ASHRAE数据中心热环境与液冷温度等级指南解读

ASHRAE数据中心热环境指南是数据中心IT设备热设计和冷却系统规划中经常参考的重要技术资料体系。随着AI服务器、高性能计算设备以及高密度液冷服务器的应用增加，传统仅以机房空气温度描述设备运行环境的方式已经不能完整覆盖液冷IT设备的热管理需求。ASHRAE针对液冷数据处理设备建立了W系列环境等级，用于描述设备能够适应的设施侧液体供液温度范围。

在ASHRAE第五版《Thermal Guidelines for Data Processing Environments》中，液冷环境等级采用W17、W27、W32、W40、W45和W+等名称，其中数字对应设施供液温度的最高值，所有等级的最低供液温度为2°C。与早期W1、W2、W3、W4、W5分类相比，新命名方式能够更加直观地表达液冷设备的温度能力。需要注意的是，温度等级并不是单纯的冷却液温度标签，而是与IT设备持续满性能运行能力、冷凝控制、流量、压力及系统热设计密切相关。

标准介绍

ASHRAE TC 9.9长期围绕数据中心IT设备环境、热管理和冷却技术开展研究，并形成Thermal Guidelines for Data Processing Environments等技术资料。2021年第五版进一步完善了空气冷却设备、高密度设备和液冷设备的环境指南，并强化了液冷设备环境等级的表达方式。其核心目的之一，是为IT设备制造商、数据中心设计人员和运行人员提供相对统一的热环境沟通基础。

对于液冷设备而言，ASHRAE环境等级要求设备能够在对应等级的整个温度范围内，在非故障条件下保持完整运行能力。也就是说，一台服务器如果声明具备某一液冷环境等级能力，并不是仅在某个测试温度点能够正常运行即可，而需要结合规定的供液温度范围评价其持续运行能力。因此，液冷服务器、冷板和相关热管理部件的测试应结合实际供液温度、流量、压力和热负载开展。

ASHRAE液冷温度等级

W系列等级的最低供液温度均为2°C。对于W17、W27等较低供液温度等级，冷凝控制尤其重要；对于W32及更高等级，设备需要具备更强的热设计能力，以保证芯片、冷板及其他液冷部件处于允许温度范围内。W+则代表超过W45的高温液冷能力，其具体运行条件需要结合设备制造商和实际系统设计进一步确定。

液冷温度等级与设备性能的关系

提高设施侧供液温度并不意味着所有液冷服务器都可以直接提高运行温度。供液温度升高后，冷板入口液体温度、芯片与冷却液之间的温差条件以及冷却液出口温度都会发生变化。如果设备热设计没有足够余量，可能出现芯片温度升高、局部热点增加或设备降频等问题。

因此，液冷设备的温度等级应与实际热负载一起评价。对于CPU、GPU等高功率器件，应关注最高结温、冷板热阻、热流密度和冷却液温升之间的关系。测试时不能仅记录冷却液供回液温度，还需要同步关注被冷却器件的关键温度以及设备在规定负载下的功能状态。

W17至W+等级的主要差异

液冷服务器温度测试重点

供液温度测试

供液温度是液冷环境等级评价的基础参数之一。测试时需要明确供液温度的测量位置，例如冷板入口、服务器液冷回路入口或设备规定的液体接口位置。不同测点并不一定具有相同温度，因此测试报告中需要明确温度测点和测试边界。

回液温度与温升测试

冷却液从服务器吸收热量后，回液温度通常高于供液温度。供回液温差与热负载、流量以及冷板热传递能力有关。通过同步测量供回液温度和流量，可以进一步分析液冷回路的热量传递状态。

对于高密度AI服务器，单纯提高液体流量并不一定能够解决全部热问题，还需要分析冷板热阻、局部热流密度以及芯片与冷却液之间的温差。因此温升测试通常需要与热性能测试结合开展。

芯片及关键部件温度

液冷温度等级最终服务于IT设备的可靠运行，因此测试不能只评价冷却液本身。CPU、GPU、HBM以及其他关键功率器件的温度需要根据设备结构和测试目标进行监测，尤其要关注最高温度和持续稳定状态。

冷凝风险评价

对于W17、W27等较低供液温度场景，如果冷却液温度低于周围空气露点，液冷接口、管路、冷板连接部位或其他低温表面可能产生冷凝水。冷凝风险需要结合机房温度、相对湿度、露点温度、液体温度和设备表面温度进行综合判断。

液冷温度等级相关检测项目

CDU与ASHRAE液冷温度等级的关系

ASHRAE液冷温度等级主要描述IT设备能够适应的设施供液温度范围，而CDU则可能承担设施侧与IT设备侧之间的热量传递和温度调节。因此，不能直接把CDU出口温度等同于服务器实际获得的设施供液温度。

实际系统中，CDU换热器存在一定的温差，即设施侧供水温度与IT设备侧供液温度之间可能存在温度差。ASHRAE相关资料也强调，在规划CDU时需要将这种approach temperature纳入考虑，以确保IT设备侧实际获得的液体温度满足目标环境等级。因此，进行液冷系统测试时，应同时测量CDU两侧温度，而不是只记录设施水温。

高密度AI服务器的温度环境评价

AI服务器通常具有较高的CPU、GPU和加速器功率密度，其热管理要求与传统服务器存在明显差异。ASHRAE第五版也增加了针对高密度空气冷却设备的环境类别，并在液冷设备方面持续完善温度等级体系。对于高密度液冷设备，测试重点应进一步从“设备能否运行”扩展到不同液体温度和热负载条件下的持续性能。

实际验证时，可以设置多个供液温度和热负载组合，记录芯片温度、冷却液温度、流量、压力、功耗以及设备性能状态。通过不同工况的数据，可以判断服务器在目标W等级范围内是否存在明显的温度裕量变化，而不是仅依据单一温度点进行判断。

液冷温度等级测试流程

• 产品确认：确认液冷服务器、冷板或相关设备的液冷架构、额定参数和目标环境等级。
• 工况设定：根据目标W等级确定供液温度、流量、压力及热负载测试条件。
• 系统连接：按照实际应用方式连接TCS、CDU及必要的测试回路，确认测点位置和流体方向。
• 稳态运行：逐步调整供液温度和热负载，使设备达到稳定运行状态。
• 参数采集：同步记录供回液温度、流量、压力、关键器件温度以及设备运行状态。
• 多工况验证：根据测试方案改变供液温度和热负载，分析设备在不同条件下的热性能变化。
• 冷凝分析：对于低温液冷条件，结合环境温度和湿度计算露点并检查低温部件的冷凝风险。
• 结果评价：结合目标液冷温度等级、产品规格和测试条件分析结果，形成测试记录和评价结论。

测试实施中的注意事项

• 应明确采用的ASHRAE热环境指南版本。W17、W27、W32、W40、W45和W+属于第五版液冷等级命名方式，不宜继续使用旧版W1至W5名称替代当前等级。
• 液冷等级中的温度是设施供液温度范围，不能简单等同于CPU、GPU、冷板表面或芯片结温。
• 所有W等级的最低设施供液温度为2°C，具体设备是否能够在某一温度点稳定工作，还需要结合制造商规定的产品运行条件进行验证。
• 进行高温液冷测试时，应同时关注芯片温度、冷板热阻、流量和热负载，不能仅通过提高供液温度判断设备是否具备更高W等级能力。
• W17和W27等低温供液条件需要重点评价冷凝风险，环境露点不能仅通过相对湿度单独判断。
• CDU测试应区分FWS设施侧和TCS设备侧的温度，尤其要考虑换热器approach temperature对IT设备实际供液温度的影响。
• 测试过程中应保持流量和压力处于稳定状态，否则供回液温差和热量计算结果可能出现明显波动。
• 对于AI服务器等高密度设备，应设置具有代表性的持续热负载，避免使用短时间峰值负载代替稳定运行状态。
• 不同服务器、冷板和液冷系统的流量及压力需求存在差异，实际测试条件应根据设备规格、冷却液和目标应用场景确定。

液冷温度等级与系统能效的关系

提高液冷供液温度通常能够为数据中心减少机械制冷需求，并扩大自然冷却和干式冷却设备的适用范围。但温度等级越高，并不意味着所有项目都应该直接采用最高温度运行。设备热设计、当地气候、CDU换热温差、管路条件以及热负载都会影响最终运行方案。

对于数据中心设计，可以根据IT设备能够支持的液冷温度等级选择相应设施侧冷却架构。在设备具备较高温度能力的情况下，提高设施供液温度可能带来更大的自然冷却利用空间；但在实际运行中仍需要通过设备温度、流量、压力及能耗数据确认优化结果，避免单纯追求高供液温度而降低IT设备运行裕量。

应用价值

ASHRAE液冷温度等级为服务器制造商和数据中心设计人员提供了统一的温度能力表达方式，可以帮助项目在设备选型阶段明确服务器能够适应的液体供给条件。对于冷板液冷和高密度AI服务器而言，结合W等级开展温度、流量、压力和热负载测试，有利于建立更完整的热性能验证体系。

从系统角度看，液冷温度等级还能够帮助数据中心在IT设备热设计与设施侧冷却架构之间建立对应关系。通过对CDU两侧温度、冷板性能、服务器热负载和冷却系统能耗进行综合分析，可以更准确地判断不同供液温度方案对设备运行和冷却系统设计的影响。

关于德恺液冷检测

德恺液冷检测围绕数据中心液冷设备热环境与热性能验证需求，可针对ASHRAE液冷温度等级开展服务器、冷板、CDU及液冷系统相关测试方案设计，覆盖供液温度、回液温度、温升、流量、压力、压降、芯片温度、冷板热性能及冷凝风险等测试方向。

针对冷板式液冷服务器、AI服务器及液冷基础设施，可结合目标W17、W27、W32、W40、W45或W+环境条件，设置对应供液温度、热负载和流量工况，并结合TCS与FWS回路测量分析CDU温差、设备温度和系统运行状态，为液冷设备温度等级验证、热性能评价和项目工况测试提供支持。

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