數據中心開式水冷系統水質調控管理

肖鑫， 孟慶鵬， 宣依彤

（成方金融信息技術服務有限公司）

1 引言

水冷系統換熱效率高、節能效果好的特點使其在PUE要求越來越嚴苛的趨勢下成為數據中心制冷系統的優先選擇之一。閉式水冷系統[1]循環利用冷卻水，水量損失很小、水質較為穩定，而開式水冷系統由于蒸發、排污等客觀因素導致耗水量大，水質調控指標精準度和及時性要求都比較高，且水質調控管理的效果直接影響制冷系統的安全性，如管道的結垢和腐蝕、微生物的滋生等。我單位運維的某數據中心，是10 年前建成投產的自然冷卻水冷型系統，建設過程中配套安裝的水質調控裝置功能單一、監控指標少，經常需要人工投藥，不具備遠程實時監控能力，無法滿足制冷系統水質調控精準化管理需求。經過充分調研和技術論證，成功換裝了新的水質調控裝置，全面優化了藥劑投放控制邏輯，不僅提升了冷卻水運行的穩定性和現場管理效率，也帶來了環境效益和經濟效益，為打造高效、綠色機房提供了有力支撐。

2 水系統基本情況

2.1 水系統運行構架

四臺板式換熱器是一次水和二次水換熱的主體，一次水通過板換給二次水降溫后，再通過開式冷卻塔將熱量散出；二次水供精密空調用于機房降溫。一次水系統保有水量50m3，循環水量約1000m3/h，進出水溫差3℃。一次側的冷卻水系統屬于典型的高循環量/保有量比值的系統，也是數據中心較為常見的一種設計。

2.2 水系統水源主要參數

數據中心位于北京市，制冷系統補充水應為南水北調水源，從實測水質數據看明顯屬于典型長江流域水質，水質數據見表1。該水質具有中等鈣硬度和堿度，在循環水系統中濃縮后屬于結垢性水質，濃縮4.5 倍時在該系統運行條件下飽和指數LSI 約為2.7，屬于高結垢壓力。

3 水質調控功能的不足及升級改造方案

3.1 調整投藥的控制方式

系統的循環量/保有量比值約20，正常負荷下系統藥劑停留的半衰期時間指數HTI為22小時。若每天投加一次阻垢緩蝕劑，則每次投加前系統藥劑濃度不足峰值的50%。為保證系統水質的穩定運行，需要確保藥劑谷底濃度滿足水質穩定運行要求，這會導致峰值藥劑濃度過高，一方面造成藥劑的浪費，另外過高藥劑濃度也會帶來腐蝕及結垢/沉積的風險。對于保有量小、循環量大的系統，系統藥劑濃度受氣溫影響也較大，季節的不同，甚至白天或夜間都會明顯影響藥劑濃度，故定時投藥的方式很難穩定控制系統中藥劑的濃度，系統水質容易出現較大的波動。為保持藥劑濃度的穩定，盡量減少水質波動[2]，必須將按時投藥的落后控制方式調整為按需投藥方式。

3.2 增加科學的監控指標

水質監控參數只有電導率和PH值，也不具備對歷史數據進行對比查閱的功能，現場運維人員無法及時掌握水質和藥劑波動狀態，對于水質波動帶來的潛在結垢、腐蝕或微生物風險也不可預判和有效控制。而結垢和微生物是換熱器換熱效率降低的主要原因之一，會導致能耗和維護成本的增加；另外，水質波動帶來的腐蝕風險則會影響管道系統的穩定運行，進而威脅到數據中心運營的安全性。經反復研究，在電導率和pH 值監控基礎上，增加了藥劑濃度、水體腐蝕性和氧化還原電位指標以及水流監控報警，提高水質調控系統的適用性和實用性。

3.3 升級水質調控藥劑

傳統液體藥劑用量大、占地多且存在揮發性，在投藥、更換藥桶等操作過程中難免產生藥劑滴漏情況，對環境安全和人身健康產生不利影響，頻繁地藥劑接收、搬運也占用了很多人力資源。為提高工作效率和操作安全性，本項目將原來的液體藥劑升級為全固體無磷藥劑，且藥劑自身帶有熒光成分可有效提高濃度檢測精度。

3.4 升級水質調控綜合管理功能

原有調控裝置集成度低、管理功能少、數據提取和展示不便的缺點也給運維人員帶來了極大的困擾。新的調控裝置在需求調研階段就充分進行了針對性討論，選配了高清晰彩色顯示屏、本地與遠程參數監控和調整功能、歷史數據查詢和曲線展示等運維管理必需的功能。另外，新的調控裝置還具備原廠通訊直聯功能，甲方授權后可實現原廠實時監控接管，為緊急情況下原廠及時遠程分析系統運行狀態、判斷裝置運行故障提供了便捷渠道。

4 水質調控裝置升級效果評估

4.1 系統運行穩定性有了保障

在實現藥劑濃度精準監測的基礎上，將按時投藥的落后控制方式調整為按需投藥，確保系統中藥劑濃度滿足阻垢、防腐、殺菌等綜合需求，避免水質指標受室外溫度、濕度、風力等因素而大幅波動，各種藥劑實現智能化全自動投放，自動控制排污，確保水質指標的安全、穩定和科學控制。

從圖1和圖2可以看到，通過新的水質智能調控裝置可以精確、穩定地控制藥劑投加量，將系統藥劑濃度、電導率兩個核心指標始終穩定控制在合理區間內，為系統的穩定運行打好基礎。

圖1 藥劑濃度歷史曲線

圖2 電導率歷史曲線

4.2 水系統運行整體安全水平得到提升

新的水質調控裝置在2023 年5 月安裝使用，整個夏秋季節循環水系統未發生綠藻滋生情況；裝置本地實時顯示的水質監控數據與取水樣后專業實驗室檢測結果高度一致，充分反映了水質調控裝置的可靠性。增加水體腐蝕性、氧化還原電位指標以及水流監控報警功能（詳見圖3），為管道安全運行、預防水體微生物滋生和及時發現水泵異常停機提供了依據。2023 年9 月例行板換裝置清洗過程中，板換裝置換熱片之間和供水/回水管道口內壁的檢查結果顯示，水系統結垢和腐蝕情況控制效果良好。以上實際使用效果的核驗，充分反映了我們選用的水質調控裝置和藥劑方案對水系統運行整體安全水平的提升產生了積極作用。

圖3 主界面顯示的各種監控內容

4.3 操作安全和環保方面沒有后顧之憂

全新固體無磷藥劑方案的使用，既實現了循環水更綠色環保的排污要求，又實現危險廢棄物的零產生，現場變得整潔、美觀，現場實景對比見圖4。固體藥劑方案避免了液體化學品帶來的場地潑濺、操作強度大、搬運及儲存不便等問題，大大提升了現場操作和工作環境的安全性。2022 年和2023 年藥劑使用對比數據最能說明問題：2022 年液體藥劑用量約3126kg，產生空桶125個，2023年系統升級后只需10個紙箱包裝的固體藥劑即可滿足使用需求。紙箱包裝可按一般廢棄物回收再利用，避免了傳統液體化學藥劑桶須由專業企業回收處置的問題，降低了處理難度并節省了處置費用。

圖4 水質調控裝置升級前（左）后（右）對比

4.4 水系統運行更加經濟高效

在升級改造前，為降低運行風險，日常運行的電導率控制在1200μs/cm左右，節水效果不佳。隨著水質調控能力的提升，運維團隊逐步將系統電導率設定值從1200us/cm 提升到1450us/cm，濃縮倍數相應從3.7 倍上升到4.5 倍左右，水系統運行在更加經濟高效的區間。經對比實際用水數據，2023 年水系統較上一年減少了約3%的自來水用量，全年減少自來水用量1009t。考慮2023 年極熱天氣現象和機房用電功率的增長客觀上增加了用水量，故合理推斷同等條件下2023年減少的用水量應在1009t基礎上再增加數百噸。下一步擬通過增加一套排污水回收裝置，將含藥劑的排污水去除高濃度離子[3]后回注到水系統中，進一步提升節水效果。

5 結語

綜上，作為目前數據中心主要制冷方式之一的水冷系統，在開式運行過程中實現循環水水質的精準控制和安全經濟運行，必須關注水質調控系統的功能指標和藥劑選配方案，使其既適合當地自來水水質又達到保障水體和管道系統整體安全運行的目標。而且，在運維過程中要尤其重視水質調控管理工作的綜合性特點，應通過自來水水質指標和循環水水質指標變化、過濾器過濾效果、冷塔塔盤腐蝕情況、加濕裝置運行狀態、板換裝置換熱片結垢情況和換熱效果變化、補水量與排污量變化情況等綜合評估水質調控效果，適時采取有針對性的檢測、檢查措施。功能強大的水質調控設備和優良的藥劑方案，能為運維人員提供有力支持，但不可以只依賴水質調控設備，必須從綜合的角度客觀、全面分析水系統運行的整體安全性，才能確保達到維持整個水循環系統長期安全穩定運轉的目標。