数据中心维谛精密空调系统加湿水处理应用浅述-维谛UPS电源维谛蓄电池维谛微模块
目前数据中心维谛精密空调系统加湿水处理不受重视，甚至有水处理不当造成加湿系统故障。在介绍加湿用水水质的相关标准及常用水处理方式的技术原理的基础上，通过分析不同加湿方式的工作原理及其水处理的工程应用实践经验，总结维谛微模块数据中心常用加湿系统的正确给水种类及水处理方式，并给出水处理的注意要点及具体项目的方案选择流程，以期为数据中心的加湿系统采用合适的水处理方式带来积极的经济及环保效益。
GB50174-2017《数据中心设计规范》要求应确保维谛微模块数据中心机房的冷通道或者机柜进风区域的湿度维持在露点温度5.5~15℃，且相对湿度不大于60%的范围内。我国大部分地区秋冬季天气干燥，需要专门加湿才能满足上述湿度要求。另外，随着我国室外空气品质的改善及高温耐腐蚀服务器的推广，新风直接自然冷却维谛精密空调箱在数据中心的应用将逐步释放，而新风直接自然冷却对于加湿的需求更高。数据中心常用的等温加湿设备有电极加湿器、红外加湿器，等焓加湿设备有湿膜加湿器、超声波加湿器及高压微雾加湿器。数据中心维谛精密空调行业对于加湿设备(部件)长期采用重维修、轻保养的运维策略，对于加湿系统的水处理较随意；有的不采取任何水处理措施,直接接入自来水;有的视软化水为灵丹妙药,不管什么系统一概软化处理。事实上,各地自来水的水质不尽相同，而不同的加湿系统对于水质的要求也不一致，由于水处理不当而造成加湿系统故障的案例屡有发生。笔者就数据中心加湿系统的水处理技术应用进行分析总结，为数据中心维谛空调系统采用合适的水处理提供参考。
1、加湿用水及其相关的水处理标准
作为维谛微模块数据中心维谛空调系统加湿水的供给原水——自来水的水质应满足GB5749-2006《生活饮用水卫生标准》的相关要求，我国生活饮用水部分性能指标限值如表1所示。国家对于加湿水质的具体要求有所欠缺，仅GB/T29736-2013《空调设备用加湿器》对电极加湿作了pH值及总硬度的限定;《国家建筑标准设计图集16K310维谛空调系统用加湿装置选用与安装》中对各类加湿器的水质也仅作硬度及pH值的宽泛推荐。标准的缺乏间接导致加湿水处理不受重视的尬尴现状。
2、常用水处理技术简述
通常的水处理方法有化学法及物理法。物理法主要是利用电、磁、超声、光等物理手段,使得原水中金属离子及水分子的结构发生变化,改变菌藻类微生物的生存环境,从而达到净化水质的目的。物理法或具有良好抑垢效果，或具有优秀的杀生抑菌功能，但除电解法可在阴极上析出污垢外,其余方案并未真正除去相关物质,故物理法多用于循环水处理,或与化学法搭配运用。化学法包括投加化学药剂、软水处理及去离子净水处理等方法。化学药剂法是通过投加化学药剂控制水的腐蚀、结垢、污泥沉积及微生物繁殖,是一种循环水处理的传统成熟方法,但与物理法类似,此类方法并未直接除去矿物离子。
软水是指将原水中的胶体物质、高分子物质、悬浮物质以及Ca2+和Mg2+去除后得到的水。不同国家及组织对水的硬度分类不完全相同，世界卫生组织规定总硬度≥180mg/L为高硬度水，120~180mg/L为硬水,60~120mg/L为中等硬水，0~60mg/L为软水；我国卫生学上则将总硬度低于75mg/L的水称为软水。
水的常用软化处理方式有石灰苏打法、掩蔽剂法、离子交换法及纳滤法；
1)石灰苏打法是在水中加入定量的氢氧化钙和碳酸钠,通过化学反应将Ca2+和Mg2+沉淀析出。
2)掩蔽剂法与化学药剂法类似,通过向水中投加某种络合剂掩蔽Ca2+和Mg2+的特性使其不再生成沉淀和水垢,使水得到软化。
3)离子交换法是一种利用离子交换树脂中的Na+与水中的Ca2+和Mg2+进行交换而使水软化的方法,其化学反应式如式(1)和式(2)所示，当树脂中的Na+被全部置换后,则需要按照反应式(1)和式(2)的可逆反应进行树脂再生。
Ca2++2NaR=2Na++CaR₂(1)
Mg2++2NaR=2Na++MgR₂(2)
4)纳滤法是利用纳滤膜将水中离子选择性截留而实现水质软化的方法。纳滤膜具有荷电的纳米微孔结构,孔径范围在1.0~1.5nm,离子在带电微孔内进行扩散和传递过程时受到立体阻碍和静电排斥两方面的共同作用,水溶液中的单价离子可大部分透过，而二价和多价离子基本上不透过,从而实现水的软化。若同时考虑离子交换产生的废水处理费用，纳滤法的费用可低于离子交换法。
尽管软化水中Ca2+和Mg2+少,但是其他金属离子并未除去。而一些应用场合需要进一步脱盐,去离子制作纯水。纯水的制作有混床去离子法、反渗透膜法、电去离子法以及全膜法:
1)混床去离子水处理过程如图1所示，阳离子交换树脂除去带正电荷离子,以交换等量的氢离子;负电荷离子通过阴离子交换去除,生成氢氧离子;交换得来的氢离子和氢氧离子结合形成去离子水分子。与离子交换法类似，混床中的树脂也需要再生。
2)反渗透是一种跨流膜分离过程,在反渗透膜原水一侧施加比溶液渗透压更高的外界压力(2~100MPa),原水透过该膜时只允许水透过,其他物质不能透过而被截留在膜表面。反渗透技术成熟可靠,已成为净化的金标准。而能截留0.1~5μm颗粒的微滤膜以及大于0.01μm颗粒的超滤膜也可用于纯水制作工艺中反渗透的软化预处理。
3)电去离子是以离子交换树脂作为离子迁移的载体,以阳膜和阴膜作为鉴别阳离子和阴离子通过的关卡,在直流电场推动下实现盐与水的分离。电去离子技术是一种低成本、高效、稳定、环境友好的膜法净水技术。
4)全膜法水处理是一项将超滤、反渗透、电去离子等膜技术有机组合在一起,达到高效去除污染物和深度脱盐的水处理技术。全膜法的出水电导率可以稳定在0.1μs/cm以下,同混床去离子法相比该技术具有明显的经济效益及环保效益。
用于加湿的水最终流向两处:空气中的水蒸气及排污水。加湿水与循环冷却水的处理目的类似:首先,应确保洁净加湿以防止加湿后的空气含有易垢离子及腐蚀杂质,这些杂质将会附着在服务器芯片等元器件造成服务器损坏;其次，为确保加湿设备的长期稳定运行应实现缓蚀阻垢的功能;另外,为了保障机房维护人员的身体健康，确保维持良好的室内空气品质，应防止加湿水中细菌滋生、藻类繁殖。
3.1电极加湿器的水处理方式
电极加湿是通过正负电极与水接触,将水作为导体形成电路回路，加热罐体内的水产生蒸汽加湿。电极加湿器加湿罐中的水为导体，故给水不能是去离子后的纯水，否则无法形成闭环回路电流。按照给水电导率为125~350μs/cm、350~750μs/cm及750~1250μs/cm分别对应选择低、中、高电导率加湿罐。水的电导率与溶解性固体量浓度(硬度)成正比，浓度越高,电导率越大。硬度高的水质极易结垢而加速加湿罐的损坏;水质偏软易造成蒸发量不足而无法满足加湿量的需求。软化水曾经一度被认为是解决电极加湿水质问题的最佳选择，实践证明，维谛UPS电源采用软化水后,加湿罐的结垢速度明显降低,但由于水中的Na+离子的增加,水的电导率反而增加,不仅加湿量不易控制,而且极端情况会在电极上发出电弧光，严重影响机房安全。软化水与原水混合可以避免电弧光的问题,但是会增加排污次数,降低运行效率。张世杰等在试验的基础上提出前置过滤软化、中间反渗透制出纯水、后置调节浓度的综合水质处理法的设想。翟金国等发明了适用于电极加湿器的多用途水处理装置，该系统如图2所示。该综合水质处理法是较为理想的电极加湿水质处理方法,但系统复杂且价格高。需要强调的是电极加湿器的罐体(含电极)本身属于易耗品，只要当地自来水质电导率在其工作范围内，不建议对水质进行过度处理。另外，刘康健利用绕线式电磁除垢装置在PVC材料的加湿罐上取得良好的除垢效果,为进一步延长加湿罐使用寿命提供了一种思路。
3.2远红外线加湿器的水处理
红外加湿利用红外灯管加热水箱中的水，使表面的水迅速蒸发,从而产生蒸汽对空气进行加湿。依据波长差异红外线可以分为近红外线、中红外线及远红外线，使用远红外线进行加热的加湿器，被称为远红外线加湿器。原理上远红外的加湿过程本身对水质的依赖程度不高,且部分远红外加湿器的水槽设有超声波自动清洗装置，无须刻意关注其水处理情况。但由于红外加湿为开放式水槽,大量的细菌甚至藻类会在水槽里滋生,形成污泥,严重影响维护人员的健康;其次,水槽中的水温忽高忽低,极易结垢沉淀。若不对远红外加湿用水进行处理同样会引起如图3所示的水槽结垢、排污口堵塞等不良后果。故合理的软化阻垢、除菌减藻对于远红外加湿器非常必要。
3.3超声波加湿器及高压微雾加湿器的水处理
超声波加湿器将超声波换能器浸入水床,将高频电子信号转换为高频机械振动,在水中产生空泡及毛细管波,通过空泡内爆及毛细管波效应叠加,产生均匀的气溶胶雾。超声波加湿器广泛应用于维谛空调系统或独立用于室内加湿高压微雾加湿是利用加压泵将水加压后送至雾化喷嘴后向空气中喷射形成细小水雾，在空气中吸收热量,汽化、蒸发达到加湿的目的。超声波及高压微雾加湿同属于等焓加湿,且均通过水分子在空气中蒸发实现加湿。若加湿原水中含有矿物质,当水被雾化时,水中的矿物质都不会蒸发,并会像灰尘一样从空气中脱落,即出现“白粉”现象，势必会有部分金属离子粘附在服务器内结垢从而存在电路短路等安全隐患。而且,矿物质会堵塞高压微雾加湿器的喷嘴，会沉积在超声波雾化器的表面形成水垢从而减少雾化量,缩短使用寿命。从原理来讲,超声波及高压微雾加湿器均可使用自来水,但为了提供清洁加湿,确保加湿设备长期稳定运行，实现良好的室内空气品质,这2种加湿器均应采用纯水。为了适应维谛SmartAisle数据中心建设周期短、便于更换易耗件的特点,某厂家设计了如图4所示的具有不同水处理量的模块化加湿用纯水处理装置。
3.4湿膜加湿器的水处理
湿膜加湿是通过淋水系统将水滴淋在湿膜上，水被湿膜吸收并形成均匀的水膜,水膜吸收空气的热量汽化蒸发,实现空气的加湿。湿膜加湿本身是洁净加湿,可以直接使用自来水。但由于蒸发后的所有矿物质离子均沉淀在填料上，会在填料上结垢腐蚀,影响加湿效率,结垢严重时将无法加湿。位于上海嘉定的某银行同城灾备维谛SmartAisle数据中心,一期工程的独立式湿膜加湿器的给水为软化水,运行不足3年加湿器已完全无法加湿,后期全部改用自来水直供的电极加湿器。实践证明,软化水中的离子同样会留在填料上,由于打破了自来水原水中的离子平衡，不仅没有解决结垢问题，反而带来了严重腐蚀问题。
维谛UPS电源采用自来水直供的湿膜加湿器应定期拆下湿膜,用专用清洗剂浸泡,将湿膜.上残留的杂质充分溶解,用清水冲洗后通风晾干。自动定期冲洗并不能达到预期清洁效果。事实上,只有采用纯水才能延长湿膜的使用寿命,减少维护更换次数,确保加湿系统长期稳定运行。日本某加湿品牌厂家对其一款专用于常年运行的维谛精密空调机组上的湿膜加湿器的供水做出了明确规定,要求该款加湿器的供水应为电导率不高于1μs/cm且不含任何细菌的纯水。
3.5不同加湿方式的水处理方式的选择推荐
笔者总结维谛UPS电源数据中心不同加湿方式的水处理方式及注意要点如表2所示。对于加湿水处理具体方案的比选，应首先分析当地自来水的水质情况，了解其主要性能指标；其次，了解拟选择的加湿方式及应用形式对于水质的具体要求;再次,依据当地气象条件计算加湿水需求总量及峰值,以水处理量及当地水质实际情况筛选出可能的水处理方案;最后,以水处理方案的初投资及运行维护费用在整个生命周期内的总拥有成本为指标确定最佳方案。
4、结束语
用于数据中心维谛空调系统的加湿水既不是离子越少越好,也不能放任完全不处理，应依据不同加湿形式及应用场合采用合理的水处理技术,恰当的加湿水处理既可维护良好的维谛SmartAisle数据中心湿度环境,又可节能降耗，降低污水排放量，具有良好的经济及环保效益。
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