城镇中水用于数据中心冷却系统的研究

我国水资源紧缺，利用效率低下。中水回用是提升水资源利用效率的有效途径，可用于绿化灌溉、道路保洁、厕所冲洗等，并可作为冷/热源。利用水源热泵技术提升中水热能品位有助于降低能源消耗。将中水回用于数据中心冷却系统可节约能源、降低水耗，然而在国内相关研究和实际案例较少。文献中提出了一种以中水作为冷却水的数据中心冷却系统，并以某数据中心为例分析其节水、节能效益，为数据中心的节水节能提供方案，促进我国数据中心行业的绿色、低碳、高质量发展。

图城市中水来源：网络

根据研究显示，中水中的氨氮、氯离子、硫酸根、有机物和浊度会对金属造成不同程度的腐蚀。高浓度的氨氮会导致铜腐蚀，高浓度的有机物则会滋生细菌，对金属表面造成微生物腐蚀。氯离子会腐蚀不锈钢，不同不锈钢的耐氯离子浓度限度不同。浊度较大时，杂质或颗粒物会沉积在管道或换热器表面，影响流通能力和换热器的换热性能，并加剧局部腐蚀。因此，在设计和选择换热器时需考虑这些物质腐蚀的影响，并定期监测相关物质浓度。

表污水厂排水水质指标

常见的数据中心空调冷却水系统是直流式冷却系统，使用中水进行冷却。在这种系统中，市政供水先进入数据中心，用于冷却空调系统，然后升温的中水被送回市政供水管网或者排至河道。该系统的原理图如图所示。

图数据中心中水冷却系统原理图

在中水冷却运行时，系统操作如下：电动密闭阀V1和V2开启，V3关闭，中水循环泵开启，冷却塔和冷却水泵关闭。这样，中水可以流动进行冷却。然而，当中水系统出现故障需要检修，或者水量不足时，系统需要进行调整。这时，需要开启冷却塔和冷却水泵。具体操作如下：关闭V1和V2，并开启V3。同时，冷却塔和冷却水泵启动，以补充冷却水量。

该系统在中水冷却或备用冷却塔冷却时，可以切换为三种不同的运行模式：冷水机组供冷模式、部分自然冷却模式和完全自然冷却模式。,以数据中心空调冷水供/回水温度18 ℃/24 ℃为例，以下是对这三种模式的简要说明：

1) 冷水机组供冷模式：当中水或冷却水供水温度高于22.5℃时，冷水机组独立向末端空调供冷，中水或备用冷却塔作为冷水机组的冷却源。这时自然冷却板式换热器停止运行。

2) 部分自然冷却模式：当中水或冷却水供水温度在15.5℃至22.5℃之间时，冷水机组和自然冷却板式换热器共同向末端空调供冷。中水或冷却水首先通过自然冷却板式换热器对空调回水进行预冷却，然后进入冷水机组冷凝器进行冷却。被冷却的冷水回水再进入冷水机组蒸发器进行进一步的冷却，最后通过冷水循环泵供应至末端空调进行供冷。

3) 完全自然冷却模式：当中水或冷却水供水温度低于15.5℃时，系统直接利用中水或冷却水通过自然冷却板式换热器和空调冷水换热进行供冷。此时冷水机组停止运行。

以保定市某数据中心为例，该数据中心采用中水冷却的供冷系统原理如图所示。该系统设计了5套供冷单元，其中1套为备用。每个供冷单元由冷水机组、冷水一级泵、冷水二级泵、冷却水泵、冷却塔、板式换热器、中水循环泵和辅助电动密闭阀等组成。相比传统供冷系统，该方案仅增加了中水循环泵、电动密闭阀以及附属的室内外管道和强弱电系统，因此投资较低。系统运行时，中水循环泵从市政中水管网引入中水供给系统进行冷却，冷却后的中水再经过室内外管道供应回市政中水管网，并通过市政加压泵供给各用户。

图该数据中心中水冷却系统原理图

当系统从冷却塔模式切换至中水冷却模式时，可以通过以下两种方式进行控制：

1) 依次远程手动开启正在运行制冷单元的中水循环泵和中水供回水管电动密闭阀。当中水循环泵的频率与冷却水泵相同时，再关闭冷却水泵、冷却塔和对应的冷却水回水管电动密闭阀。

2) 首先远程手动开启备用制冷单元的中水循环泵、中水供回水管电动密闭阀以及对应模式下的供冷设备，即冷水机组或自然冷却板式换热器。当运行稳定后，关闭一套供冷单元，并逐步使用上述方法开启已关闭的供冷单元进行中水冷却，直到稳定运行后，再逐步将正在运行的供冷单元切换到中水冷却模式。

由于季节的变化会导致中水流量的变化，中水循环泵需要根据不同季节的水量进行变频运行。控制系统可以根据冷却系统负荷和中水供水流量计的反馈值来计算实际需要的温差，并根据该温差来控制中水循环泵的运行频率。

当中水供水流量迅速下降时，系统会视为市政中水断水故障或水量不足。系统会自动开启已运行制冷单元的冷却塔、冷却水泵和冷却水回水管道的电动密闭阀。当冷却水泵和中水循环泵达到同频运行后，关闭中水循环泵和供回水管电动密闭阀，系统最终完全切换至冷却塔模式运行。如果中水供回水管道流量有较大差异，需要由运维人员检查室内外管道是否存在漏水问题。

综上，系统设计需根据当地中水全年水温和水量变化情况选型换热器和中水循环泵。换热器需满足冬季冷却水大流量、小温差和中水小流量、大温差的供冷需求；中水循环泵除考虑最大流量需求外，还需保证冬季最小流量能满足换热器的供冷量。同时，系统控制时要考虑根据夏季和冬季设计温差对中水循环泵进行变频控制，并需考虑冷却塔和中水冷却系统在中水冷源检修或故障情况下的切换控制。并且因为标准规范对污水厂排水水质中电导率、Cl- 、钙硬度、总碱度和硫酸盐等指标暂无要求，当进行中水冷却设计时，需要对中水上述指标进行实测，以便系统设备和管道选型时具有针对性。系统运行无中水消耗，一般不涉及中水费用。是否收取中水供回水接口费需要与当地政府进行沟通。中水取排水口位置的远近不仅影响室外管道和水泵选型和投资，还影响中水系统的运行能耗，因此在设计时需要特别注意。针对无中水管网的城市,建议政府可建设中水管网,不仅便于工业企业利用中水中的冷量，还能把中水作为空调冷却水系统补水及非生活用水水源，减少自来水消耗。