水质优化水处理技术在数据中心的应用
孙英杰
北京洲亚康源水处理设备有限公司
2020.7.19
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一、数据中心空调水质优化的重要性
数据中空调系统三大需求，第一保障是平稳运行，第二是PUE指标，第三是延长设备使用寿命。 1.1、水质优化平稳运行对数据中心的意义
在数据中心内，计算设备通常会发出相当多的热量，机房内部要保持恒温恒湿，空调系统必须全年24小时运转，正常情况下，机房内保持平均22±2℃，湿度45±5％，当机房因空调故障平均温度上升到28℃以上，就可能造成机房内服务器因高温引起宕机事故。
所以数据中心的制冷系统要采用2N或1+N的安全可靠的制冷系统来保证制冷的正常运行
大家都知道，空调是靠循环水系统实现冷热传递。这其中空调冷却水通过冷却塔散热，大量蒸发冷却纯水（每天蒸发水量达到几十几百立方米以上）。蒸发的是纯水，水中的盐份由于补充水的不断进入系统而增加，这样就出现了浓缩倍数。由于蒸发量很大，补充的自来水中含盐（水中物质总称）的增加，浓缩倍数很快达到10几倍以上。当水中的重碳酸盐浓度达到饱和状态时，就会在换热器表面形成碳酸钙水垢。水垢会造成两大危害，一是会造成污垢热阻，降低传热系数。二是会造成垢下腐蚀。
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水质优化对平稳运行具有如下几方面意义： 1.1.1、抑制结垢
产生污垢会直接影响传导效率。水体水质不好的话，小温差会迅速上升。当负荷在80%以上时，几个月就会使得小温差达到5-8℃或更高。当小温差达到8℃以上时，制冷机就很容易出现喘振现象。空调保护措施完好的设备，会保护停止运行；当保护系统出现故障时，那就会使得制冷剂压力和温度超高，甚至有爆炸风险！
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1.1.2、降低腐蚀
水质优化的另一个重要作用是抑制腐蚀。有些腐蚀隐藏在系统管道或末端或换热系统中。一但出现腐蚀内漏，就会引起制冷停机的事故。所以控制水质腐蚀和水垢与微生物是中央空调平稳运行的关键。
1.1.3、减少微生物的危害
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冷却水中的微生物有藻类、真菌、细菌。循环冷却水中的大
多数水质问题的产生都与微生物有关。 1.1.3.1藻类：
藻类生长的三个基本要求：空气、水、阳光。藻类常以绿色团块浮游在冷却塔分配板上，或粘附在冷却塔结构本身。蓝-绿藻可将空气中的氮固定为有机氮化合物，从而引起亚硝酸盐的加速变质。硅藻由于其细胞壁包含着聚合的乳白色的二氧化硅，将导致氧化硅垢。所有的藻类均会产生氧气，加速管道腐蚀。 1.1.3.2真菌
一切植物界非光合作用的有机生物的总称，包括单细胞、群体或丝状的。缺少叶绿素，不能进行光合作用。通常以其它有机物提供的代谢物为为食。约10%的真菌能利用木头作为有机营养物来源。真菌孢子具有抗杀生剂的能力。 1.1.3.3细菌
需氧的、囊状细菌会产生细菌粘泥。枯草芽孢杆菌以及其它好氧的孢子形成菌所产生的黏液，具有孢子能力，给杀菌带来困难。好氧硫细菌能将硫、硫化物或硫酸盐氧化为硫酸。在局部可使硫酸达10%，pH值下降到1.0具有局部强腐蚀。
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二、逆向析垢的实施方法
2.1方法是：
首先让钙镁离子成垢（即结晶成核），结合凝聚为亚纳米晶体颗粒，紧实而失去附着力，流到水盘或水池缓流区沉积，实现水质的自软化效果，确保换热部位表面洁净。
同样诱吸细菌和生长基质凝聚在晶核、碳酸钙中使其失去活性，起到抑菌效果，
由于不需加杀菌剂等化学药剂，降低系统金属腐蚀性，同时借助水质强结垢性倾向发挥其自身的缓蚀性实现系统腐蚀控制。
注：此逆向析垢水处理技术集阻垢、溶垢、缓蚀、杀菌多功能于一体，更比普通加药方式节水，节能，环保等特点。
2.2技术优势：
2.2.1滨特山脉水质净化块载体的微电场起到定向集聚结垢的作用，防止水质继续结垢。
2.2.2滨特山脉水质净化块载体的微电压场改变细菌的生物电性起到抑制微生物滋生菌藻。
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2.2.3滨特山脉水质净化块可降低金属表面对腐蚀的敏感性，实现系统腐蚀控制，降低设备维护成本。
2.2.4投加滨特山脉水质净化块可使高浓缩倍数运行，甚至可达到近零排放的效果，节省生产用水费用及污水处理费用。
2.2.5滨特山脉水质净化块投加方式简单，只需将该材料投加在冷却塔下端
的集水箱即可。
三、逆向析垢技术对数据中心的PUE指标与经济价值
3.1. 增大系统水流量
冷水机组、板式换热器、空调翅片、冷却塔填料等为了增加换热效率，通常管径或板片间隙都比较小。这些管道及换热板片一经结垢就会降低系统的循环水流量，严重时甚至堵塞管道。这就造成单位时间内制冷量降低，此时需增加循环量才能满足制冷需求，电机的转速与频率正比，水泵输出功率与转速三次方成正比，则水泵输出功率与频率三次方比。如水泵频率由45HZ调整为50HZ，则水泵功率增加37%左右，系统能耗必然增加。
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3.2.降低冷却塔出水温度
开式使冷却塔会使外界物质进入水系统，忽视水质优化会造成冷却塔散热能力下降，冷却塔出水温度升高。研究表明，冷却塔出水温度在正常情况下，每升高1℃，冷机效率下降2-3%，则冷机能耗增加2-3%。依据冷却塔供水温度按平均升高2℃计算，冷机能耗又增加5%以上。同时为保证制冷需求，需调节冷却塔风机转速，不仅仅增加能耗，还会造成风机皮带寿命大大减少。 3.3. 增加免费制冷时间
北方冬季地区启用板式换热器，系统切换为免费制冷运行模式，是数据中心重要的节能方式。若冷却系统水质优化不到位，则冷却塔换热填料结垢导致冷却水供水温度升高；以及板换表面结垢导致冷却水与冷冻水换热温差升高。这两方面都会缩短免费制冷时间，在原本可以免费制冷的时段，因为冷却塔和板换的结垢而必须开启冷机，大大影响数据中心节能增效工作。 3.4. 减少维护成本
由于循环水系统出现的结垢、腐蚀、黏泥、微生物滋生等问题，数据中心运行维护部门每年都要定期组织清洗、保养冷水机组和冷却塔等相关设备。清洗和保养次数的增多大大增加了维护成本。 3.5.延长设备寿命 (1) 减少或避免洗冷机
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大家都知道衣服是被洗坏的不是穿坏的！中央空调制冷机冷凝器也一样，不是用坏的是被洗坏的，每次清洗冷机损伤非常大。 一般中央空调的设计寿命是15年，使用寿命是20年，但是很多企业都用到设计寿命，这个就是很大因素是清洗造成的内漏原因. (2) 减少腐蚀
减少腐蚀就是在延长设备的使用寿命。 (3) 缩短运行时间
高效运行就是在缩短运行时间，一个机房的温度很快达到设定温度，那冷机就可以低速或减台运行。 3.6环保排放
国家已经将水的污染处理上升到国家的高度，从源水中检出的化学性污染物已达2500种以上，水质化学污染得主要原因，循环水普遍采用投放化学药剂的方式来解决系统水的腐蚀、抑垢、杀菌等问题，全国大量中央空调及冷却水系统的加药采购数量数字惊人，带有大量化学药剂的循环水随着排水管道直接进入我们的下水管道，给下游的水处理流程造成巨大的负担。据一家外资药厂的能源部经理介绍，他们夏季每天排放的冷却水达到100吨。
逆向析垢技术有效的解决环保排放问题，
第一；冷却水0排放，节水同时又环保！没有排水也就没了
环保问题。
第二；即使设备维护需要排放也是环保中水水质排放，符合
国家环保排污指标。
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3.7节能指标
空调系统节能PUE一般分为设备技术改造节能和高效运营管理节能，
从上表中看出空调耗电量占40%左右，冷水机组换热管一般采用紫铜管，铜的导热系数为383.8W/m，而结垢后碳酸盐的导热系数为0.46W/m，只有铜的0.12%左右，大大降低换热效率，据统计系统结
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垢1mm，换热效率降低约30%左右。因此，管道内壁结垢后冷水机组冷凝器的换热效率明显降低。
正常冷凝器运行小温差一般为小于3℃，一旦冷凝器开始结垢，小温差将呈现非线性增长，达到8℃以上将严重的导致冷机超温超压喘振而无法启机。对于N+1的冷机配置，这无疑将给数据中心带来巨大的运行风险。研究表明，冷凝器小温差每上升1℃，冷机效率将会下降2-3%，其能耗将增加2-3%。若小温差升高5℃，冷机能耗增加15%左右，其电费数字是巨大的。
例如：冷水机组为600RT，制冷效率0.6KW/R，电价1元，日作业时间24H，年作业时间180天，设冷凝器初始值3℃，则冷凝器趋近温度每上升1℃带来3%-5%能耗的增加（特灵约
3.14%-3.46%，麦克维尔约3.24%-3.35%，美国空调制冷协会约4%，采暖通风与空气调节国标3%-5%）。
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3.6节水节约；
空调冷却水通过冷却塔散热大量蒸发，蒸发的是纯水，水中的盐份由于补充水的不断进入系统而增加，这样就出现了浓缩倍数，由于蒸发量很大，补充的自来水含盐量很高，浓缩倍数很快达到10几倍，当水中的重碳酸盐浓度达到饱和状态时就会在换热器表面形成碳酸钙水垢。所以控制浓缩倍数是水质优化的一个关键参数及指标。
当纯水蒸发后系统循环水的浓缩倍数升高，就要靠排水，补充新水的方法来调整浓缩倍数，浓缩倍数增高排污量就要加大，反之排污量就小，传统的加药方法会增加循环水的浓缩倍数，由于蒸发量很大，浓缩倍数上升也很快，一天不排污系统的浓缩倍数就会上升5-10倍以上，所有传统的水处理控制方式就需要每天大量排污来保障浓缩倍数的稳定。
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调节浓缩倍数的计算公式：
通过以下计算方法算出系统的蒸发量、补水量、排污量以及药剂停留时间，与实际的水量统计表形成对比，以及与实际的系统设备情况进行对比，运维人员及供应商采取相关措施，不断优化水处理系统运行。
a. E= R × Δ T × 1 .8 × Ef /1000 ； b. B=E/(C-1)； c. M=E+B=Cx E/(C-1)；
其中：E:蒸发量；R:循环量; Δ T : 温差℃ ; Ef:蒸发系数; C: 浓缩倍数；M:补水量; B:排污量；
例如：冷却系统的循环量1000m³/h，温差5度，浓缩倍数设定在3.5倍，得到的相应数据为：
蒸发量E：8 m³/h，每天192立方米/天。
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排污量B：每天76.8立方米/天x180天运行=13824立方米x10元每立方米水费=138240元。
补水量：11.2m³/h，每天268.8立方米/天
小结：从上述公式中看出来，在蒸发量不变下，减少排污量就是节水的唯一办法，排污量：每天76.8立方米/天x180天运行=13824立方米x10元每立方米水费x180天运行=138240元。
一套1000RT的系统运行180天就能节约水费13.8万元，如果4套系统年节约就是55万，再加上年节电168万，每年节能就是200多万，运行节能占节能指标的很大比重。
四、逆向析垢技术的三包与效果保障
4.1、效果的评定
直观效果：冷凝器水侧、冷却塔填料没有明显新生成的锈垢和菌藻问题
监测指标；根据制冷机表头数据提供效果评价，冷凝器饱和温度减去冷凝器出水温度（即小温差不超过3度） 冷却水排污： 不排水 冷凝器铜管内部： 无结垢
4.2质量三包 项目 浓缩倍数 冷却排污 无 不排水 不排水 小温差 2℃以下 3℃以下 3℃以下 冷凝器铜管 无结垢 无结垢 无结垢 备注 安装净化块前 电导1000以下 一个月 二个月 20倍以上 20倍以上 14
三个月 四个月 五个月 六个月 20倍以上 20倍以上 20倍以上 20倍以上 不排水 不排水 不排水 不排水 3℃以下 3℃以下 3℃以下 3℃以下 无结垢 无结垢 无结垢 无结垢
4.3水质检验指标
项目 浓缩倍数 铜腐蚀率 碳钢腐蚀率 排放指标
效果控制 实现20倍以上正常运行 ＜国标 ＜国标 ＜国标排放 15
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