一、 CDU 的核心功能与作用
CDU 是数据中心液冷系统（通常是冷冻水系统）中的关键组件，它充当数据中心内部冷却环路（通常为水侧）与外部冷却源（如冷水机组、干冷器、冷却塔）之间的“桥梁”和“缓冲器”。其主要功能包括：
1. 热交换： 将数据中心内部循环的冷却水（通常是温度较高的回水）中的热量传递给外部冷却源提供的冷冻水（或乙二醇溶液）。
2. 水力分离： 物理隔离数据中心内部冷却环路和外部冷却环路。
保护内部系统：防止外部环路（如冷却塔水）的脏污、腐蚀性物质、压力波动进入昂贵的IT设备冷却回路（如服务器水冷板、机房空调盘管）。
稳定内部工况：使内部环路的水质（化学处理）、压力、流量更易于控制和管理，不受外部环路变化（如补水、排污、压力波动）的直接影响。
3. 压力管理： 通过内部水泵维持数据中心内部冷却环路所需的稳定压力和流量。
4. 温度调节：通过控制板式换热器两侧的流量或旁通，精确控制供应给IT设备冷却终端的供水温度。
5. 缓冲与储能： CDU 通常配备膨胀水箱（定压补水系统），为内部环路提供压力稳定、补水和水膨胀的空间。
二、 CDU 设计关键要素
1. 热负荷确定：这是设计的起点。精确计算数据中心的最大IT热负荷（kW或RT），并考虑未来扩展裕量（通常增加15-25%）。包括服务器、存储、网络设备功耗，并考虑电源和照明等辅助设备的散热（通常IT负荷占主导）。
公式：总热负荷 (kW) = IT设备总功耗 (kW) * (1 – 设备自身散热效率)(通常设备自身散热效率很低，可近似认为IT功耗≈热负荷)。
2. 冷却水温差 (ΔT) 设定：
内部环路 ΔT： 指进出IT设备（或机房空调盘管）的冷却水温差。提高ΔT是提升系统能效的关键策略。
传统风冷空调：通常设计ΔT为5-7°C（供/回水：12-14°C / 17-21°C）。
现代高效/液冷数据中心：强烈建议采用更高的ΔT，如10°C、15°C甚至更高（供/回水：18-20°C / 28-35°C）。高ΔT能显著减少循环水量，降低水泵功率。
外部环路 ΔT： 指进出CDU板换外部侧的冷冻水温差（如供/回水：6°C / 12°C，ΔT=6°C）。需要与冷水机组或自然冷却源的能力匹配。
CDU板换 ΔT： 内部环路ΔT和外部环路ΔT共同决定了板换的换热量和所需的换热面积。
3. 流量计算：
内部环路流量 (Q_int)：Q_int (m³/h) = 总热负荷 (kW) / (ρ * Cp * ΔT_int)
`ρ`：水的密度 (kg/m³，常取1000 kg/m³ @ 20°C)
`Cp`：水的比热容 (kJ/kg·K，常取4.18 kJ/kg·K)
`ΔT_int`：设定的内部环路温差 (°C)
关键点：高ΔT_int 直接导致低Q_int，意味着更小的管道、更小的水泵、更低的泵功！
外部环路流量 (Q_ext)：Q_ext (m³/h) = 总热负荷 (kW) / (ρ * Cp * ΔT_ext)
`ΔT_ext`：设定的外部环路温差 (°C)
4. 板式换热器选型：
类型：钎焊板式换热器（紧凑、高效、成本较低）或可拆卸板式换热器（易于维护清洗，成本略高）。
换热量：等于数据中心总热负荷（加上设计裕量）。
设计参数：内部侧设计流量 (Q_int)、设计供/回水温度 (T_supply_int / T_return_int)。外部侧设计流量 (Q_ext)、设计供/回水温度 (T_supply_ext / T_return_ext)。
允许压降：通常在50-100 kPa (0.5-1.0 bar) 范围内，需平衡效率与水泵能耗。
接近温差：指内部回水温度 (T_return_int) 与外部供水温度 (T_supply_ext) 之间的差值。这是板换效率的关键指标。在满足需求的前提下，允许稍大一点的接近温差（如2-3°C）可以减小板换尺寸和成本。
材质：板片通常用304或316不锈钢。密封垫材质需与水质和温度兼容（如EPDM、NBR）。
冗余： N+1 或 N+X 冗余配置是常见做法，确保单个板换故障时系统仍能运行（可能需要降低负载或提高供水温度）。
5. 膨胀水箱与定压补水系统：
容积：计算系统水容量（管道、设备、板换等），根据水温变化范围计算膨胀水量。通常取系统总水容量的1-3%作为膨胀水箱的有效容积（考虑安全裕量）。
定压： 确保系统最高点有足够的静压（防止汽化，通常≥10 kPa），最低点不超过设备承压（通常≤6-8 bar）。常用隔膜式膨胀水箱配合补水泵和压力传感器/开关。
水质管理：补水需软化或去离子处理，系统需考虑加药口（缓蚀剂、杀菌剂）。
6. 控制系统：
温度控制： 核心是维持稳定的内部供水温度 (T_supply_int)。常用策略：
三通阀调节：在板换内部侧出口设置三通混水阀，混合部分回水来调节供水温度。
外部侧流量调节： 调节进入板换外部侧的冷冻水流量（需与外部冷源协调）。
内部侧旁通： 较少用，可能导致效率下降。
压力/压差控制：维持系统关键点（如最不利环路末端）的压差稳定，通常通过变频驱动水泵实现。
联锁保护：水泵启停、水流开关、温度高低限报警、压力高低限报警、板换两侧压差保护等。
通信与监控：集成到楼宇管理系统或数据中心基础设施管理系统，实现远程监控、报警和数据分析。
7. 冗余设计：
设备级 (N+1/X)：水泵、板换、阀门、控制器等关键部件配置冗余。
环路级：考虑整个CDU模块的N+1冗余，或多个CDU并行工作。
电源：CDU 控制柜和水泵需由双路UPS或备用发电机供电。
8. 空间与布局：预留足够的安装、操作和维护空间。考虑管道走向、吊装口。良好的通风散热（尤其变频器柜）。地面承重。
三、 CDU 内部水泵选型关键步骤
水泵是CDU的核心动力源，其选型直接影响系统可靠性、能耗和噪音。
1. 确定设计流量 (Q)：即前面计算的内部环路流量 `Q_int` (m³/h)。
2. 计算所需扬程 (H)：这是水泵需要克服的总阻力。
公式： `H = Hf + Hst + Hm + Hv + Hsafe`
`Hf`：管道沿程阻力损失 (m)。使用达西-魏斯巴赫公式或水力计算表/软件，根据流量Q、管径、管长、管材粗糙度计算。**这是主要部分。
`Hst`：静压差 (m)。系统最高点与水泵中心线的高程差。**在数据中心同层部署中通常较小或为零。
`Hm`：局部阻力损失 (m)。弯头、阀门（特别是调节阀、过滤器）、止回阀、设备（板换内部侧压降、机房空调/冷板压降）等产生的阻力。通常估算为沿程损失的30%-60%，或查阅设备样本/计算每个部件的当量长度/阻力系数。
`Hv`：末端设备所需压头 (m)。机房空调盘管或服务器冷板要求的最小工作压差（通常在10-50 kPa，即1-5 m）。
`Hsafe`：安全裕量 (m)。考虑计算误差、管道老化、过滤器堵塞等因素，通常增加10%-20%的裕量。
关键点：精确计算阻力至关重要。过度设计（扬程选大）会导致水泵在低效区运行，浪费能源并可能产生汽蚀和噪音；设计不足则流量达不到要求。
3. 选择水泵类型：
端吸离心泵：最常见，结构简单可靠，效率较高，适用范围广。
管道泵： 可直接安装在管道上，节省空间，安装方便。
双吸泵：大流量应用，效率高，轴向力平衡好，运行平稳。
选择依据： 流量 (Q)、扬程 (H)、效率、NPSH要求、空间限制、成本。端吸或管道离心泵是CDU的主流选择。
4. 查阅水泵性能曲线：
根据计算出的 `Q` 和 `H`，在水泵制造商的选型手册或选型软件中查找。
目标点：使设计工况点 `(Q, H)` 落在水泵性能曲线的高效区（通常为最佳效率点BEP附近，如BEP的70%-120%范围内）。避免在曲线末端（低效、高功率）或关死点（损坏泵）附近运行。
核对NPSHa > NPSHr：确保系统有效的汽蚀余量(NPSHa)大于水泵必需的汽蚀余量(NPSHr)，并留有一定安全余量（通常≥0.5m），防止汽蚀发生（产生噪音、振动、损坏叶轮）。
5. 确定水泵配置与驱动：
变频驱动：强烈推荐！** VFD是数据中心水泵选型的最佳实践。
优点： 精确匹配实际负荷变化调节流量，避免节流阀造成的能量浪费，显著降低能耗（尤其部分负荷时）；软启动减少冲击；更容易维持恒压差。
并联运行：对于大流量或需要冗余的情况，采用多台泵并联。确保并联泵型号一致。
并联后性能：流量相加，扬程基本不变（在相同扬程下）。
绘制并联曲线：在选型时考虑多台泵并联运行时的总性能曲线。
控制策略：VFD结合台数控制，优化能效。
冗余设计：采用 N+1 配置（例如：3台泵，每台满足50%设计流量，总容量150%，2用1备）。备用泵应能自动切换（通过PLC控制）。
6. 考虑其他因素：
效率：选择在目标工况点效率高的泵。关注泵的能效等级（如IE3, IE4）。
噪音：数据中心对噪音敏感。选择低噪音设计的水泵，考虑安装隔音措施。
材质：泵体、叶轮材质需与冷却水水质兼容（通常铸铁、青铜或不锈钢）。密封（机械密封）材质需可靠。
维护性： 预留检修空间，选择易于维护的泵型。
CDU水泵选型关键参数表示例
| 参数 | 符号 | 单位 | 计算/确定方法 | 备注 |
| 设计流量 | Q | m³/h | Q = 总热负荷 (kW) / (4.18 * ΔT_int) | 核心参数，高ΔT_int是关键节能点 |
| 扬程计算 | H | m | H = Hf + Hst + Hm + Hv + Hsafe | 精确计算阻力损失至关重要 |
| 沿程阻力损失 | Hf | m | 水力计算软件/公式 (考虑管径、长度、流速、粗糙度) | 主要部分 |
| 静压差 | Hst | m | 系统最高点与泵中心高差 | 同层部署常≈0 |
| 局部阻力损失 | Hm | m | 估算 (Hf的30-60%) 或计算各部件当量长度/阻力系数 | 阀门、过滤器、弯头、设备压降(板换、CRAC/冷板) |
| 末端压头要求 | Hv | m | 查阅机房空调/冷板样本 (kPa -> m: 1 kPa ≈ 0.1 m) | 通常在1-5 m (10-50 kPa) |
| 安全裕量 | Hsafe | | m | 取(Hf+Hst+Hm+Hv)的10-20% | 考虑误差、老化、堵塞 |
| 水泵类型 | 端吸离心泵 / 管道泵 (主流) | 根据Q, H, 空间选择 | ||
| 驱动方式 | 强烈推荐变频驱动 (VFD) | 节能核心，实现变流量调节 | ||
| 配置与冗余 | N+1 (例: 3台 x 50% Q, 2用1备) | 确保单泵故障时满足需求 (可能需降载) | ||
| 效率 | η | % | 查阅水泵曲线，选型点应在高效区 (BEP附近) | 选择高效率泵 (IE3/IE4) |
| NPSH | NPSHa > NPSHr + 0.5m | 防止汽蚀，系统设计要保证NPSHa | ||
| 材质 | 泵体/叶轮：铸铁、青铜、不锈钢；密封：可靠机械密封 | 匹配水质 | ||
| 噪音 | dB(A) | 选择低噪音型号，考虑隔音 | 数据中心环境要求 |
以下是数据中心水泵行业的知名企业分类整理，涵盖国际巨头、国内领先品牌及新兴技术厂商，供参考：
一、国际头部品牌（高端市场）
1. 格兰富（GRUNDFOS）- 丹麦品牌，全球水泵领导者
– 优势：高效变频泵（如CR系列）、智能控制系统、低噪音设计
– 适用场景：大型数据中心CDU主循环泵、精密冷却系统
2. 威乐（WILO）- 德国技术，全球TOP3水泵企业
– 方案：定制化数据中心泵组（如Wilo-Stratos GIGA变频泵），N+1冗余方案成熟
– 特点：IE5超高能效、模块化设计
3. 苏尔寿（SULZER） – 瑞士工业巨头，高端市场代表
– 专长：大流量双吸泵（如HSB系列）、耐高温高压泵
– 适用：超大规模数据中心、冷却塔循环系统
4. 凯士比（KSB）- 德国百年企业，核电级工艺
– 产品：MegaCPK变频离心泵、高效节能认证（Europump标准）
– 优势：超长寿命设计（>20年）
二、国内领军企业（主流市场）
1. 南方泵业（CNP）- 国内市场份额第一，A股上市（中金环境）
– 方案：CDM/CDL系列不锈钢多级泵，适配CDU变频需求
– 特点：性价比高，本土化服务网络完善
2. 新界泵业（SHIMGE） – 农用水泵龙头，数据中心领域快速拓展
– 产品：恒压变频泵组、智慧水务技术迁移
– 优势：成本控制能力强，中小型数据中心首选
3. 东方泵业（DFP） – 国内工业泵第一梯队
– 专长：大型双吸泵（如DFSS系列）、定制化CDU泵站
– 案例：腾讯、华为数据中心项目供应商
4. 连成泵业（LIANCHENG） – 上海老牌企业，国标制定参与者
– 产品：智能变频供水机组、耐腐蚀特种泵
– 特色：液冷专用低脉动泵技术
三、新兴技术厂商（创新领域）
1. 赛莱默（Xylem）- 美国水技术巨头，收购飞力（Flygt）
– 创新点：数字孪生泵管理系统、AI能效优化
– 适用：绿色数据中心液冷解决方案
2. 富兰克林（Franklin Electric） – 美国专业电泵企业
– 技术：磁悬浮轴承水泵、无接触传动
– 价值：免维护设计，降低TCO（总拥有成本）
3. 汉钟精机（Hanbell – 台湾上市企业，精密机械龙头
– 跨界产品：磁悬浮离心泵（适配浸没式液冷）
– 合作：阿里云液冷项目核心供应商
行业趋势洞察
1. 技术方向：磁悬浮水泵渗透率提升（节能30%+）、AI预测性维护
2. 本土替代：国产泵在≤500m³/h流量段已具备竞争力
3. 认证要求：关注UL消防认证、Europump能效标签、GB国标
4. 服务模式：从设备销售转向「泵站全托管」服务（含实时监控）