数据中心水处理可行性分析

胡传振，曾兴旺，邵格格，陈 凤

（厦门科华恒盛股份有限公司，福建 厦门361024）

1 背景

随着互联网与云服务的快速发展，数据中心规模不断扩大，为了满足数据中心服务器机房的供冷需求，大型数据中心常采用集中式水冷冷冻水空调系统［1-3］。冷却系统多为敞开式循环蒸发系统，如不做好水处理，整个制冷系统将面临结垢、腐蚀和黏泥等严重危害，系统运行能耗将大幅增加、系统运行寿命也会大幅缩短［4］。根据GB/T 50050—2017《工业循环冷却水处理设计规范》，循环冷却水水质指标根据补充水水质及换热设备的结构形式、材质、工况条件、污垢热阻值、腐蚀速率、被换热介质性质，并结合水处理药剂配方等因素综合确定。开式系统水质指标如表1［5］。

表1 开式系统循环冷却水水质指标 单位：mg/L

2 水处理现状

2.1 制冷系统水污染现状

2.1.1 水污染成因

（1）冷却水补给水里含有多的溶解盐、由于蒸发的原因而产生浓缩、生成溶解盐类。

（2）由于冷却水浓缩产生的氯化物离子、硫酸离子等腐蚀因子増加，溶解氧的存在等环境造成铁生锈。

（3）水中溶解的营养源引起细菌、丝状菌、藻类等微生物群的繁殖，并以这些微生物为主体，混有泥沙无机物和尘土等。

2.1.2 水污染危害

（1）管路热阻增加，水阻增大，换热效率降低，冷水机组、水泵等能耗增加，影响系统及冷水机组寿命。

（2）管路热阻增加，换热效率降低，冷水机组能耗增加，管道漏水，降低设备寿命。如果管道腐蚀穿孔，则冷水主机报废。

（3）管路热阻增加，水阻增大，换热效率降低，冷水机组、水泵等能耗增加，影响美观，污染环境。

2.1.3 水污染控制

（1）控制水质的浓缩倍数；适当提高水流速度，可以减缓设备的结垢程度；添加阻垢剂［6］。

（2）添加缓蚀剂。

（3）添加除菌药剂，定期清洗冷却塔填料和接水盘，定期排污。

2.2 水处理方式

目前数据中心水处理99%以上采用化学处理方式，如表2。化学处理分为手动加药和自动加药。手动加药主要依靠运维人员定期、定时手动加药费时费力；全自动加药可避免人工加药的药量不准，处理效果明显，减少人员投药工作量，目前已成为一种应用趋势［7］。

表2 水处理主要方式及现状

续表2

3 效益分析

3.1 节约电能

3.1.1 水冷机组与冷凝器能耗

水冷机组正常冷凝器运行小温差一般为2 ℃，一旦冷凝器开始结垢，小温差经常能达4～5 ℃，甚至6～8 ℃，严重导致冷机超温超压报警停机。冷水机组冷凝器小温差每上升1 ℃，冷机能耗增加2%～3%。按小温差平均升高2 ℃计算，冷机能耗增加5%以上。

3.1.2 冷却塔能耗

保持冷却塔换热填料干净，冷却水供水温度保持合理低温。冷水机组冷却水入口温度在正常情况下，每升高1 ℃，冷水机组能耗增加2%～3%；如果冷却水水处理没做好，冷却塔供水温度按平均升高2 ℃计算，冷水机组能耗又增加5%以上。

3.1.3 自然冷却能耗分析

长江以北区域，冬季通常采用板式换热器+冷却塔模式进行免费自然冷却。如果冷却水水处理没做好，冷却塔换热填料结垢，导致冷却水供水温度升高，以及板式换热器表面结垢导致冷却水与冷冻水换热温差升高，两方面都会缩短免费制冷时间，延长制冷模式时间。对于严寒地区，采用优质的水处理，全年可延长免费制冷运行时间30d以上，对整个数据中心的节能有重要意义［8］。

3.2 节约水源

浓缩倍数是指开式循环冷却水系统的循环水与补充水含盐量的比值。根据GB/T 50050—2017《工业循环冷却水处理设计规范》 要求间冷开式系统的设计浓缩倍数不宜大于5.0，且不应小于3.0。控制浓缩倍数在合理的范围内，不仅可减少水垢及杂物的沉积，而且可很好的节约用水，并降低系统的WUE（水分利用率）。

3.3 防腐蚀、防填料老化

开式冷却塔集水盘受到风吹、日晒、雨淋及各种外界环境的污染，会产生比闭式冷却塔更为严重的腐蚀、黏泥、结垢和微生物滋生问题，导致冷却水管道内壁结垢、循环水量减少、设备管道腐蚀增加，甚至堵塞换热器、过滤器，进而对空调系统的安全运行造成隐患，并严重影响设备的使用寿命。以某水处理厂家提供资料为例，填料更换费用为30万元一次。厂家可保证在其处理下，填料可从3年更换提升到5年更换。冷却塔填料费用从每年10万元减为每年6万元。每年节约运维成本4万元。

4 案例分析

上海某自建数据中心项目建筑为地上6层，地下1层，总建筑面积2万m3，按照国际可容纳标准机柜数量4100个。暖通系统采用水冷离心式冷水机组作为冷源，共设置4套制冷单元，每套制冷单元均包含1台制冷量800冷吨的水冷冷水机组、1台冷却水泵、1台冷冻水泵及1组开式冷却塔。

2018 年运行的第1个月，开式冷却水系统并未使用全自动加药装置，仅使用手动加药。

表3统计了7d内3#冷水机组冷凝器每天换热温差平均值。冷凝器换热温差 在2.41～2.54 ℃，平均值在2.44 ℃。冷凝器换热温差增大，使冷水机组在高压的状态下运行，导致制冷量下降、用电量上升，冷水机组长期在该工况下运行，大大缩短冷水机组的使用寿命。如果冷凝器换热温差达到冷凝器清洗值（冷凝器的换热温差超过3 ℃，需要物理清洗冷凝器；超过4 ℃需要化学清洗加物理清洗），数据机房在较高负荷下，使得冷水机组容易出现故障，导致故障停机。该类故障一旦发生，无法在短时间内恢复供冷，会造成数据中心供冷系统的瘫痪。

表3 7d内换热温差平均值 单位：℃

3月份引进了全自动加药装置并投入使用，未使用该设备前，4#冷水主机冷凝器小温差有上升趋势。使用全自动加药设备后，4#冷机冷凝器小温差有下降和趋于平稳趋势。如果没有使用全自动投药设备，预计第四季度需要找维护厂家对2#，3#，4#冷水主机进行冷凝器物理清洗，如图1。

图1 温差月平均值

3～8 月份每月采样暖通水系统水质浑浊度，如图2。

图2 暖通水系统水质浑浊度

因冷却水系统是开放式，容易混入杂质，浑浊度越接近零表示水质越清澈。3～8月冷却水系统浑浊度降低较快，后期浑浊度趋于平稳。

随着服务器负载升高，用水量逐渐增加，同时暖通系统使用时间也在增加。使用全自动加药装置后，折算成暖通系统每h用水量后，该数值有下降趋势，如图3。

图3 暖通系统平均每h用水量

冷凝器小，温差值越小，表示换热效果越好越节能。冷凝器小，温差每下降1 ℃，可节能电费2%，每年可节约电费26.2万元。除此之外，使用全自动加药装置，还可节省2名运维人员。

5 结语

（1）采用全自动加药系统，水处理更可靠，同时避免出现手动加药药剂太小或太大情况。药剂投放太小达不到效果，而造成腐蚀设备的风险。

（2）对于4台制冷量为800冷吨冷水主机的数据中心，使用全自动加药装置，每年节约电费26.2万元，同时还可节约用水量和运维人力成本，既能保证冷水系统的可靠运行，又可降低总体运营成本，符合数据中心节能建设与绿色发展趋势。