随着云计算、大数据、物联网及移动互联网的发展和应用,数据中心建设在迅猛增长。伴随着大型数据中心的投入运营,水冷机组增多,数据中心水资源使用效率(WUE)越来越多地受到关注,已从概念性向实际控制转变。PUE值只是评价了电能使用效率指标,目前许多数据中心PUE值的降低是以增加水的损耗为代价的,大型数据中心的消耗除了大量的电还有水,所以水的损耗也应该记录在消耗统计里。目前针对水资源的指标有类似PUE的表达形式,即数据中心的水资源使用效率WUE应运而生,节约水资源,减少水资源污染,建设绿色数据中心迫在眉睫。
　　
　　PUE、WUE成为“十三五”及今后一个时期数据中心的具体控制指标。如何提高水资源的使用效率,如何加强和改善数据中心空调水冷机组运行模式,推广水资源使用效率高的优秀模式,循环冷却水是数据中心最大的用水组成部分。在满足循环水控制标准基础上降低循环水补水消耗,减少排水,可以节省大量水资源,减轻环境压力。电化学法循环冷却水处理技术可以实现不加药、少补水、少排污。本文以北京某数据中心采用的电化学水处理设备技术方案为基础,通过对比同等工况的在运行的数据中心,对比说明数据中心选用电化学法处理循环水的运行效果和经济性,我们进行了深入的探索。
　　
　　1 应用背景
　　
　　随着电化学水处理技术的进步,越来越多的用户对电化学水处理技术逐渐认可。数据中心中央空调制冷量大、运行时间长,循环冷却系统耗水量大,是城市水耗大户。如何减少在满足基本需求的基础上减少用水量,提高水资源循环利用效率,是数据中心未来发展必须要考虑的问题。
　　
　　2017年我们在北京某数据中心节水工作中进行了技术探索,选择了适合自身需求的电化学法循环冷却水处理技术,代替化学药剂方法处理,并回收RO反渗透浓水、冷冻反冲洗水、冷凝水回用至冷却水系统废水再利用。下面以采用电化学技术的新建机房13#楼为例,对比相同规模、设备组成和需求的,以化学药剂为控制方式的4#楼,说明电化学水处理技术与化学药剂处理方法对水质控制情况。
　　
　　北京某数据中心于2017年投入运行,建筑面积12000平方米,空调系统主机为4台磁悬浮变频离心冷水机组。循环冷系统存在排水量大、水质控制不稳定;药剂用量大、含药排污水排入老河湾造成环境污染;补水硬度大,结垢严重,并伴有过热保护停机的现象;RO反渗透浓水、空调冷凝水、冷冻反冲洗水直排,浪费水资源等问题。
　　
　　(1)4#楼水量分析(表1)
　　
　　(2)4#楼水质分析(表2、表3)
　　
　　2 电化学法循环冷却水处理技术
　　
　　(1)技术介绍
　　
　　通过在极板两端加载直流电从而在水体中发生系列电解反应,在半透膜和电吸附的作用下达到快速改变水体局部区域酸碱性,使钙镁离子在阴极区域完成结垢析出以降低水体硬度,氯离子在阳极区域转变为强氧化性的次氯酸以达到杀菌灭藻以及缓蚀的作用。电化学技术反应原理可分为为电解氧化反应、电解还原反应、酸碱中和、离子平衡及极性水分子反应。
　　
　　(2)实现功能
　　
　　①节省药剂
　　
　　电化学技术可控制循环水中钙镁离子浓度,使钙镁离子在阴极区域自动析出,避免水垢在冷凝器和管路上形成,保持水体硬度平衡。同时利用水体中的氯离子,生成具有杀菌灭藻功能的次氯酸,完全替代阻垢剂、杀菌灭藻剂、缓蚀剂等药剂;
　　
　　②节约水资源
　　
　　电化学技术可大幅提高浓缩倍数,减少系统排污,减少补水;
　　
　　③节能
　　
　　水垢会致使传热热阻增加,单位面积热负荷减小,冷凝器传热效率降低,造成冷凝器压力升高和耗电量增加。电化学技术使原有的水垢得以剥离以达到除垢作用,实现降低能耗;
　　
　　④废水利用
　　
　　电化学技术可回收利用RO反渗透浓水、空调冷凝水、冷冻反冲洗水，多级利用，提高循环利用率。
　　
　　3 循环冷却水电化学水处理设备
　　
　　(1)工艺路线(图1)
　　
　　工艺阐述:待处理水经水泵加压后通过过滤器并引入电解槽,电解过程中在阳极区域发生氧化反应,产生大量的强氧化性和酸性物质并储存在酸性储水箱,在酸性水泵定时启动下冲击式进入循环水,对整个循环系统进行除垢和杀菌灭藻。而在电解过程中阴极区域发生还原反应,在阴极板附近水中的钙镁离子主动结垢析出,之后水进入沉淀箱完成沉淀,上层清液引入循环水系统,下层水垢和污泥定时清理排出。
　　
　　(2)设备安装
　　
　　循环冷却水电化学水处理设备安装在凉水池附近空余位置,采取旁路安装方式,用水泵作为动力推送冷却水进入电化学设备,完成处理后酸碱水利用高度差溢流回凉水塔,水处理构筑物主要有混凝土基础、钢结构框架、砂滤池,管路材质UPVC,型号各异。自动刮垢装置为不锈钢刮刀,利用电力驱动气泵,气泵驱动刮刀与气动排污阀进行刮垢和排污。
　　
　　(3)系统水质监测位置选定
　　
　　为了准确反应电化学设备的运行效果,可选取循环水补水端、电化学设备入口端、沉淀箱出口端、冷却塔底盘等四个点作为监测位置。其中,循环水补水端反映补水水质,电化学设备入口端水质与沉淀箱出口端水质变化反映电化学系统的处理效果,凉水池反应了电化学系统的累积处理效果并作为其他措施介入的依据。
　　
　　(4)电化学系统运行参数控制目标
　　
　　①污垢沉积控制
　　
　　水侧污垢热阻值≤3.44×10-4m2·K/W黏泥量≤3ml/m3
　　
　　②设备腐蚀控制
　　
　　不锈钢腐蚀速率≤0.005mm/a
　　
　　铜及铜合金腐蚀速率≤0.005mm/a
　　
　　碳钢腐蚀速率≤0.075mm/a
　　
　　③微生物控制
　　
　　413#楼电化学设备运行后的数据（表4、表5和表6）
　　

　　5 效益分析(表7)
　　
　　6 结束语
　　
　　我国是一个水资源短缺的国家,水资源时空分布不均。近年来我国连续遭受严重干旱,旱灾发生的频率和影响范围扩大,持续时间和遭受的损失增加。水资源短缺问题已成为我国实现全面建设小康社会目标所面临的重大挑战之一。与此同时,我国水资源利用方式粗放,用水效益不高,节水潜力很大。《中共中央关于国民经济和社会发展第十三个五年规划的建议》强调,实行最严格的水资源管理制度,以水定产,以水定城,建设节水型社会。明年是“十三五”收官之年,绿色数据中心如何建设,大型数据中心如何提高WUE,应反思和总结。
　　
　　《数据中心用水技术导则》T11/BIE001—2017要求数据中心用水施行技术管理,进而提高数据中心水资源利用效率。包括给水技术管理和排水技术管理,核心内容是排水量控制、回收利用和水质监测。各数据中心应根据自身特点,酌情选择各种水处理技术,改造现有用水工艺,提高水资源利用效率。选用电化学水处理技术代替化学方法处理循环冷却水、回收RO反渗透浓水等污水,是绿色数据中心建设的一次尝试。
　　
　　标准源自市场需求,标准基于技术创新,北京电子学会《数据中心用水技术导则》T11/BIE001—2017团体标准将为数据中心建设提供指引和遵循。
　　
　　作者简介
　　
　　辛小光,国际绿色经济协会监事长全国能标委合理用电委员会委员。侯颖兵,北京中睿水研环保科技有限公司总经理。
　　
　　编辑：Harris