以污水為冷源的冷板液冷系統方案構想

馬曉勇 孫永才 彭學文 馮錦基 蔣傳有 廖潤球

摘? 要：文章闡述了冷板液冷系統的工作原理，介紹了城市污水、冷板液冷技術的特點，提出了以污水作為冷源的冷板液冷系統的方案構想，并分析了其優點與不足。

關鍵詞：污水;冷板;液冷系統

中圖分類號：X799.3? ? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ?文章編號：2095-2945（2019）27-0136-03

Abstract： This paper expounds the working principle of the cold plate liquid cooling system， introduces the characteristics of the urban sewage and the cold plate liquid cooling technology， puts forward the scheme conception of the cold plate liquid cooling system with sewage as the cold source， and analyzes its advantages and disadvantages.

Keywords： sewage; cold plate; liquid cooling system

引言

人類社會的發展離不開能源，當今主流的能源依然是煤、石油、天然氣等一次化石類能源。化石燃料的使用給人類社會提供了源源不斷的動力，但也帶來了城市霧霾、酸雨、溫室效應等負面問題，尋找綠色、環保的可替代能源已是當今世界的重要課題。城市污水作為一種流量大、溫度波動范圍小、載熱能力強，可回收再利用的“資源”，現今得到人們越來越多的關注。

與此同時，大數據時代的到來帶動數據中心行業蓬勃發展，為機房空調提供了廣闊市場。作為針對服務器降溫、散熱的一種空調技術，液冷技術與傳統風冷散熱方式相比，其具有降溫效果好，散熱穩定等優點。本文針對城市污水溫度恒定、供給充足等特點，構想了一款將城市污水作為冷源、以數據中心為服務對象、以冷板式液冷技術為應用原理的小型數據中心制冷系統——污水源冷板液冷系統。

1 城市污水的特點

1.1 水溫全年波動區間穩定，受環境溫度影響較小

城市污水經污水廠過濾、沉降、生物凈化處理后排出。由圖1可知，經處理后的污水最低溫度為11℃，最高溫度為27℃，全年溫度波動在9.8℃～15.0℃之間。即使在炎炎夏日，水溫亦遠低于大氣環境溫度;而在冬季，水溫則始終保持在零度冰點以上[1-4]。

1.2 城市污水量大，利用潛能高

圖2呈現了我國在2013年至2017年間的污水產生量。可以看出，我國污水年產生量約在700億噸左右，利用潛能巨大。隨著我國城市化進程的不斷推進，越來越多的人涌入城市，在可預見的未來，城市污水量將呈逐年上漲趨勢。現如今，如何將城市污水變“廢”為寶，已是一項重要課題。城市污水已作為熱源在污水源熱泵領域得到利用，與此同時，城市污水作為冷源亦有一定的應用前景。

2 冷板液冷技術的原理與特點

2.1 原理

冷板液冷技術可從局部和整體兩個維度敘述其原理。從局部角度出發，如圖3為一個冷板結構，圖中導熱片的正反兩面分別與發熱CPU、熱管的蒸發段接觸。熱管蒸發段內制冷劑發生相變，由液態變為氣態，吸收CPU的熱量，并將熱量傳遞到熱管的冷凝段。溫度較高的熱管冷凝段與溫度較低的載熱介質接觸，熱管內的制冷劑由氣態變回液態，熱管放出熱量并將熱量傳遞給載熱介質（通常為去離子水、乙二醇水溶液或氟化液等）。因此，能量傳遞過程可簡化為：CPU產生的熱量經由導熱片、熱管、冷板傳遞到載熱介質中，并最終帶離服務器。

那么，熱量被帶離服務器后，又將被如何帶離數據中心？圖4顯示的是冷板液冷系統CDU（Coolant Distribution Unit）的運行原理。從整體角度來看，冷板液冷系統可分成一次側外循環（冷源端）與二次側內循環（熱源端）兩個分離的子系統，外循環的終端連接著外部冷卻塔，內循環終端則連接著服務器內部的冷板結構。作為熱量的有效載體，兩個子系統內的工質可以相同，如水-水組合、乙二醇水溶液-乙二醇水溶液組合;亦可不同，如水-乙二醇溶液組合，兩者通過板式換熱器高效換熱。

以流質均是水為例，二次側內循環進入板式換熱器的流質為承載著CPU熱量的熱水;外循環進入板式換熱器的流質為經由冷卻塔處理后的冷凍水，通過板式換熱器，兩側的流質進行有效換熱，服務器內部的熱量也經由二次側傳遞到一次側，最終由一次側的末端冷卻塔排出CDU系統。如圖所示，循環泵是內循環的“動力源”，一般實際工程中通常會安置兩個，分別用作運行泵和備用泵。膨脹罐則起到穩定、平衡系統壓力，維持系統穩定性的作用。二次側閥則是用來調節、穩定服務器進水端、排水端壓差，同時兼顧調節壓力的作用。圖5顯示了申菱公司的一款液冷CDU產品在穩定運行15個小時內，一次側外循環和二次側內循環在板式換熱器的進、排水溫度。該產品內、外循環的載熱介質不相同，外循環的載熱介質為水，內循環的載熱介質是乙二醇水溶液。此外，內、外循環載熱介質的流量亦會根據系統的實際運行情況加以動態調整。

由圖5可以看出，板換外循環的排水溫度與板換內循環的進水溫度相接近。流經板式換熱器后，二次側內循環工質的降溫幅度在0.9℃到3.4℃之間，而二次側板換的進水溫度則間接反映了當前狀態下服務器的工作負荷。此外，隨著時間的推移，外循環的進水溫度變化不大，則反映冷卻水塔工作正常、運行良好。從圖中的數據可以得出，在穩定運行的15個小時區間內，一次側外循環進、排水溫度以及二次側內循環進、排水溫度的平均數分別為11℃、22.1℃、22.4℃、19.6℃。板換的外循環進水溫度與城市污水的溫度范圍存在部分重合。

2.2 特點

冷板式液冷技術主要應用于機房空調服務器散熱領域，是風冷散熱的一種可替代技術。眾所周知，CPU、內存、硬盤等部件直接決定著服務器的運算能力和運行速度，當散熱效果不佳，服務器內部溫度達到、甚至超過上述核心部件的承載極限時，其運行的穩定性及使用壽命將受到影響。隨著服務器的更新迭代，運算能力提升的同時，也伴隨著產熱量的激增，傳統的風冷型散熱已難以達到給服務器有效降溫的目的。

此外，風冷散熱亦受限于環境溫度，高溫環境會抑制服務器熱量的散出，因此采用風冷散熱的數據中心多建于緯度高、終年溫度較低的地區，存在一定的地域限制。

與風冷散熱相比，冷板液冷技術具有顯著的優越性：（1）作為液冷系統中較常用的載熱介質，去離子水、乙二醇水溶液等流體具有較大的比熱容，載熱能力強，可從服務器中移除更多的熱量;（2）與風冷型的空氣對流相比，冷板中的導熱片直接與CPU接觸，換熱效果好，相比之下空氣的傳熱能力較差;（3）冷板中的熱管蒸發段與導熱片接觸，熱管內制冷劑受熱發生相變，因而可從服務器中吸取更多熱量。

3 以污水作為冷源的冷板液冷系統方案構想

污水源冷板液冷系統方案的提出，是依據我國污水量充沛、且溫度波動區間小等特點，所進行的合理化應用構想。本系統從排水干線中抽取凈化處理后的污水，作為外循環的載熱介質。其具體的實施方案如圖6所示。

污水處理廠收集生活污水，并經過濾、沉降、生物凈化處理后將其釋放到污水排水干線。本系統中，循環泵作為動力源，抽取排水干線中的污水進入一次側（外循環）管道系統，圖中循環泵1為運行泵，循環泵2為備用泵。考慮到系統的運行穩定性，避免污水中仍存在較大顆粒堵塞管路，本系統配備了過濾器。過濾器為可拆卸過濾器，如圖所示，在過濾器需要更換時，則可通過控制截止閥改變水的流向，方便過濾器的更換。本系統中，蓄水池1起到聚集污水來水，保證水量、穩定水壓的作用。經由蓄水池1后，污水再次通過截止閥、過濾器等器件進入板式換熱器參與換熱。待吸收二次側（內循環）的熱量后，污水由循環泵泵入蓄水池2，最終重新排放回污水干線中。

4 優點與缺點

4.1 優點

如圖7所示為普通液冷系統一次側（外循環）簡化圖，服務器熱量通過板式換熱器傳遞到外循環，升溫后的外循環載熱介質通過冷卻水塔進行降溫。以開式冷卻水塔為例，其耗水量以及耗電量是需要關注的兩個重要參數。由于服務器通常始終保持運行狀態（不考慮特殊情況停機），即意味著液冷系統也在實時運行，那么冷卻水塔的耗電量、以及水的損耗量都將是十分巨大的。在當前工信部要求：“到2020年新建大型、超大型數據中心的能耗效率（PUE）應保持1.4以下”的大背景下[5]，降低冷卻水塔的總耗電量將是一種降低數據中心PUE（Power Usage Effectiveness）的有效方法。

圖6系統中的污水則起到了替代冷卻水塔的作用。前文已提到，污水的溫度范圍部分符合液冷系統外循環供水溫度的需要。其次，該系統使污水充分做到“從哪里來回哪里去”，省去了耗電巨大的降溫環節，避免了冷卻水塔的使用。

4.2 缺點

該系統組成較為復雜，施工難度大，工程成本高。相較于純凈的生活用水，污水的成分更加復雜、且難以判定。污水對金屬管道的腐蝕性較強，因而該系統對輸水管路的材質、金屬表面處理等要求更為苛刻。在工程實踐中，也應考慮到污水中存在較大顆粒物等情況，所以在水泵的選擇上應提前做好預判、合理進行選配，亦或借鑒污水源熱泵中常用的水泵類型。此外從地域角度出發，污水處理廠多位于城市郊區，而服務器數據中心則多位于供電充足、交通便利的市中心區域，兩者具有一定的地理矛盾性。

5 結束語

我國城市污水利用潛能巨大，當今人們對污水的利用主要集中在污水源熱泵領域，而以污水作為冷源的研究較少。與之相比，冷板液冷技術作為新型的機房空調手段，現今得到人們越來越多的關注。本文嘗試性地將兩者結合一起，既可使污水作為冷源加以利用，又可借此消除液冷系統在外循環冷卻水塔產生的能耗。但該構想也存在一定的缺陷，如系統結構復雜、施工難度大、成本高、地理矛盾性等。且該構想僅處于方案提出、理論論證階段，還未進行實際施工、實驗驗證等工作，其可行性還有待進一步考證。

參考文獻：

[1]呂鑑，馮彥剛.城市污水低位熱能回收利用的研究[J].工業用水與廢水，2002，33（1）：10-11.

[2]周雙.重慶市城市生活污水熱能利用的研究[D].重慶：重慶大學，2008：8-9.

[3]賈玉鶴，李晶，劉洪波，等.污水源熱泵系統在沈陽地區的應用前景分析[J].中國給水排水，2007，23（16）：1-2.

[4]陳穎.再生水源熱泵工程應用分析研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學，2009：20-30.

[5]蘇林，董凱軍，孫欽，等.數據中心冷卻節能研究進展[J].新能源進展，2019，7（1）：94.