数据中心水冷系统温排水对水环境影响研究

张泉 熊磊 张荩文

湖南大学土木工程学院

0 引言

随着大数据时代的到来，我国数据中心的电耗在2015 年已达1000 亿度/年[1]，其中空调系统的能耗约占总能耗30%～50%[2-3]，减少数据中心空调能耗的重要性日益突出。利用水冷自然冷却制冷是减少能耗的方式之一，但是数据中心在利用自然水源冷却时会将大量的温排水直接排入自然水体中，致使收纳水体的温度升高。研究表明水体温度升高会导致水体溶氧量下降[4]和富营养化[5]，同时影响水生动植物的生存环境，甚至导致其大量死亡[6-7]。

本文以二维k-ε 两方程控制方程以及东江湖水文参数建立模型，使用流体力学模拟软件Fluent，对东江湖数据中心温排水排入水体后附近水域的温度分布进行计算，并对结果做了初步分析，得到了东江湖数据中心温排水对收纳水体的温度影响。

1 数学模型

1.1 计算区域概况

该模型数值模拟计算区域如图1 所示，以所选河段的河岸线为壁面边界，以取水口上游300 m 处为进口边界，以排水口下游1500 m 处为出口边界。该区域的河岸线垂直方向最大距离为1000 m，上下边界最大距离为1500 m，全长为1800 m。

图1 东江湖数据模拟区域示意图

1.2 数学模型

由于河流比较宽阔，河流深度与宽度相差很大，采用二维数值模拟温度扩散。本文采用稳态定常流动，在模拟时有以下假设：流体不可压缩；不考虑垂直方向的温度扩散；不考虑表面张力的影响。

河流流动处于湍流状态，控制微分方程包括连续性方程、动量方程、能量方程、湍流脉动动能k 方程、湍流能量耗散率ε 方程，同时考虑对流项、扩散项[8]。

河流的水力直径，湍流度由式（1）～（4）[9]得到。

流体粘性：流体质点间可流层间因相对运动而产生摩擦力而反抗相对运动的性质。流体粘性的大小通常用粘度表示，计算水的运动粘度ν 的经验公式如式（1）：

式中：v 为水的运动粘度，cm2/s；t 为水温，℃。

水力直径：指过流断面面积的四倍与周长之比，可根据式（2）计算得出。

式中：dh为水力直径，m；A 为过水断面面积，m2；S 为湿周，m。

雷诺数Re：流体流动过程，惯性力与粘滞力比值，可根据式（3）计算得出。

式中：V 为流速，m/s。

对于湍流度I，可根据经验公式（4）得出：

1.3 网格划分及收敛判定

本文所选取的数值模拟区域较大，采用前处理软件Gambit 对模拟区域进行建模及网格划分。选用四边形结构网格，并对河岸边界条件处进行了边界网格加密，同时在模拟计算时采用温度梯度自适应网格对网格加密。初始网格尺寸为1 m×2 m，共38724 个，Gambit 模型示意图如图2 所示。使用标准k-ε 湍流模型进行模拟，壁面函数使用标准壁面函数，压力速度耦合方程使用SIMPLE 的算法，离散格式使用二阶迎风格式。

图2 Gambit 网格模型示意图

进行模拟计算时，以表1 中的残差收敛标准判断是否收敛，再通过Flux Reports 中的质量净通量小于0.1%进一步判定收敛。

表1 各方程的残差收敛标准

2 边界条件和初始条件

2.1 边界条件

所模拟的区域边界主要有河床河岸边界、上游入口边界、下游出口边界以及取、排水口。

1）河床河岸边界

热平衡时河岸及河床与河流的换热量很小，于是假设河岸和河床为绝热壁面，同时相互无质量交换，河床和河岸黏性无滑移。

表2 2015 年东江站水文数据

2）上下游出口边界

上游采用速度入口边界，数据由东江站水文检测站的水文资料整理得到，具体数据见表2。下游为自由出流边界条件。

3）取、排水口边界

取、排水口设置为速度边界条件，是由相关文献所模拟得出的结果，具体数据见表3[10]。

表3 空调系统换热模型冷却水排放参数模拟结果

2.2 初始条件

初始水温根据东江湖2015 年全年水文资料，采用每月平均水温，初始流速采用每月平均流速。计算得河流水力直径22.2 m，排水水利直径1 m，河流湍流度Ir，排水湍流度Id计算结果见表4。

表4 湍流度计算表

3 模拟结果与分析

3.1 温升场模拟结果

模拟得到全年十二个月冷却水排入小东江的温度分布情况。本文选取较有代表性的一月、七月、十二月进行展示，如图3～8。在这三个月中，一月0.5 ℃温升包络线宽度最小，因为数据中心全年的换热量比较稳定，排放流量相差不大，而一月河水流量最大，温排水与来流混合迅速进入下游。七月0.5 ℃温升包络线宽度最大，是因为七月湖水流量最小，但此时包络线宽度相比于河流横向宽度，影响区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，河心及河对岸湖水温度几乎不受影响。所以不存在热量二次回流现象且给鱼类留下了宽阔的自然水温通道。七月与十二月温排水的扩散现象相比于一月更加明显，这是因为一月的河流湍流度在三个月中最小。

图3 一月份水温分布

图4 一月份水温局部分布

图5 七月份水温分布

图6 七月份水温局部分布

图7 十二月份水温分布

图8 十二月份水温局部分布

3.2 温升包络线面积

温升包络线面积随温升变化见图9。六月和七月0.5 ℃温升包络线面积最大，一月，三月和八月0.5 ℃温升包络线面积最小。虽然三月和四月河流流速比七月大，然而0.5 ℃温升包络线面积反而比七月小,这三个月份的温排水温度，排水速度和排水湍流度均差别不大，但是七月的河流湍流度较大，此时温排水的热量更容易扩散，温升包络线面积更大。

图9 温升包络线面积随温升变化曲线

在1 ℃时，曲线出现转折点，0.5 ℃温升包络线面积较于1 ℃温升包络线面积显著增大，而1 ℃到5 ℃包络线面积相差都较小，所以温排水导致的水体温升主要在1 ℃以内。每个月的平均温升相差不大，维持在0.6 ℃/m2左右，主要是因为空调系统的换热量相差不大，于是排入江内的热量也相差不大，虽然不同月份河流流速有差别，但这主要影响温排水扩散宽度，而平均温升波动较小。

4 结语

本文主要讨论了东江湖数据中心温排水排入小东江对附近水域温度分布的影响。以二维k-ε 两方程控制模型为理论基础，以相关的水文资料和温排水参数为边界条件，采用流体力学模拟软件Fluent，模拟十二个月小东江的温度分布情况。通过分析得出了以下结论：

1）河流流量较大时，温排水与来流混合迅速进入下游，温度横向扩散范围不大，温升包络线宽度较小。

2）在温升包络线宽度最大的几月，相比于河流横向宽度，影响区域仍主要集中在排放口附近及下游河岸附近水域，而河心及河对岸还有较宽的自然水温通道留给鱼类。同时，取水口处的水体不受温排水温度扩散的影响，没有热量二次回流现象。

3）温排水导致的水体温升主要在1 ℃以内。每个月的平均温升相差不大，维持在0.6 ℃/m2左右，主要是因为空调系统的换热量相差不大，于是排入江内的热量也相差不大，虽然不同月份河流流速有差别，但这主要影响温排水扩散宽度，而平均温升波动较小。

4）河流湍流度较大时，此时温排水的热量更容易扩散，温升包络线宽度及面积更大。