數據中心水系統智能特頻裝置應用效果研究

鄭駿文，宋嘉皓，胡 濤

（中國移動通信集團設計院有限公司 浙江分公司，浙江 杭州 310012）

0 引 言

為了確保數據中心核心機房的正常運行，中央空調系統的運行及維護已經成為數據中心的重要日常工作，其中中央空調的循環冷卻水系統水處理更是維護工作的重中之重。循環冷卻水系統處理的效果好壞不僅直接關系到中央空調機組的正常運行，還在很大程度上影響著數據中心的經濟運行效益。

數據中心空調水系統冷卻水不斷蒸發濃縮，水中的鈣、鎂等離子成倍增加，導致換熱器結垢、腐蝕及藻類滋生問題嚴重，降低了換熱效率。目前，水系統運維一般采用化學加藥法控制水質，但這種方式人工工作量大、水質控制精度差，而且化學藥劑對管路有較強腐蝕性。本文通過研究和評估一種新型的智能水處理特頻裝置，利用物理特頻電磁波對水質進行處理和干擾，可以抑制水中結垢物質、微生物、藻類，實現對傳統化學加藥法控制水質的替代，控制各項水質關鍵指標及冷卻水系統排污，提高數據中心水系統的運行安全性。

1 傳統水處理現狀

空調水系統通過冷卻水的蒸發進行散熱，隨著冷卻水不斷蒸發濃縮，水中的鈣、鎂等離子成倍增加，會導致換熱器結垢、腐蝕以及粘泥、藻類滋生，降低換熱效率。冷水機組冷凝器及板式換熱器板片結垢情況如圖1所示。

圖1 冷水機組冷凝器及板式換熱器板片結垢情況

通常情況下，水系統運維會增加循環水處理環節，一般采用化學加藥法控制水質。化學加藥法能良好地控制水質，但同時也存在一定問題，具體如下文所述。

1.1 水質控制精度差

由于目前冷卻水系統排污及自動加藥采用周期控制，沒有具體的水質參數反饋，因此無法判斷水質情況及加藥量和排污量是否合理，經常多排、多加會導致水和水處理藥劑的大量浪費。

1.2 化學水處理腐蝕

化學水處理加藥的方式對管路具有一定的腐蝕，特別對于換熱管壁較薄的冷機冷凝器，腐蝕可能會導致換熱管穿孔、制冷劑大量泄露，從而造成制冷單元運行事故。

1.3 人工工作量大

目前，冷卻水系統加藥分為2個部分，均需要人工參與，工作量較大。一部分是采用自動加藥裝置添加緩蝕阻垢劑，防止水質結垢；另一部分是通過人工每天投放殺菌滅藻劑、銅預膜劑等，防止粘泥、藻類滋生。

2 創新解決思路及原理闡述

在循環水系統中，需要一整套維護處理程序才能有效控制腐蝕、結垢以及微生物生長3大問題，保障系統穩定有效運行。運用一種超低頻率的時變脈沖電磁波，電磁波能量能有效作用于水系統，該物理特性對于數據中心循環水系統處理時遇到的常見問題可以提供一種非傳統的創新方案。

2.1 系統原理及架構

智能水系統根據水質參數的實時監控及反饋動態調整發射器與接收器之間的特種頻率，借助頻率的不斷變化形成一個時變電磁場，使水分子產生共振效果，增強水流的內部能量，進而實現水垢的控制等水處理效果。

系統配備的自動排放控制閥組基于電導率限值對循環冷卻水的排放進行控制。電磁波發射器固定在冷卻塔的集水池，電磁波接收器焊接于集水盤外的金屬結構，發射器與接收器的信號線連接至系統電氣控制柜。電磁波發射器實際安裝效果如圖2所示，智能水特頻處理系統循環冷卻水處理系統架構如圖3所示。

圖2 特頻電磁波發射器安裝示例

圖3 智能水特頻處理系統循環冷卻水處理架構

2.2 結垢控制

通過特頻電磁波處理可以提升水中碳酸鈣的溶解度，同時激發水中的鈣離子轉換為高能態的微細文石粉末，并且不會在過飽和狀態下生成堅硬的方解石[1]。方解石非常堅硬，只能采用化學清洗工序才能去除，而酸性化學藥劑是有害的。由特頻電磁波物理處理后的高能態文石粉末可以溶解于水中，隨著水流沖走，不會吸附在管道內壁形成難以清除的結垢。特頻電磁波結垢控制原理如圖4所示。

圖4 特頻電磁波結垢控制原理

2.3 腐蝕控制

水系統中的管道是鋼鐵材質，長期運行中內壁極易被腐蝕產生鐵銹層，形成低能量多孔的Fe2O3，無法阻止鋼鐵表面進一步腐蝕。通過處理，鋼鐵表面可以形成致密的磁鐵層Fe3O4。通常情況下，磁鐵層Fe3O4形成于現有赤鐵層Fe2O3下，保護層性能穩定，可以保護管道免遭進一步腐蝕。

2.4 藻類、細菌控制

特頻電磁波通過干擾藻類、細菌等的正常分裂進程，抑制藻類、細菌等微生物生產，使細菌總數顯著下降，降低細菌的生長及新陳代謝速度。與此同時，特頻電磁波通過破壞藻類微生物體內的葉綠素，使藻類細胞的增殖受到影響和抑制，從而實現對微生物的全盤控制。

3 應用情況及效果評估

基于上述解決思路，為了驗證特頻裝置水系統處理的實際效果及效益，以某數據中心A的水系統為例進行深入分析。

3.1 應用情況

A數據中心機樓南區冷水機組配置有3套制冷系統，分別為南1#、南2#、南3#系統，每個制冷單元配有獨立的冷卻水系統。正常運行時采取2套系統運行、1套系統關閉備用的模式，3套系統每年運行時間基本一致。其中，南1#冷卻水系統改造完成后，配置有1套水質在線監測系統與1套智能水處理系統。

3.2 測試方案

在測試機樓制冷系統機組配置及運行環境一致的條件下，通過水質、冷凝器端差、用水量等維度的對比進行綜合評估。冷卻水化學加藥處理法的具體加藥內容如表1所示。

表1 冷卻水化學加藥處理法具體加藥內容

南1#系統采用智能水處理設備運行，南2#系統采用化學水處理作為對照。南1#、南2#系統冷機冷凝器、冷卻塔于測試前進行全面清洗，測試周期為2020年10月—2021年9月。

3.3 效果分析

采用特頻智能水系統裝置替代傳統化學加藥水處理方案，可以取消化學藥劑添加，大幅減少人工維護工作量。與此同時，該系統自帶水質在線監測系統，遠程實時監控，方便管理維護。

3.3.1 水質對比

水質檢測報告一般有12項指標，關鍵指標為pH值、電導率、氯離子濃度、水質硬度、總鐵、銅離子濃度、磷酸鹽濃度、總菌數以及濁度等。PH值為弱堿性時能控制微生物繁殖的速率，弱酸性會使管路加快腐蝕；電導率和氯離子濃度直接反映了冷卻水的濃縮倍數；水質硬度指標表明冷卻水是否容易結垢；總鐵和銅離子濃度表示水質對管路的腐蝕程度；磷酸鹽濃度表示水中加藥量；總菌數和濁度則表示水中微生物及懸浮雜質的量，指標過高會影響換熱器性能。水質報告測試數據匯總如表2所示。

表2 水質報告測試數據匯總

經過6次定期抽檢，使用智能特頻水處理法的南1#系統水質所有指標都合格，而使用化學加藥處理法的南2#系統無法在線檢測及控制水質指標，其中電導率、鈣硬度、氯離子、銅離子以及總菌數均有超標項。智能水處理裝置能夠對水質進行在線監測，并且能夠將各項水質指標控制在國標限值內，保證系統的正常運行。

3.3.2 端差對比

冷凝溫度對理論制冷循環系數的影響可以通過冷凝器端差值反映，冷凝溫度每降低1 ℃，相應的制冷系數會以一定比例提升[2]。當冷凝器溫度端差減小時，近似認為冷凝溫度降低，冷水主機電功耗減少[3-5]。在測試期間，剔除系統停機期間的數據，具體端差對比如圖5所示。

圖5 南1#、南2#系統冷凝器端差比對

由圖5可知，南1#系統平均端差為2.32 ℃，南2#系統平均端差為2.77 ℃，兩系統的端差差值為0.45 ℃。

3.3.3 節電效果對比

根據冷凝器端差，結合不同月份平均冷凝溫度下的冷水機組用電功耗降低率與實際耗電量數據，分析節電效果。南1#、南2#系統經過12個月的測試，剔除系統停機期間的數據，得到冷水主機能耗降低率及節電效果測算數據如表3所示。

表3 冷水主機能耗降低率及節電效果測算數據

由表3可知，相較于化學加藥處理法，使用智能水處理特頻裝置進行水處理的年均節電量約為39 862 kW·h，全年平均節電率約為2.22%。

3.3.4 節水效果對比

南1#系統是根據電導率自動排污，日均排污量約9 t；南2#系統是根據手動設置值進行周期排污，日均排污量約18 t。由此可知，南1#系統的節水效果更好。

3.4 效益測算

根據對比測算，若采用智能特頻裝置代替傳統化學加藥處理法，年節省成本約11.5萬元，投資回報周期約為2.2年。

4 結 論

智能水處理特頻裝置采用純物理、智能化方式處理循環冷卻水，可以有效抑制數據中心水循環系統中的管道結垢、微生物滋生、管道腐蝕等問題，避免化學藥劑添加操作過程中造成的安全風險，提升了冷水機組運行的安全性和運行效率。此外，智能特頻水處理系統安裝簡易便捷，自動控制維護方便，能夠持續保障系統運維正常，有效降低了機組能耗，自動排污用水量較少，實現了節能減排降碳的效果，能夠充分滿足智慧數據中心建設和高質量發展要求。基于此，建議智能水處理特頻裝置在安裝冷水機組的數據中心全面推廣使用，以此替代現有化學加藥處理方式，實現健康綠色發展。