E6%80%A7%E8%B4%A8%EF%BC%9A%E5%AD%A6%E6%9C%AF%E8%AE%BA%E6%96%87%E6%91%98%E8%A6%81%EF%BC%8C%E4%B8%80%E7%BA%A7%E6%9D%A5%E6%BA%90%EF%BC%89

[5]https://www.ieisystem.com/global/file/2024-01-23/17060016262012c975afc8bfb91fe492018d359ef4590dbb.pdf（来源性质：公司官方白皮书，含: https://www.ieisystem.com/global/file/2024-01-23/17060016262012c975afc8bfb91fe492018d359ef4590dbb.pdf%EF%BC%88%E6%9D%A5%E6%BA%90%E6%80%A7%E8%B4%A8%EF%BC%9A%E5%85%AC%E5%8F%B8%E5%AE%98%E6%96%B9%E7%99%BD%E7%9A%AE%E4%B9%A6%EF%BC%8C%E5%90%AB

来源：散热者

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