第一章 CDU 概述与工作原理

1.1 什么是 CDU

CDU 全称 Coolant Distribution Unit（冷却液分配单元），也称冷量分配单元或中间换热单元，是液冷数据中心的核心控制枢纽。CDU 在液冷系统中的价值量占比高达 30%–40%，是整个液冷系统 TCO 的核心决定因素。

1.2 工作原理

CDU 的核心工作原理基于板式换热器的液-液热交换技术，包含两个独立但热耦合的环路：

一次侧环路 Primary Side

连接室外冷源（冷却塔、干冷器或冷水机组），输送冷冻水或冷却水进入 CDU 板式换热器的热侧，吸收来自二次侧的热量后回流至室外冷源散热。

工作参数：供水 7–12 °C / 回水 12–18 °C（冷冻水方案）；或 30–40 °C / 35–45 °C（干冷器方案）。

二次侧环路 Secondary Side

连接服务器机柜内的冷板（Cold Plate），输送去离子水或冷却液进入服务器冷板吸收芯片热量，升温后回流至 CDU 板式换热器的冷侧，将热量传递给一次侧后重新循环。

工作参数：供水 18–25 °C / 回水 30–45 °C。

1.3 典型工作流程

1.二次侧冷却液经变频泵驱动进入服务器机柜冷板，吸收 GPU/CPU 芯片热量，温度从约 22 °C 升至约 40 °C。

2.高温回水进入 CDU 板式换热器二次侧通道，将热量传递给一次侧冷却水。

3.一次侧冷却水从室外冷源（冷却塔/干冷器）进入换热器一次侧通道，吸收热量后升温返回室外散热。

4.降温后的二次侧冷却液重新循环至服务器机柜，完成一个完整的热力循环。

5.PLC 控制器根据温度/流量传感器反馈，通过 PID 算法实时调节变频泵转速和电动调节阀开度，维持系统在最佳工况。

第二章系统架构与热力循环

2.1 系统架构

典型冷板式液冷 CDU 系统架构分为三个层级：

•冷源层：室外冷却塔/干冷器/冷水机组，为系统提供冷量。

•CDU 分配层：板式换热器 + 变频泵 + 阀门 + 传感器 + PLC 控制器。

•负载层：服务器机柜内部的冷板（Cold Plate）和管路。

系统架构的宏观流程为：室外冷源→ 一次侧供水 → CDU 板式换热器 → 一次侧回水 → 室外冷源（一次侧闭环）；CDU 二次侧 → 变频泵 → 分集水器 → 各机柜冷板 → 集水器 → CDU 换热器（二次侧闭环）。

2.2 热力循环参数

表 2-1：CDU 系统热力循环典型参数

2.3 关键性能指标

表 2-2：CDU 关键性能指标

第三章内部结构与核心组件

3.1 核心组件清单与选型要点

表 3-1：CDU 核心组件清单与选型要点

3.2 组件间连接结构

CDU 内部各部件的连接形式直接决定系统的可靠性、可维护性和密封性：

表 3-2：CDU 管路系统连接形式对比

3.3 电气接线与标注规范

CDU 控制柜内部电气元件的标注遵循 IEC 电气符号标准：

•-QF：断路器（如 CDU 总电源进线断路器 -QF1）

•-KA：中间继电器（控制逻辑中间节点）

•-KM：接触器（变频泵主回路）

•-HL：指示灯（运行/故障/报警状态）

•-S：按钮/选择开关（启/停/急停）

•-V：变频器（变频泵驱动）

•-FU：熔断器（控制回路短路保护）

•-KT：时间继电器（延时控制/轮换）

第四章自动控制系统与传感器

4.1 控制系统架构（四层结构）

表 4-1：CDU 控制系统四层架构

通信协议：管理层至控制层采用 Modbus TCP 或 BACnet IP 协议，通过以太网连接；控制层至执行层/感知层采用 4–20 mA 模拟量信号、RS-485 Modbus RTU 或 IO-Link 数字通信。

4.2 传感器配置清单

表 4-2：CDU 传感器配置清单

4.3 控制策略

（1）温度 PID 控制

以二次侧供水温度（设定值 22 °C ± 0.5 °C）为控制目标，PLC 根据 PT100 实测值与设定值的偏差，通过 PID 运算输出 4–20 mA 信号调节一次侧电动调节阀开度或一次侧变频泵转速。偏差大时比例作用主导，偏差小时积分作用消除静差。

（2）流量 PI 控制

以二次侧流量为控制目标，通过变频泵调速维持设定流量。通常与温度控制形成级联控制结构：温度 PID 的输出作为流量 PI 的设定值，流量 PI 的输出直接驱动变频泵。

（3）压差控制

多机柜并联时，在分集水器各支路安装压差控制阀（PICV），或通过 CDU 旁通阀调节，保证各支路压差恒定在 0.1–0.3 MPa 范围内。

（4）安全联锁控制

表 4-3：CDU 安全联锁控制逻辑

第五章结构形式与专利技术

5.1 主要结构形式

（1）机架式 CDU（Row / Rack-mounted）

•结构尺寸：高度 2U–4U（8.9–17.8 cm），宽度 19 英寸标准机架

•容量范围：20–80 kW

•适用场景：小型数据中心、边缘计算节点、实验室

•代表产品：Vertiv CoolChip 系列、英维克 XD 系列

•优势：安装灵活、部署快捷、不占额外空间

•局限：单台容量有限、冗余度低

（2）机柜式 CDU（Cabinet CDU）

•结构尺寸：独立落地式机柜，宽度 600–1200 mm，高度 1800–2200 mm

•容量范围：100–500 kW

•适用场景：中型数据中心、单机柜功率密度 30–80 kW

•代表产品：英维克 Coolinside CDU 系列、中兴通讯模块化 CDU

•优势：可集成双泵双换热器冗余设计，维护方便

•局限：占地面积较大、重量大（满液 300–600 kg）

（3）模块化 / 堆叠式 CDU（Modular CDU）

•结构尺寸：标准模块化单元，支持 2–5 台堆叠

•容量范围：单模块 200–400 kW，组合可达 2 MW+

•适用场景：大型/超大型数据中心、智算中心集群

•代表产品：中兴通讯 400 kW–2 MW 模块化 CDU、Vertiv 大型 CDU 模块

•优势：弹性扩容、N+1 冗余、单点故障隔离

•局限：一次性投入高、需要单独配电

5.2 最新专利技术

表 5-1：2025–2026 年液冷 CDU 相关专利

第六章设计标准与规范体系

6.1 核心标准清单

表 6-1：液冷 CDU 相关设计标准与规范

6.2 模块化设计标准化进展

当前 CDU 模块化设计的标准化工作正在多个层面推进：

表 6-2：CDU 模块化设计标准推进进展

第七章管路系统与快插接头技术

7.1 快插接头类型

（1）UQD 快速接头（Universal Quick Disconnect）

UQD 是英特尔主导的 OCP 开放标准，公母头配对设计，内置双自封阀，断开时两端自动密封，最大泄漏量 < 0.05 mL。通径 5–12 mm，工作压力 0–1.0 MPa，工作温度 -10 °C 至 +70 °C。

（2）BMQC 盲插快接头（Blind Mate Quick Coupling）

专为机柜盲插场景设计，支持一定浮动量和角度偏差（±3 mm / ±2°），可满足高密度排布服务器的盲插需求。适用于机柜内密集部署的 GPU 服务器集群。

（3）干式断开接头（Dry Break Coupling）

断开时最大泄漏量 < 0.1 mL，适用于高安全性场景。常用于 CDU 与服务器的关键接头位置。

7.2 接头材质

表 7-1：快插接头材质选择

7.3 主要快接头厂家与竞争力

表 7-2：液冷快接头主要厂家竞争力对比

7.4 管路施工要点

•管材：一次侧和二次侧管路均推荐 316L 不锈钢管。避免使用铜管（铜离子影响去离子水水质）。

•焊接：不锈钢管路采用氩弧焊（TIG），焊后酸洗钝化。有条件可采用轨道自动焊。

•压力测试：1.5 倍工作压力水压试验保压 30 min → 1.1 倍工作压力气密性试验。

•管路冲洗：投运前冲洗流速 > 2 m/s，清除焊接熔渣和碎屑。过滤网无明显杂质为合格。

•保温：一次侧冷冻水管路橡塑保温厚度≥ 25 mm；二次侧管路温度较高（18–45 °C），一般不需保温。

第八章主要厂家与竞争格局

8.1 CDU 整机厂家全景

表 8-1：液冷 CDU 主要厂家全景

8.2 竞争梯队分析

第一梯队（全栈龙头）：英维克（国内）、Vertiv（全球）。英维克在冷板式液冷和 CDU 领域的市占率领先，是国内唯一进入英伟达 MGX 生态的液冷企业，冷板市占率达 42%–50%。

第二梯队（ICT 巨头）：华为、中兴通讯。依托自有 AI 算力生态，CDU 为服务器和整机柜配套。中兴通讯 2026 年 MWC 推出的模块化 CDU 支持 400 kW–2 MW 弹性扩容，已形成差异化竞争力。

第三梯队（专业细分）：高澜股份（电力电子冷却延伸）、申菱环境（华为生态供应商）、银轮股份（热交换延伸），各有技术渊源和客户基础。

第四梯队（创新企业）：液冷时代、纯钧新材料等，通过专利技术寻求差异化突破，主要聚焦模块化/堆叠式结构。

8.3 CDU 液冷泵供应链

表 8-2：CDU 液冷泵主要供应商

第九章产品痛点与技术瓶颈

9.1 五大核心痛点

痛点一：泄漏风险

问题：液冷系统一旦发生泄漏，冷却液进入服务器将导致短路烧毁，单次事故损失可达数百万。泄漏多发于快插接头和法兰连接处的密封老化。

应对方案：

•负压液冷技术：液环式真空 CDU 通过负压设计，冷却液压力低于大气压，即使管路破损也是空气进入而非冷却液泄漏。网宿旗下绿色云图已发布相关方案。

•多重漏液检测：CDU 内部布置漏液检测线缆 + 底盘集液槽 + 排水口，泄漏立即检测 + 停机 + 报警三级响应。

•双自密封接头：UQD 接头内置双自封阀，断开时两端自动密封，泄漏量 < 0.05 mL。

痛点二：兼容性与标准化不足

问题：不同厂家 CDU、快接头、管路规格不统一，建设方常被单一厂家绑定。OCP、UQD 联盟、TC28 正在推动接口标准化，但目前仍处于"标准制定中、落地不充分"阶段。

应对：新建项目优先选用支持 OCP 规范、UQD 标准的设备。

痛点三：泵的可靠性与能效

问题：CDU 液冷泵是系统中唯一的运动部件，传统机械密封泵有泄漏风险，屏蔽泵效率较低，磁悬浮泵价格高企。部分场景泵选型过大导致"大马拉小车"。

应对：选用 IE4/IE5 高能效变频泵，精准匹配系统流量，一用一备冗余配置。

痛点四：水质管理

问题：二次侧去离子水电导率升高（> 1 μS/cm）增加漏电风险，微生物滋生导致管路堵塞和换热效率下降。

应对：配置在线电导率传感器 + 自动补水 / bypass 离子交换系统，定期巡检水质，静止期进行管路冲洗和杀菌处理。

痛点五：安装与维护空间

问题：机柜式 CDU 满液重量可达 500 kg+，对楼板承重要求高。机架式 CDU 维修空间狭小，管路复杂时维修可达性差。

应对：设计阶段预留维修操作空间（正面≥ 800 mm，侧面 ≥ 600 mm），模块化设计支持核心组件抽屉式快速更换。

9.2 技术发展趋势

表 9-1：CDU 技术发展趋势

第十章工程施工指导建议

10.1 基础条件要求

表 10-1：CDU 安装基础条件

10.2 管路施工规范

1.管材选择：316L 不锈钢管，壁厚根据压力等级计算（Sch10S / Sch40S）。禁止使用铜管。

2.焊接工艺：氩弧焊（TIG），焊丝牌号 ER316L。焊缝进行 100% 目视检查 + 10% 射线探伤抽检。

3.酸洗钝化：焊接完成后管路进行酸洗钝化处理，形成稳定的钝化膜。

4.压力试验：1.5 倍设计压力水压试验（保压 30 min）→ 1.1 倍设计压力气密性试验（保压 15 min，泄漏率 < 0.5%）。

5.管路冲洗：投运前以 > 2 m/s 流速冲洗，至过滤网无杂质。

6.保温施工：一次侧冷冻水管橡塑保温≥ 25 mm，阻燃等级 B1 级。

7.支架安装：不锈钢管路使用不锈钢管卡/支架，间距按标准（DN50: 2.5 m，DN80: 3.0 m，DN100: 3.5 m）。

8.快接头安装：公母头配对标记，避免错装。螺纹连接使用 PTFE 生料带。

10.3 CDU 安装与调试

1.安装位置：水平安装，预留维修空间（正面≥ 800 mm、侧面 ≥ 600 mm、背面 ≥ 500 mm）。底部设集水盘或排水沟。

2.注液排气：二次侧注去离子水后进行系统排气（CDU 顶部和管路最高点设自动排气阀）。注液后静置 24 h 测电导率，确认 < 1 μS/cm。

3.PID 整定：通过阶跃响应测试整定 PID 参数（自动整定或 Ziegler-Nichols 法），目标二次侧供水温度控制偏差 ± 0.5 °C。

4.联锁测试：逐项测试漏液报警→ 停泵 + 关阀，超温报警 → 加大冷量，超压报警 → 开启旁通等安全联锁逻辑。

5.冗余切换：双泵配置测试主备泵自动切换（切换时间 < 5 s，流量波动 < 10%）。

6.72 h 连续运行：调试完成后的 72 h 满载连续运行验证。

10.4 验收标准

表 10-2：CDU 工程验收标准

10.5 运维管理建议

表 10-3：CDU 运维管理周期表

10.6 常见故障与处理

表 10-4：CDU 常见故障与处理

结语

液冷数据中心 CDU 正处于技术快速迭代和产业规模化的关键窗口期。从技术角度看，负压液冷、AI 智能控制、2 MW 大功率模块化正成为主要技术演进方向；从产业角度，英维克、Vertiv 等头部企业持续引领，中兴通讯、高澜股份等积极跟进，国产替代进程加速推进。

对工程实施而言，管路系统的密封性设计、快接头的选型、控制系统的 PID 整定、水质管理是影响 CDU 系统长期可靠运行的四大关键环节。建议工程团队在设计阶段充分考量标准化接口选型、施工空间预留以及运维便利性，以降低全生命周期成本。

随着 2026 年国家数据中心液冷标准体系的逐步完善和 OCP 接口标准的推广落地，CDU 的互操作性和部署效率有望得到显著提升，推动液冷技术从"可选项"加速向"必选项"转变。

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