《Energy Conversion and Management-X》：Chilled water-based hybrid cooling solution for data centers: a comprehensive survey of technologies, developments, and regenerative energy transitions
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本综述系统梳理了 chilled water-based hybrid cooling solution（ chilled water-based hybrid cooling solution ）在数据中心的应用，重点分析了其技术原理、能效提升（如PUE优化）、AI（AI）与IoT（IoT）集成控制策略，以及结合再生能源的可持续发展路径。文章通过大量案例（如磁悬浮冷水机组、两相液浸冷却）证明，该方案能显著降低碳排放，为高密度计算需求下的绿色数据中心建设提供了关键技术支持。
引言：数据中心冷却的可持续挑战与混合冷却的兴起
随着全球数字化基础设施的快速增长和计算需求的激增，数据中心的能耗，尤其是冷却系统的能耗，已飙升到令人瞩目的水平。传统的风冷系统在应对高功率密度和维持最优运行条件方面愈发显得力不从心，这迫切要求开发更高效、更环保的冷却解决方案。在此背景下，基于冷冻水的混合冷却系统应运而生，它通过巧妙地结合水冷的高效导热能力、空气冷却的灵活性，以及人工智能、物联网等智能控制技术，为实现数据中心的节能、可靠和可持续发展提供了极具潜力的路径。
冷冻水混合冷却的基础原理与优势
冷冻水冷却的核心在于利用水远高于空气的比热容，通过循环的冷冻水高效地将服务器产生的热量带走。混合冷却则进一步将冷冻水系统与空气冷却、自由冷却（如利用室外低温空气）等技术集成，形成协同效应。其工作流程通常包括：冷冻水在冷水机组中被冷却后，通过管道输送至机房内的空气处理单元或直接与液冷服务器背板进行热交换，吸热后的温水再返回冷水机组或通过冷却塔等进行散热。
相较于传统单一冷却方式，混合冷却展现出多重优势：首先，它能显著提升能效，将电源使用效率（PUE）优化至1.14-1.21的先进水平；其次，系统的可靠性通过冗余设计和多种冷却模式的灵活切换得到增强；再者，结合模型预测控制（MPC）等先进算法，可以根据信息技术（IT）负载和室外环境条件动态调整冷却策略，实现精细化能源管理。
技术进展：高效组件与智能控制的双轮驱动
近年来，冷冻水混合冷却技术在多方面取得了显著进展。
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高效冷水机组与冷却塔：磁悬浮冷水机组等高效设备在部分负载条件下能实现10–40%的节能。同时，水侧自由冷却技术，即在适宜气候条件下直接利用冷却塔而无需开启能耗高的冷水机组，已成为重要的节能手段。
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先进热交换与相变材料：空气-水热交换器结合微热管阵列（MHPA）等技术，可将传热效率提升至81.4%。两相液浸冷却则通过将服务器直接浸入不导电的冷却液中（如Novec 7100），实现了极高的散热性能，其性能系数（COP）可达6.67，部分PUE（pPUE）可降至极低水平。
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智能传感器与物联网：遍布数据中心的传感器网络实时监测温度、流量、功耗等参数，为优化控制提供数据基础。
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人工智能与预测性分析：深度学习（如深度确定性策略梯度DDPG）、机器学习模型（如XGBoost、LightGBM用于温度预测）以及自适应预测控制（APC）等AI技术，能够学习复杂的数据中心热动力学模型，实现冷却系统的动态、前瞻性优化，在保证设备安全的前提下最大化节能效果。
水-能源关联与再生能源整合
冷冻水冷却技术深刻体现了水与能源的紧密关联（水-能源纽带）。高效的冷却塔和热交换器虽然能大幅降低能耗，但其性能高度依赖于水源的温度、可用性和水质管理。因此，优化水资源利用与提升能效同等重要。两相液浸冷却等新技术在减少用水方面展现出潜力。
在可持续发展方面，混合冷却系统为整合再生能源创造了条件。例如，利用太阳能光伏（PV）系统为冷却装置供电，结合电池储能平抑波动，可以降低对电网的依赖和碳排放。更重要的是，数据中心的废热回收利用取得了实质性进展。通过热泵等技术，将服务器产生的低品位废热提升温度后，可用于区域供热，甚至驱动吸收式制冷机，实现能源的梯级利用，大幅提高能源再利用效率（ERE）。
实际部署、挑战与未来展望
众多案例研究验证了混合冷却的实际效益。例如，采用热管与蒸气压缩循环结合的按需冷却系统，以及集成旋转增压器和压缩机的系统，都在不同气候条件下实现了显著的节能（有的案例报告节能超过40%）。多目标优化算法（如非支配排序遗传算法NSGA-II）的应用，使得在最小化冷却能耗的同时，确保机架冷却指数（RCI）等热安全指标达标成为可能。
然而，挑战依然存在。在缺水地区，混合冷却系统（尤其是依赖蒸发冷却的模式）的水资源消耗问题需要谨慎管理。将新技术集成到现有数据中心基础设施中面临技术和成本壁垒。此外，缺乏统一的标准化指南也在一定程度上阻碍了大规模市场应用。
展望未来，混合冷却技术将继续向更智能化、更集成化、更可持续的方向发展。纳米流体等新材料的应用有望进一步提升传热效率。随着人工智能技术的成熟，数据中心的冷却系统将变得更加“智慧”，能够自主预测、决策和优化。同时，政策法规对碳排放和用水效率的要求将加速绿色冷却技术的创新与采纳。通过持续的技术迭代和最佳实践的积累，基于冷冻水的混合冷却解决方案必将为构建面向未来的、环境友好的数字基础设施奠定坚实基础。
