摘要：机房运行环境的湿度控制对信息技术(IT)设备的稳定运行极其重要，但目前针对数据中心加湿问题的研究较少。本文从数据中心湿膜加湿系统的原理和水质方面进行分析，为加湿系统存在的“白粉”和结垢现象提出相关的解决方案；给出水质结垢趋势的判断方法和实用结垢指数(PSI)的计算方法，为数据中心湿膜加湿系统水质处理和设备运行维护提供参考。
关键词：数据中心；空调；水质管理；湿膜加湿；结垢趋势；实用结垢指数    数据中心的安全运行和节能一直是行业发展研究的重点方向，服务器和通信设备属于精密电子设备，对运行环境的温湿度有严格要求。空气的相对湿度高于65%时，设备表面会附着一定厚度水膜，这种水膜容易形成导电回路或飞弧现象，极大降低电路可靠性；空气湿度过低时，易发生静电放电现象，产生电荷效应。因此，数据机房运行环境的湿度控制对信息技术(IT)设备安全稳定运行极其重要[1]。    目前，数据中心主要的加湿方式从原理上可分为等温加湿(如电极加湿器、红外加湿器)和等焓加湿(如湿膜加湿器、超声波加湿器及高压微雾加湿器)[2]。其中，湿膜加湿器具有低能耗、低噪声、少污染、少病菌、加湿效率高等优点，在数据中心行业被广泛应用。然而，在数据机房空调系统长时间运行过程中，由于各项目所在地水质千差万别，加湿系统的水质处理比较简单，有的数据中心甚至没有水处理措施，直接使用市政供水，这使得加湿系统故障或加湿效果不理想的案例时有发生[3]。    笔者从数据中心湿膜加湿系统的原理及水质进行分析，针对加湿系统存在的“白粉”和结垢现象给出相应的解决方案，并给出水质结垢趋势的判断方法及实用结垢指数(Puckorius scaling index，PSI)的计算方法，为数据中心湿膜加湿系统水质处理和设备运行维护提供参考。1 数据中心湿膜加湿原理    早期数据中心机房采用的湿膜加湿器为直排水方式，外部水源经管路送至湿膜顶部的淋水系统，水在重力作用下与湿膜接触将其表面润湿，通过加湿器内部的风机作用，蒸发的水蒸气与干燥的气流混合形成高湿空气，流到接水盘上的水经排水管直接排放。由于这种加湿方式耗水量大，不利于节水节能，又发展出循环水湿膜加湿，如图1(a)所示。自来水首先被送到湿膜下的主水槽，经水泵送至湿膜顶部，从湿膜上流下来的未蒸发的水流进水槽，再由水泵送到湿膜顶部，循环往复，从而达到节水的目的[4]。湿膜加湿的过程为等焓加湿，从图1(b)可以看出，将空气先从状态点1加湿至状态点2，水蒸发的热量直接取自机房内循环空气，不增加外部能量，因此该加湿过程有2个作用[5]，即加湿且冷却空气，这不仅解决了机房湿度问题，而且增加了机房制冷量，对数据中心来说是一种非常理想的加湿方法。<img src="https://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_jpg/cpiagyiatdjYMnEib9T8YF64yHWuYUW9ofB3vjJsZwf6tdVnvfM9iabWev2hSBjU01l2a6es8tPFI4kTIS73w3w1Eg/640?wx_fmt=jpeg&from=appmsg&tp=webp&wxfrom=5&wx_lazy=1&wx_co=1" style="width: 100%; margin-bottom: 20px;">
图1 循环水湿膜加湿器原理及焓-湿图2 湿膜加湿水质问题分析    湿膜加湿系统从原理上讲是洁净加湿过程，系统水源可以采用生活饮用水或软化水，但由于各地区的自来水水质情况差异较大，例如:我国北方大多采用地下水，水质偏硬，钙镁离子及水垢含量较多；南方地区采用地表水，水质较软，但含有很多杂质、微生物等[6]。湿膜加湿时，蒸发过程是在湿膜介质表面上发生，水中的矿物质浓度过高或水与介质表面接触不足时，矿物盐、杂质等会浓缩并沉积在介质表面上形成结垢现象。在数据中心的实际应用中，现场运维人员会使用阻垢剂对水质进行化学处理，但几乎没有积极作用，本质上，阻垢剂会成为结垢沉积物的一部分。因此，常规的水处理方法不适用于蒸发式湿膜加湿系统。    另外，由于蒸发后矿物质离子均沉淀在湿膜材料上，长时间的积累会在湿膜表面形成垢层，这种沉积可能阻塞气流，导致湿膜材料弯曲变形。如果不能获得足够支撑，弯曲变形会使湿膜介质产生掉渣，缩短整个湿膜介质的使用寿命。严重的沉积还有可能导致蒸发介质和水垢的表面局部pH值升高，硬化剂浸出，致使介质过早损坏(对无机湿膜材料的破坏更为严重)，吸水率降低，水分在固态水垢表面凝结，加湿器送风口出现漂水现象。    这些由于加湿系统水质问题产生的故障给数据中心的安全运行带来了极大的隐患，所以数据中心加湿系统采用合理的水处理设计和运行过程相关的水垢控制策略是一个不容忽视的环节。3 湿膜加湿系统水质问题解决方案
    目前国家及行业标准并没有对加湿系统的水质进行要求，在GB5749—2022《生活饮用水卫生标准》[7]中，生活饮用水部分性能指标及限值如表1所示，可以作为数据中心加湿系统水质的参考标准；《国家建筑标准设计图集16K310空调系统用加湿装置选用与安装》[8]中对湿膜加湿器的水质只作了硬度和pH值要求，如表2所示。
图1 循环水湿膜加湿器原理及焓-湿图<img src="https://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_png/cpiagyiatdjYMnEib9T8YF64yHWuYUW9ofBBEPjwzhvdzWdX7ByTwTibwHibib8EklMQJspn6zZagriaxiaEll75lJ2JZw/640?wx_fmt=png&from=appmsg&tp=webp&wxfrom=5&wx_lazy=1&wx_co=1" style="width: 100%; margin-bottom: 20px;">表2 湿膜加湿对水质的要求
<img src="https://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_png/cpiagyiatdjYMnEib9T8YF64yHWuYUW9ofB1tibREMd3uR3eSSdfwGM4RC2lgl3CWziaibZ2wlSD1DDDmiaS5HjEicJRRQ/640?wx_fmt=png&from=appmsg&tp=webp&wxfrom=5&wx_lazy=1&wx_co=1" style="width: 100%; margin-bottom: 20px;">
    早期空调系统的水处理控制及理念源自热交换设备的水垢控制，在这些设备中，水流量大、流速高且无蒸发(在冷却塔内蒸发)。而湿膜加湿装置中蒸发发生在介质表面，因此空调系统的水处理方法并不适用。对于湿膜加湿系统，水质处理的关键在于如何有效防止在蒸发介质表面形成碳酸钙结垢，目前常用的几种水质处理方法有[9]:
1) 软化水处理技术通过离子交换和物理过滤将系统中的悬浮物质以及Ca2+和Mg2+去除，可以缓解结垢趋势。2) 电子水处理技术利用静电场处理水，增大水分子极性，达到防垢目标，其防止结垢效果不稳定，无法对整个系统进行有效保护。3) 加药水处理技术利用阻垢、腐蚀、杀菌灭藻等药剂抑制结垢、腐蚀和杀菌，操作比较繁琐且控制不精准。    上述几种方法处理加湿水的水质都有一定的局限性，且无论哪种方法都无法彻底解决湿膜加湿用水的水质问题。笔者结合实践案例从方案设计、设备控制、使用维护阶段出发，分别介绍3种水质控制的方案:加湿补水系统增加反渗透(RO)纯水装置清除钙硬度；控制加湿循环水的浓缩倍数，保持轻微溶垢；对加湿介质表面的结垢物进行化学处理。  3.1 增加RO纯水装置    对数据中心的加湿补水系统增加软化水处理装置，是目前业内通用做法，但在长期运行过程中仍然会出现“白粉”和湿膜介质结垢腐蚀现象，并伴随气流黏附在服务器上，给设备运行带来安全隐患。例如河北省张家口市某数据中心，一期工程采用独立的湿膜加湿器，其补水系统为软化水，运行不足半年时湿膜表面已出现严重结垢，并出现服务器表面“白粉”附着现象；二期工程补水系统改为RO纯水装置，经测试验证设备运行稳定，解决了加湿系统的“白粉”和结垢问题。如图2所示的RO纯水装置系统流程图，市政供水先经过原水箱，经软化处理(石英沙、活性炭、树脂)和过滤后，再经过一级RO反渗透设备，最后进入纯水箱，再通过供水泵组(1用1备，自动故障切换功能)向机房设置的加/除湿一体机(恒湿机)供水；设置盐罐辅助软化水，软水设备和纯水设备带自动冲洗和再生恢复功能。<img src="https://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_jpg/cpiagyiatdjYMnEib9T8YF64yHWuYUW9ofBebpJI1Vs1T4213EgCYm1rq0B5NyMmNCZYaRm2G8lTyGw7SicibVG0nBg/640?wx_fmt=jpeg&from=appmsg&tp=webp&wxfrom=5&wx_lazy=1&wx_co=1" style="width: 100%; margin-bottom: 20px;">
图2 RO纯水装置系统流程图    经过实践证明，采用纯水不仅能够有效延长湿膜的使用寿命，减少维护更换次数，而且能够确保加湿系统长期稳定运行。目前市场上已有设备企业对湿膜加湿器的供水做出了明确规定，例如日本某品牌的加湿机要求其供水应为电导率不高于0.1mS/m且不含任何细菌的纯水[10]。笔者认为采用RO纯水装置是解决湿膜加湿水质问题的最佳实践方案之一。  3.2 控制浓缩倍数，保持轻微溶垢    浓缩倍数为循环水中矿物质浓度与补充水中矿物质浓度之比，在GB50050—2017《工业循环冷却水处理设计规范》[11]中提出，开式系统和闭式系统补充水处理设计方案应该根据补充水量、补水水质、循环冷却水的水质指标，考虑设计浓缩倍数，且系统的设计浓缩倍数不宜小于5.0，不应小于3.0。    将浓缩倍数控制在合理的范围内，不仅可以减少水垢和杂物的沉积，而且可以节约用水，并降低系统的WUE(water use efficiency，水分利用效率)。    数据中心湿膜加湿补水系统常用且比较经济的软化水，水中总是含有一定量的溶解矿物质，蒸发时循环水中的矿物质浓度会增大。因此，通过控制循环水中的浓缩倍率，每当浓缩倍率超出基于PSI的上限时，将循环水排出，以去除循环水中结垢物质的量，这种方法是最为经济、免于维护的水垢控制法，也消除了RO反渗透装置较大的维护成本问题。系统浓缩倍数的稳定能够通过强制排污实现，图3所示为某数据中心采用的带有旁流排污措施的湿膜加湿设备，在系统中安装的电导率控制器会连续测量电导率，当测量值超出所需的设定点时，打开电磁阀，排出系统循环水，直至回到控制范围内。这种连续控制加湿系统排水方法可以有效控制循环水中离子的含量，从而减少离子的结晶析出，达到减少水垢和杂物的沉积。<img src="https://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_jpg/cpiagyiatdjYMnEib9T8YF64yHWuYUW9ofBq9WA0Y1CpAot97ZwR9TXTPDmsDdNzU3Niczfib8jCsxticwgOzERhWASQ/640?wx_fmt=jpeg&from=appmsg&tp=webp&wxfrom=5&wx_lazy=1&wx_co=1" style="width: 100%; margin-bottom: 20px;">
图3 旁流排水装置原理图  3.3 对结垢物质进行化学处理    若数据中心湿膜加湿装置已经出现结垢问题，可以对加湿介质表面的结垢物质进行化学处理，建议的处理方法是使用晶体改性剂，例如磺化聚苯乙烯和聚马来酸等。该方案允许形成结垢，但是化学添加剂会使所形成的晶体结构变形，将结垢变为非黏附性污泥。现场经验表明，该方案会产生易于从介质表面冲洗掉的沉积物，运维人员可以通过冲洗介质进行直接清除。4 水质结垢趋势的判断    湿膜加湿装置的结垢，主要是可溶性盐从循环水中沉淀并沉积时形成的水垢。在水处理行业中，循环水中可溶性盐的结垢趋势通常用结垢指数表示。结垢指数是反映水质结垢能力的综合参数，可以由电导率、温度、钙硬度、pH值、总碱度计算得出，其中最为常用的有Langelier结垢指数、Ryznar结垢指数和Puckorius结垢指数。    在冷却水系统中运用最多的是Langelier结垢指数(LSI)和Ryznar结垢指数(RSI)，由于它们是根据CaCO3的饱和pH值计算的，因此称LSI和RSI分别为饱和指数和稳定指数，计算方法如表3所示[12]。LSI主要是针对饮用水，RSI主要是针对冷却塔的冷却水而提出的。目前，新的水处理工艺的pH值大于7，在湿膜加湿系统中，pH值约维持在7.5~8.5，运用LSI和RSI误差就会很大。早期阻垢剂是溶垢型，采用LSI和RSI是有效的。新型阻垢剂的应用影响了结垢指数的准确性，且新型阻垢剂对结垢物质进行化学处理是晶格调整型，允许结垢物质生成。若循环水中结垢成分已去除，这些结垢指数就不再适用了。    大量研究结果表明，帕科拉兹(Puckorius)提出的实用结垢指数(PSI)能够更准确地预测循环水系统中结垢趋势。在实际使用中，该指数更为有效，是一种预测CaCO3结垢的有效手段，而且有助于确定阻垢剂的最佳添加量，这能够降低水质处理成本，其计算方法见表3。表3 结垢指数计算方法
<img src="https://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_png/cpiagyiatdjYMnEib9T8YF64yHWuYUW9ofBS5pw3Yib8KqyaGusibNGj3f7NMECYg3giahjYJNOKOd2fHRYeCIsnoblQ/640?wx_fmt=png&from=appmsg&tp=webp&wxfrom=5&wx_lazy=1&wx_co=1" style="width: 100%; margin-bottom: 20px;">  1) pHs计算    循环水中碳酸钙会发生沉淀-溶解反应，当该反应达到平衡时，水的pH值称为循环水的饱和pH值(pHs)。pHs随水中溶解固体总浓度、碱度、钙离子浓度、温度等因素而变化，其计算式如下[13]:pHs=(9.7+A+B)-(C+D)    (1)    式中：A为总溶解固体系数；B为温度系数；C为钙硬度(以CaCO3计)系数；D为总碱度(以CaCO3计)系数(mg/L)。根据表4可以查出相应的系数代入式(1)进行计算，即可求得相应电导率下水的pHs。  2) pHeq计算    Puckorius对实际案例进行研究后得出，水的总碱度(M)比水的实际pH能够更好地反映水的腐蚀和结垢倾向，因此Puckorius使用总碱度(M)确定循环水的pHeq并代替RSI中的实测pH值，其数值可以根据pHeq-水的总碱度对应关系(见表5)查找得出；也可以根据式(2)计算得出[14]:pHeq=1.465lg(M-水的总碱度)+4.54    (2)
表4 pHs计算系数对应表[14,15]
<img src="https://mmbiz.qpic.cn/sz_mmbiz_png/cpiagyiatdjYMnEib9T8YF64yHWuYUW9ofBCjBSu2OrTVp0AmxIQO9SJhKT6dWy4xbc4giag7rAibrltqe66CMBJOdg/640?wx_fmt=png&from=appmsg&tp=webp&wxfrom=5&wx_lazy=1&wx_co=1" style="width: 100%; margin-bottom: 20px;">注：近似换算：电导率=1.58×TDS；水温通常是空气的湿球温度。
    对于湿膜加湿系统的循环水，运行过程中最希望保持较小的结垢溶解系数，以便循环水能够更好地溶解沉积的矿物质，因此应当将结垢指数控制在一定范围内。根据PSI指数分析可得：PSI<6，水体结垢风险增加；6≤PSI≤7，无结垢风险且具有微溶垢能力；PSI>7，腐蚀性显著增加。因此，推荐的PSI指数范围为6.5±0.5。
表5 pHeq-水的总碱度对应关系表[14,15]
<img src="https://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_png/cpiagyiatdjYMnEib9T8YF64yHWuYUW9ofBQYgfyIiczYaSry1suRGwRJfz5FFJka6QwNJGuw5WfLayzlMRfBrT2Lg/640?wx_fmt=png&from=appmsg&tp=webp&wxfrom=5&wx_lazy=1&wx_co=1" style="width: 100%; margin-bottom: 20px;">5 结论    数据中心湿膜加湿系统水质不达标产生的结垢现象会给数据中心的安全运行带来隐患，并造成一定的能源浪费，针对上述问题提出以下解决方案:
    1) 水质问题从方案设计优先考虑：加湿补水系统采用RO纯水装置直接清除钙硬度，不仅能够有效延长湿膜的使用寿命，减少湿膜的维护更换次数，且能够确保加湿系统长期稳定运行，是工程实践中的最佳解决方案之一。
    2) 对于数据中心湿膜加湿补水系统常用且比较经济的软化水，需要控制循环水的浓缩倍数，保持轻微溶垢，建议采用带有旁流排污措施的湿膜加湿设备，通过连续监测系统电导率及时排出系统循环水，从而减少离子的结晶析出，达到减少水垢和杂物的沉积。    3) 对于运行中湿膜加湿装置已经出现结垢问题的，可以对加湿介质表面的结垢物质进行化学处理，建议的处理方法是使用晶体改性剂，将结垢物质变为非黏附性污泥，通过系统循环水可以有效冲洗掉介质表面的沉积物。
    最后，通过对水处理行业常用的结垢系数进行比较分析，建议采用实用结垢指数(PSI)对湿膜加湿循环水系统中结垢趋势进行判断，同时对其计算方法进行了说明，为湿膜加湿系统的水质管理提供了科学的理论依据。
作者：赵鹏瑞，傅烈虎，花雨，孙大康，蒋剑维
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数据中心湿膜加湿的水质管理

#楼主# 2024-9-18

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