數據中心水冷系統溫排水對水環境影響研究

張泉 熊磊 張藎文

湖南大學土木工程學院

0 引言

隨著大數據時代的到來，我國數據中心的電耗在2015 年已達1000 億度/年[1]，其中空調系統的能耗約占總能耗30%～50%[2-3]，減少數據中心空調能耗的重要性日益突出。利用水冷自然冷卻制冷是減少能耗的方式之一，但是數據中心在利用自然水源冷卻時會將大量的溫排水直接排入自然水體中，致使收納水體的溫度升高。研究表明水體溫度升高會導致水體溶氧量下降[4]和富營養化[5]，同時影響水生動植物的生存環境，甚至導致其大量死亡[6-7]。

本文以二維k-ε 兩方程控制方程以及東江湖水文參數建立模型，使用流體力學模擬軟件Fluent，對東江湖數據中心溫排水排入水體后附近水域的溫度分布進行計算，并對結果做了初步分析，得到了東江湖數據中心溫排水對收納水體的溫度影響。

1 數學模型

1.1 計算區域概況

該模型數值模擬計算區域如圖1 所示，以所選河段的河岸線為壁面邊界，以取水口上游300 m 處為進口邊界，以排水口下游1500 m 處為出口邊界。該區域的河岸線垂直方向最大距離為1000 m，上下邊界最大距離為1500 m，全長為1800 m。

圖1 東江湖數據模擬區域示意圖

1.2 數學模型

由于河流比較寬闊，河流深度與寬度相差很大，采用二維數值模擬溫度擴散。本文采用穩態定常流動，在模擬時有以下假設：流體不可壓縮；不考慮垂直方向的溫度擴散；不考慮表面張力的影響。

河流流動處于湍流狀態，控制微分方程包括連續性方程、動量方程、能量方程、湍流脈動動能k 方程、湍流能量耗散率ε 方程，同時考慮對流項、擴散項[8]。

河流的水力直徑，湍流度由式（1）～（4）[9]得到。

流體粘性：流體質點間可流層間因相對運動而產生摩擦力而反抗相對運動的性質。流體粘性的大小通常用粘度表示，計算水的運動粘度ν 的經驗公式如式（1）：

式中：v 為水的運動粘度，cm2/s；t 為水溫，℃。

水力直徑：指過流斷面面積的四倍與周長之比，可根據式（2）計算得出。

式中：dh為水力直徑，m；A 為過水斷面面積，m2；S 為濕周，m。

雷諾數Re：流體流動過程，慣性力與粘滯力比值，可根據式（3）計算得出。

式中：V 為流速，m/s。

對于湍流度I，可根據經驗公式（4）得出：

1.3 網格劃分及收斂判定

本文所選取的數值模擬區域較大，采用前處理軟件Gambit 對模擬區域進行建模及網格劃分。選用四邊形結構網格，并對河岸邊界條件處進行了邊界網格加密，同時在模擬計算時采用溫度梯度自適應網格對網格加密。初始網格尺寸為1 m×2 m，共38724 個，Gambit 模型示意圖如圖2 所示。使用標準k-ε 湍流模型進行模擬，壁面函數使用標準壁面函數，壓力速度耦合方程使用SIMPLE 的算法，離散格式使用二階迎風格式。

圖2 Gambit 網格模型示意圖

進行模擬計算時，以表1 中的殘差收斂標準判斷是否收斂，再通過Flux Reports 中的質量凈通量小于0.1%進一步判定收斂。

表1 各方程的殘差收斂標準

2 邊界條件和初始條件

2.1 邊界條件

所模擬的區域邊界主要有河床河岸邊界、上游入口邊界、下游出口邊界以及取、排水口。

1）河床河岸邊界

熱平衡時河岸及河床與河流的換熱量很小，于是假設河岸和河床為絕熱壁面，同時相互無質量交換，河床和河岸黏性無滑移。

表2 2015 年東江站水文數據

2）上下游出口邊界

上游采用速度入口邊界，數據由東江站水文檢測站的水文資料整理得到，具體數據見表2。下游為自由出流邊界條件。

3）取、排水口邊界

取、排水口設置為速度邊界條件，是由相關文獻所模擬得出的結果，具體數據見表3[10]。

表3 空調系統換熱模型冷卻水排放參數模擬結果

2.2 初始條件

初始水溫根據東江湖2015 年全年水文資料，采用每月平均水溫，初始流速采用每月平均流速。計算得河流水力直徑22.2 m，排水水利直徑1 m，河流湍流度Ir，排水湍流度Id計算結果見表4。

表4 湍流度計算表

3 模擬結果與分析

3.1 溫升場模擬結果

模擬得到全年十二個月冷卻水排入小東江的溫度分布情況。本文選取較有代表性的一月、七月、十二月進行展示，如圖3～8。在這三個月中，一月0.5 ℃溫升包絡線寬度最小，因為數據中心全年的換熱量比較穩定，排放流量相差不大，而一月河水流量最大，溫排水與來流混合迅速進入下游。七月0.5 ℃溫升包絡線寬度最大，是因為七月湖水流量最小，但此時包絡線寬度相比于河流橫向寬度，影響區域仍主要集中在排放口附近及排放口附近下游水域，而取水口，河心及河對岸湖水溫度幾乎不受影響。所以不存在熱量二次回流現象且給魚類留下了寬闊的自然水溫通道。七月與十二月溫排水的擴散現象相比于一月更加明顯，這是因為一月的河流湍流度在三個月中最小。

圖3 一月份水溫分布

圖4 一月份水溫局部分布

圖5 七月份水溫分布

圖6 七月份水溫局部分布

圖7 十二月份水溫分布

圖8 十二月份水溫局部分布

3.2 溫升包絡線面積

溫升包絡線面積隨溫升變化見圖9。六月和七月0.5 ℃溫升包絡線面積最大，一月，三月和八月0.5 ℃溫升包絡線面積最小。雖然三月和四月河流流速比七月大，然而0.5 ℃溫升包絡線面積反而比七月小,這三個月份的溫排水溫度，排水速度和排水湍流度均差別不大，但是七月的河流湍流度較大，此時溫排水的熱量更容易擴散，溫升包絡線面積更大。

圖9 溫升包絡線面積隨溫升變化曲線

在1 ℃時，曲線出現轉折點，0.5 ℃溫升包絡線面積較于1 ℃溫升包絡線面積顯著增大，而1 ℃到5 ℃包絡線面積相差都較小，所以溫排水導致的水體溫升主要在1 ℃以內。每個月的平均溫升相差不大，維持在0.6 ℃/m2左右，主要是因為空調系統的換熱量相差不大，于是排入江內的熱量也相差不大，雖然不同月份河流流速有差別，但這主要影響溫排水擴散寬度，而平均溫升波動較小。

4 結語

本文主要討論了東江湖數據中心溫排水排入小東江對附近水域溫度分布的影響。以二維k-ε 兩方程控制模型為理論基礎，以相關的水文資料和溫排水參數為邊界條件，采用流體力學模擬軟件Fluent，模擬十二個月小東江的溫度分布情況。通過分析得出了以下結論：

1）河流流量較大時，溫排水與來流混合迅速進入下游，溫度橫向擴散范圍不大，溫升包絡線寬度較小。

2）在溫升包絡線寬度最大的幾月，相比于河流橫向寬度，影響區域仍主要集中在排放口附近及下游河岸附近水域，而河心及河對岸還有較寬的自然水溫通道留給魚類。同時，取水口處的水體不受溫排水溫度擴散的影響，沒有熱量二次回流現象。

3）溫排水導致的水體溫升主要在1 ℃以內。每個月的平均溫升相差不大，維持在0.6 ℃/m2左右，主要是因為空調系統的換熱量相差不大，于是排入江內的熱量也相差不大，雖然不同月份河流流速有差別，但這主要影響溫排水擴散寬度，而平均溫升波動較小。

4）河流湍流度較大時，此時溫排水的熱量更容易擴散，溫升包絡線寬度及面積更大。