数据中心水系统智能特频装置应用效果研究

郑骏文，宋嘉皓，胡 涛

（中国移动通信集团设计院有限公司 浙江分公司，浙江 杭州 310012）

0 引 言

为了确保数据中心核心机房的正常运行，中央空调系统的运行及维护已经成为数据中心的重要日常工作，其中中央空调的循环冷却水系统水处理更是维护工作的重中之重。循环冷却水系统处理的效果好坏不仅直接关系到中央空调机组的正常运行，还在很大程度上影响着数据中心的经济运行效益。

数据中心空调水系统冷却水不断蒸发浓缩，水中的钙、镁等离子成倍增加，导致换热器结垢、腐蚀及藻类滋生问题严重，降低了换热效率。目前，水系统运维一般采用化学加药法控制水质，但这种方式人工工作量大、水质控制精度差，而且化学药剂对管路有较强腐蚀性。本文通过研究和评估一种新型的智能水处理特频装置，利用物理特频电磁波对水质进行处理和干扰，可以抑制水中结垢物质、微生物、藻类，实现对传统化学加药法控制水质的替代，控制各项水质关键指标及冷却水系统排污，提高数据中心水系统的运行安全性。

1 传统水处理现状

空调水系统通过冷却水的蒸发进行散热，随着冷却水不断蒸发浓缩，水中的钙、镁等离子成倍增加，会导致换热器结垢、腐蚀以及粘泥、藻类滋生，降低换热效率。冷水机组冷凝器及板式换热器板片结垢情况如图1所示。

图1 冷水机组冷凝器及板式换热器板片结垢情况

通常情况下，水系统运维会增加循环水处理环节，一般采用化学加药法控制水质。化学加药法能良好地控制水质，但同时也存在一定问题，具体如下文所述。

1.1 水质控制精度差

由于目前冷却水系统排污及自动加药采用周期控制，没有具体的水质参数反馈，因此无法判断水质情况及加药量和排污量是否合理，经常多排、多加会导致水和水处理药剂的大量浪费。

1.2 化学水处理腐蚀

化学水处理加药的方式对管路具有一定的腐蚀，特别对于换热管壁较薄的冷机冷凝器，腐蚀可能会导致换热管穿孔、制冷剂大量泄露，从而造成制冷单元运行事故。

1.3 人工工作量大

目前，冷却水系统加药分为2个部分，均需要人工参与，工作量较大。一部分是采用自动加药装置添加缓蚀阻垢剂，防止水质结垢；另一部分是通过人工每天投放杀菌灭藻剂、铜预膜剂等，防止粘泥、藻类滋生。

2 创新解决思路及原理阐述

在循环水系统中，需要一整套维护处理程序才能有效控制腐蚀、结垢以及微生物生长3大问题，保障系统稳定有效运行。运用一种超低频率的时变脉冲电磁波，电磁波能量能有效作用于水系统，该物理特性对于数据中心循环水系统处理时遇到的常见问题可以提供一种非传统的创新方案。

2.1 系统原理及架构

智能水系统根据水质参数的实时监控及反馈动态调整发射器与接收器之间的特种频率，借助频率的不断变化形成一个时变电磁场，使水分子产生共振效果，增强水流的内部能量，进而实现水垢的控制等水处理效果。

系统配备的自动排放控制阀组基于电导率限值对循环冷却水的排放进行控制。电磁波发射器固定在冷却塔的集水池，电磁波接收器焊接于集水盘外的金属结构，发射器与接收器的信号线连接至系统电气控制柜。电磁波发射器实际安装效果如图2所示，智能水特频处理系统循环冷却水处理系统架构如图3所示。

图2 特频电磁波发射器安装示例

图3 智能水特频处理系统循环冷却水处理架构

2.2 结垢控制

通过特频电磁波处理可以提升水中碳酸钙的溶解度，同时激发水中的钙离子转换为高能态的微细文石粉末，并且不会在过饱和状态下生成坚硬的方解石[1]。方解石非常坚硬，只能采用化学清洗工序才能去除，而酸性化学药剂是有害的。由特频电磁波物理处理后的高能态文石粉末可以溶解于水中，随着水流冲走，不会吸附在管道内壁形成难以清除的结垢。特频电磁波结垢控制原理如图4所示。

图4 特频电磁波结垢控制原理

2.3 腐蚀控制

水系统中的管道是钢铁材质，长期运行中内壁极易被腐蚀产生铁锈层，形成低能量多孔的Fe2O3，无法阻止钢铁表面进一步腐蚀。通过处理，钢铁表面可以形成致密的磁铁层Fe3O4。通常情况下，磁铁层Fe3O4形成于现有赤铁层Fe2O3下，保护层性能稳定，可以保护管道免遭进一步腐蚀。

2.4 藻类、细菌控制

特频电磁波通过干扰藻类、细菌等的正常分裂进程，抑制藻类、细菌等微生物生产，使细菌总数显著下降，降低细菌的生长及新陈代谢速度。与此同时，特频电磁波通过破坏藻类微生物体内的叶绿素，使藻类细胞的增殖受到影响和抑制，从而实现对微生物的全盘控制。

3 应用情况及效果评估

基于上述解决思路，为了验证特频装置水系统处理的实际效果及效益，以某数据中心A的水系统为例进行深入分析。

3.1 应用情况

A数据中心机楼南区冷水机组配置有3套制冷系统，分别为南1#、南2#、南3#系统，每个制冷单元配有独立的冷却水系统。正常运行时采取2套系统运行、1套系统关闭备用的模式，3套系统每年运行时间基本一致。其中，南1#冷却水系统改造完成后，配置有1套水质在线监测系统与1套智能水处理系统。

3.2 测试方案

在测试机楼制冷系统机组配置及运行环境一致的条件下，通过水质、冷凝器端差、用水量等维度的对比进行综合评估。冷却水化学加药处理法的具体加药内容如表1所示。

表1 冷却水化学加药处理法具体加药内容

南1#系统采用智能水处理设备运行，南2#系统采用化学水处理作为对照。南1#、南2#系统冷机冷凝器、冷却塔于测试前进行全面清洗，测试周期为2020年10月—2021年9月。

3.3 效果分析

采用特频智能水系统装置替代传统化学加药水处理方案，可以取消化学药剂添加，大幅减少人工维护工作量。与此同时，该系统自带水质在线监测系统，远程实时监控，方便管理维护。

3.3.1 水质对比

水质检测报告一般有12项指标，关键指标为pH值、电导率、氯离子浓度、水质硬度、总铁、铜离子浓度、磷酸盐浓度、总菌数以及浊度等。PH值为弱碱性时能控制微生物繁殖的速率，弱酸性会使管路加快腐蚀；电导率和氯离子浓度直接反映了冷却水的浓缩倍数；水质硬度指标表明冷却水是否容易结垢；总铁和铜离子浓度表示水质对管路的腐蚀程度；磷酸盐浓度表示水中加药量；总菌数和浊度则表示水中微生物及悬浮杂质的量，指标过高会影响换热器性能。水质报告测试数据汇总如表2所示。

表2 水质报告测试数据汇总

经过6次定期抽检，使用智能特频水处理法的南1#系统水质所有指标都合格，而使用化学加药处理法的南2#系统无法在线检测及控制水质指标，其中电导率、钙硬度、氯离子、铜离子以及总菌数均有超标项。智能水处理装置能够对水质进行在线监测，并且能够将各项水质指标控制在国标限值内，保证系统的正常运行。

3.3.2 端差对比

冷凝温度对理论制冷循环系数的影响可以通过冷凝器端差值反映，冷凝温度每降低1 ℃，相应的制冷系数会以一定比例提升[2]。当冷凝器温度端差减小时，近似认为冷凝温度降低，冷水主机电功耗减少[3-5]。在测试期间，剔除系统停机期间的数据，具体端差对比如图5所示。

图5 南1#、南2#系统冷凝器端差比对

由图5可知，南1#系统平均端差为2.32 ℃，南2#系统平均端差为2.77 ℃，两系统的端差差值为0.45 ℃。

3.3.3 节电效果对比

根据冷凝器端差，结合不同月份平均冷凝温度下的冷水机组用电功耗降低率与实际耗电量数据，分析节电效果。南1#、南2#系统经过12个月的测试，剔除系统停机期间的数据，得到冷水主机能耗降低率及节电效果测算数据如表3所示。

表3 冷水主机能耗降低率及节电效果测算数据

由表3可知，相较于化学加药处理法，使用智能水处理特频装置进行水处理的年均节电量约为39 862 kW·h，全年平均节电率约为2.22%。

3.3.4 节水效果对比

南1#系统是根据电导率自动排污，日均排污量约9 t；南2#系统是根据手动设置值进行周期排污，日均排污量约18 t。由此可知，南1#系统的节水效果更好。

3.4 效益测算

根据对比测算，若采用智能特频装置代替传统化学加药处理法，年节省成本约11.5万元，投资回报周期约为2.2年。

4 结 论

智能水处理特频装置采用纯物理、智能化方式处理循环冷却水，可以有效抑制数据中心水循环系统中的管道结垢、微生物滋生、管道腐蚀等问题，避免化学药剂添加操作过程中造成的安全风险，提升了冷水机组运行的安全性和运行效率。此外，智能特频水处理系统安装简易便捷，自动控制维护方便，能够持续保障系统运维正常，有效降低了机组能耗，自动排污用水量较少，实现了节能减排降碳的效果，能够充分满足智慧数据中心建设和高质量发展要求。基于此，建议智能水处理特频装置在安装冷水机组的数据中心全面推广使用，以此替代现有化学加药处理方式，实现健康绿色发展。