數據中心水處理可行性分析

胡傳振，曾興旺，邵格格，陳 鳳

（廈門科華恒盛股份有限公司，福建 廈門361024）

1 背景

隨著互聯網與云服務的快速發展，數據中心規模不斷擴大，為了滿足數據中心服務器機房的供冷需求，大型數據中心常采用集中式水冷冷凍水空調系統［1-3］。冷卻系統多為敞開式循環蒸發系統，如不做好水處理，整個制冷系統將面臨結垢、腐蝕和黏泥等嚴重危害，系統運行能耗將大幅增加、系統運行壽命也會大幅縮短［4］。根據GB/T 50050—2017《工業循環冷卻水處理設計規范》，循環冷卻水水質指標根據補充水水質及換熱設備的結構形式、材質、工況條件、污垢熱阻值、腐蝕速率、被換熱介質性質，并結合水處理藥劑配方等因素綜合確定。開式系統水質指標如表1［5］。

表1 開式系統循環冷卻水水質指標 單位：mg/L

2 水處理現狀

2.1 制冷系統水污染現狀

2.1.1 水污染成因

（1）冷卻水補給水里含有多的溶解鹽、由于蒸發的原因而產生濃縮、生成溶解鹽類。

（2）由于冷卻水濃縮產生的氯化物離子、硫酸離子等腐蝕因子増加，溶解氧的存在等環境造成鐵生銹。

（3）水中溶解的營養源引起細菌、絲狀菌、藻類等微生物群的繁殖，并以這些微生物為主體，混有泥沙無機物和塵土等。

2.1.2 水污染危害

（1）管路熱阻增加，水阻增大，換熱效率降低，冷水機組、水泵等能耗增加，影響系統及冷水機組壽命。

（2）管路熱阻增加，換熱效率降低，冷水機組能耗增加，管道漏水，降低設備壽命。如果管道腐蝕穿孔，則冷水主機報廢。

（3）管路熱阻增加，水阻增大，換熱效率降低，冷水機組、水泵等能耗增加，影響美觀，污染環境。

2.1.3 水污染控制

（1）控制水質的濃縮倍數；適當提高水流速度，可以減緩設備的結垢程度；添加阻垢劑［6］。

（2）添加緩蝕劑。

（3）添加除菌藥劑，定期清洗冷卻塔填料和接水盤，定期排污。

2.2 水處理方式

目前數據中心水處理99%以上采用化學處理方式，如表2。化學處理分為手動加藥和自動加藥。手動加藥主要依靠運維人員定期、定時手動加藥費時費力；全自動加藥可避免人工加藥的藥量不準，處理效果明顯，減少人員投藥工作量，目前已成為一種應用趨勢［7］。

表2 水處理主要方式及現狀

續表2

3 效益分析

3.1 節約電能

3.1.1 水冷機組與冷凝器能耗

水冷機組正常冷凝器運行小溫差一般為2 ℃，一旦冷凝器開始結垢，小溫差經常能達4～5 ℃，甚至6～8 ℃，嚴重導致冷機超溫超壓報警停機。冷水機組冷凝器小溫差每上升1 ℃，冷機能耗增加2%～3%。按小溫差平均升高2 ℃計算，冷機能耗增加5%以上。

3.1.2 冷卻塔能耗

保持冷卻塔換熱填料干凈，冷卻水供水溫度保持合理低溫。冷水機組冷卻水入口溫度在正常情況下，每升高1 ℃，冷水機組能耗增加2%～3%；如果冷卻水水處理沒做好，冷卻塔供水溫度按平均升高2 ℃計算，冷水機組能耗又增加5%以上。

3.1.3 自然冷卻能耗分析

長江以北區域，冬季通常采用板式換熱器+冷卻塔模式進行免費自然冷卻。如果冷卻水水處理沒做好，冷卻塔換熱填料結垢，導致冷卻水供水溫度升高，以及板式換熱器表面結垢導致冷卻水與冷凍水換熱溫差升高，兩方面都會縮短免費制冷時間，延長制冷模式時間。對于嚴寒地區，采用優質的水處理，全年可延長免費制冷運行時間30d以上，對整個數據中心的節能有重要意義［8］。

3.2 節約水源

濃縮倍數是指開式循環冷卻水系統的循環水與補充水含鹽量的比值。根據GB/T 50050—2017《工業循環冷卻水處理設計規范》 要求間冷開式系統的設計濃縮倍數不宜大于5.0，且不應小于3.0。控制濃縮倍數在合理的范圍內，不僅可減少水垢及雜物的沉積，而且可很好的節約用水，并降低系統的WUE（水分利用率）。

3.3 防腐蝕、防填料老化

開式冷卻塔集水盤受到風吹、日曬、雨淋及各種外界環境的污染，會產生比閉式冷卻塔更為嚴重的腐蝕、黏泥、結垢和微生物滋生問題，導致冷卻水管道內壁結垢、循環水量減少、設備管道腐蝕增加，甚至堵塞換熱器、過濾器，進而對空調系統的安全運行造成隱患，并嚴重影響設備的使用壽命。以某水處理廠家提供資料為例，填料更換費用為30萬元一次。廠家可保證在其處理下，填料可從3年更換提升到5年更換。冷卻塔填料費用從每年10萬元減為每年6萬元。每年節約運維成本4萬元。

4 案例分析

上海某自建數據中心項目建筑為地上6層，地下1層，總建筑面積2萬m3，按照國際可容納標準機柜數量4100個。暖通系統采用水冷離心式冷水機組作為冷源，共設置4套制冷單元，每套制冷單元均包含1臺制冷量800冷噸的水冷冷水機組、1臺冷卻水泵、1臺冷凍水泵及1組開式冷卻塔。

2018 年運行的第1個月，開式冷卻水系統并未使用全自動加藥裝置，僅使用手動加藥。

表3統計了7d內3#冷水機組冷凝器每天換熱溫差平均值。冷凝器換熱溫差 在2.41～2.54 ℃，平均值在2.44 ℃。冷凝器換熱溫差增大，使冷水機組在高壓的狀態下運行，導致制冷量下降、用電量上升，冷水機組長期在該工況下運行，大大縮短冷水機組的使用壽命。如果冷凝器換熱溫差達到冷凝器清洗值（冷凝器的換熱溫差超過3 ℃，需要物理清洗冷凝器；超過4 ℃需要化學清洗加物理清洗），數據機房在較高負荷下，使得冷水機組容易出現故障，導致故障停機。該類故障一旦發生，無法在短時間內恢復供冷，會造成數據中心供冷系統的癱瘓。

表3 7d內換熱溫差平均值 單位：℃

3月份引進了全自動加藥裝置并投入使用，未使用該設備前，4#冷水主機冷凝器小溫差有上升趨勢。使用全自動加藥設備后，4#冷機冷凝器小溫差有下降和趨于平穩趨勢。如果沒有使用全自動投藥設備，預計第四季度需要找維護廠家對2#，3#，4#冷水主機進行冷凝器物理清洗，如圖1。

圖1 溫差月平均值

3～8 月份每月采樣暖通水系統水質渾濁度，如圖2。

圖2 暖通水系統水質渾濁度

因冷卻水系統是開放式，容易混入雜質，渾濁度越接近零表示水質越清澈。3～8月冷卻水系統渾濁度降低較快，后期渾濁度趨于平穩。

隨著服務器負載升高，用水量逐漸增加，同時暖通系統使用時間也在增加。使用全自動加藥裝置后，折算成暖通系統每h用水量后，該數值有下降趨勢，如圖3。

圖3 暖通系統平均每h用水量

冷凝器小，溫差值越小，表示換熱效果越好越節能。冷凝器小，溫差每下降1 ℃，可節能電費2%，每年可節約電費26.2萬元。除此之外，使用全自動加藥裝置，還可節省2名運維人員。

5 結語

（1）采用全自動加藥系統，水處理更可靠，同時避免出現手動加藥藥劑太小或太大情況。藥劑投放太小達不到效果，而造成腐蝕設備的風險。

（2）對于4臺制冷量為800冷噸冷水主機的數據中心，使用全自動加藥裝置，每年節約電費26.2萬元，同時還可節約用水量和運維人力成本，既能保證冷水系統的可靠運行，又可降低總體運營成本，符合數據中心節能建設與綠色發展趨勢。