“雙碳”目標(biāo)下數(shù)據(jù)中心水資源綜合利用策略淺析

石俊曉，賀 曉，魏文豪，王 凱，仝雙明，張令澤（中訊郵電咨詢?cè)O(shè)計(jì)院有限公司鄭州分公司，河南鄭州 450007）

0 引言

隨著數(shù)字化的快速推進(jìn)，越來(lái)越多的數(shù)據(jù)中心正在全球各地建立。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全球有5 000 多個(gè)數(shù)據(jù)中心正在全天候的收集、存儲(chǔ)、處理、傳輸數(shù)據(jù)，并提供數(shù)據(jù)備份和恢復(fù)。毫無(wú)疑問(wèn)，數(shù)據(jù)中心對(duì)于云計(jì)算和網(wǎng)絡(luò)至關(guān)重要，但同時(shí)也給環(huán)境帶來(lái)了巨大的挑戰(zhàn)——水資源的消耗。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，全球數(shù)據(jù)中心每天消耗幾十億升的水，如果缺水，會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施過(guò)熱、數(shù)據(jù)丟失、業(yè)務(wù)中斷等問(wèn)題；同時(shí)過(guò)度用水會(huì)加劇水資源緊張狀況和對(duì)地球環(huán)境的危害。本文將圍繞數(shù)據(jù)中心產(chǎn)業(yè)的發(fā)展與改革，探討其作為新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的一環(huán)將如何助力中國(guó)實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)。

1 數(shù)據(jù)中心水系統(tǒng)分析

目前經(jīng)常用到的數(shù)據(jù)中心水系統(tǒng)主要包括冷凍水型集中式空調(diào)系統(tǒng)、蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)、循環(huán)冷卻水系統(tǒng)、空調(diào)加濕系統(tǒng)、生活給水及生產(chǎn)給水系統(tǒng)等。循環(huán)冷卻水系統(tǒng)主要是冷卻塔耗水，因此，數(shù)據(jù)中心的用水主要包括冷卻塔用水、蒸發(fā)冷卻用水、空調(diào)加濕用水及數(shù)據(jù)中心的日常用水等。

1.1 循環(huán)冷卻水系統(tǒng)

循環(huán)冷卻水系統(tǒng)通常分為密閉式（干式）循環(huán)冷卻水系統(tǒng)和敞開式（濕式）循環(huán)冷卻水系統(tǒng)。密閉式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)中，水是密閉循環(huán)的，水的冷卻不與空氣接觸（閉式冷卻塔），其冷卻極限為空氣的干球溫度。敞開式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)，水的冷卻需要與空氣直接接觸，其冷卻極限為空氣的濕球溫度。

循環(huán)冷卻水系統(tǒng)一般由制冷機(jī)、冷卻塔、集水設(shè)施（冷卻塔集水盤或集水池）、循環(huán)水泵、循環(huán)水處理裝置（加藥裝置、旁濾等）、循環(huán)管道、放空裝置、補(bǔ)水裝置、控制閥門和溫度計(jì)等組成。

冷卻塔的用水主要消耗在以下途徑：蒸發(fā)、飄逸和排污，冷卻塔的水量損失應(yīng)根據(jù)蒸發(fā)、風(fēng)吹和排水各項(xiàng)損失水量確定。

a）《民用建筑節(jié)水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB50555?2010）第3.1.4 條規(guī)定：空調(diào)循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的補(bǔ)充水量，應(yīng)根據(jù)氣象條件、冷卻塔形式、供水水質(zhì)、水質(zhì)處理及空調(diào)設(shè)計(jì)運(yùn)行負(fù)荷、運(yùn)行天數(shù)等確定，可按平均日循環(huán)水量的1.0%～2.0%計(jì)算。

b）《建筑循環(huán)冷卻水系統(tǒng)水處理工程技術(shù)規(guī)程》（T/CECS872?2021）第5.1.4 條規(guī)定：開式系統(tǒng)的補(bǔ)充水量可按式（1）～式（3）來(lái)計(jì)算：

式中：

Qm——補(bǔ)充水量（m3/h）

Qe——蒸發(fā)損失水量（m3/h）

Qb——排污水量（m3/h）

Qw——風(fēng)吹損失水量（m3/h），與風(fēng)速、冷卻塔類型、淋水填料、冷卻水量有關(guān)，機(jī)械通風(fēng)冷卻塔風(fēng)吹損失水量占循環(huán)水量的0.1%，開放式冷卻塔取1%～1.5%

N——濃縮倍數(shù)

k——?dú)鉁叵禂?shù)（1/℃），具體取值參考表1

表1 k取值表

Δt——冷卻塔進(jìn)出水溫差（℃）

QT——循環(huán)水量（m3/h）

開式冷卻水損失量占系統(tǒng)循環(huán)水量的比例計(jì)算或估算如下：蒸發(fā)損失為每1℃水溫降0.185%；飄逸損失可按生產(chǎn)廠提供的數(shù)據(jù)確定，無(wú)資料時(shí)可取0.3%～0.35%；排污損失（包括泄漏損失）與補(bǔ)水水質(zhì)、冷卻水濃縮倍數(shù)的要求、飄逸損失量等因素相關(guān)，應(yīng)經(jīng)計(jì)算確定，一般可按0.3%估算。計(jì)算冷卻水補(bǔ)水量的目的是為了確定補(bǔ)水管管徑、補(bǔ)水泵、補(bǔ)水箱等設(shè)施，可以采用以上估算數(shù)值?！督ㄖh(huán)冷卻水系統(tǒng)水處理工程技術(shù)規(guī)程》（T/CECS872?2021）第5.1.5 條規(guī)定：閉式循環(huán)水系統(tǒng)平均小時(shí)補(bǔ)充水量宜按系統(tǒng)水容量的0.5%計(jì)算；補(bǔ)水泵流量宜取系統(tǒng)小時(shí)補(bǔ)水量的2.5～5.0倍。

c）《工業(yè)循環(huán)水冷卻設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB/T 50102?2014）第3.1.21 條規(guī)定：冷卻塔的風(fēng)吹損失水率（%），應(yīng)按冷卻塔的通風(fēng)方式和收水器的逸出水率以及橫向穿越風(fēng)從塔的進(jìn)風(fēng)口吹出的水損失率確定。當(dāng)缺乏收水器的逸出水率等數(shù)據(jù)時(shí)，按表2所示取值。

表2 冷卻塔的風(fēng)吹損失水率

d）《工業(yè)循環(huán)水冷卻設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB/T 50102?2014）第3.1.22 條規(guī)定：循環(huán)冷卻水系統(tǒng)排水損失水量應(yīng)根據(jù)對(duì)循環(huán)水水質(zhì)的要求計(jì)算確定，可按式（4）進(jìn)行計(jì)算：

式中：

Qb——循環(huán)冷卻水系統(tǒng)排水損失水量（m3/h）

Qe——冷卻塔蒸發(fā)損失水量（m3/h）

Qw——冷卻塔風(fēng)吹損失水量（m3/h）

n——循環(huán)水設(shè)計(jì)濃縮倍率

在數(shù)字出版的發(fā)展過(guò)程中，出版者往往把重點(diǎn)關(guān)注在數(shù)字出版物上，而忽視了自身品牌的建設(shè)。然而，品牌建設(shè)在數(shù)字出版的發(fā)展過(guò)程中是不能被忽視的重要組成部分，同品種的數(shù)字出版物，更多的讀者會(huì)選擇有品牌效應(yīng)的。所以出版單位需發(fā)揮自身優(yōu)勢(shì)，強(qiáng)化品牌建設(shè)。

1.2 蒸發(fā)冷卻用水

蒸發(fā)冷卻技術(shù)是以水為制冷劑，利用空氣干球溫度和濕球溫度的差值為驅(qū)動(dòng)力來(lái)制取空調(diào)所需制冷量的技術(shù)。與傳統(tǒng)空調(diào)相比，這種類型的空調(diào)設(shè)備不使用壓縮機(jī)，耗電設(shè)備僅包括風(fēng)機(jī)和水泵。蒸發(fā)冷卻高溫冷水空調(diào)系統(tǒng)是由水處理設(shè)備、蒸發(fā)冷卻冷水機(jī)組、冷凍水循環(huán)泵、板式換熱器、乙二醇循環(huán)泵、定壓補(bǔ)水泵、多級(jí)蒸發(fā)冷卻新風(fēng)空調(diào)機(jī)組、膨脹水箱、管路、空調(diào)末端、集控系統(tǒng)、集水器、分水器、潛水泵和蓄水池組成。蒸發(fā)冷卻水系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中仍需要一定量的補(bǔ)充水。蒸發(fā)冷卻高溫冷水空調(diào)系統(tǒng)如圖1 所示。

圖1 蒸發(fā)冷卻高溫冷水空調(diào)系統(tǒng)

1.3 空調(diào)加濕系統(tǒng)

根據(jù)《數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50174?2017）的要求，室內(nèi)溫度 為18～27 ℃，露點(diǎn)溫度為5.5～15 ℃，相對(duì)濕度不大于60%；允許值為：室內(nèi)溫度為15～32 ℃，相對(duì)濕度為20%～80%，同時(shí)露點(diǎn)溫度不高于17 ℃。為保證數(shù)據(jù)中心機(jī)房?jī)?nèi)的相對(duì)濕度（露點(diǎn)溫度）在推薦或允許的范圍內(nèi)，《數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50174?2017）規(guī)定，主機(jī)房?jī)?nèi)的濕度可由機(jī)房專用空調(diào)、行間制冷空調(diào)進(jìn)行控制，也可由其他加濕器進(jìn)行調(diào)節(jié)。目前數(shù)據(jù)中心采用的加濕器種類主要有：電極式加濕器、運(yùn)紅外線式加濕器、濕膜加濕器等。

數(shù)據(jù)中心空調(diào)加濕系統(tǒng)總體上用水量較小，要求用水水質(zhì)較高。

1.4 數(shù)據(jù)中心日常用水

數(shù)據(jù)中心生產(chǎn)、生活給水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)符合《建筑給水排水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB50015?2019）、《建筑節(jié)水產(chǎn)品分級(jí)及技術(shù)要求》（T/CECS 10168?2021）、《建筑給水排水與節(jié)水通用規(guī)范》（GB 55020?2021）等相關(guān)規(guī)范的要求。

2 數(shù)據(jù)中心水系統(tǒng)節(jié)水措施分析

2.1 數(shù)據(jù)中心節(jié)水技術(shù)應(yīng)用

針對(duì)以上數(shù)據(jù)中心水系統(tǒng)的分析，提出以下水資源利用技術(shù)。

a）設(shè)計(jì)合理的循環(huán)冷卻水系統(tǒng)。對(duì)于正常運(yùn)行的循環(huán)冷卻水系統(tǒng)，其蒸發(fā)損失在一定的條件下為定值，其值大小主要由環(huán)境濕度、環(huán)境溫度、冷卻水設(shè)計(jì)循環(huán)量、冷卻水設(shè)計(jì)溫差和工廠生產(chǎn)負(fù)荷決定。而風(fēng)吹損失一般小于冷卻水設(shè)計(jì)循環(huán)量的0.2%，也可認(rèn)為是定值。排污損失主要由需要控制的循環(huán)冷卻水水質(zhì)決定，減少排污損失是循環(huán)冷卻水系統(tǒng)節(jié)水的主要方向。在補(bǔ)水中鹽分濃度不變的情況下，適當(dāng)提高循環(huán)冷卻水中鹽分濃度，即根據(jù)實(shí)際情況適當(dāng)提高循環(huán)冷卻水的濃縮倍數(shù)，減少排污水量和補(bǔ)水量，通過(guò)循環(huán)冷卻水加藥的方式控制工藝換熱器結(jié)垢和腐蝕的風(fēng)險(xiǎn)。除此之外，循環(huán)冷卻水系統(tǒng)設(shè)置水質(zhì)穩(wěn)定措施；冷卻塔多塔并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，冷卻塔集水盤連通等，這些措施均有助于起到節(jié)水效果。

b）循環(huán)冷卻水的回用處理。工業(yè)循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的結(jié)垢、微生物以及腐蝕是業(yè)界的研究熱點(diǎn)，對(duì)循環(huán)冷卻水進(jìn)行水處理并回用也非常必要。最常采用的水處理技術(shù)是膜生物反應(yīng)器工藝，這對(duì)污水的處理有著重要的作用，進(jìn)行處理后的水質(zhì)可滿足《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB18918?2002）一級(jí)A 標(biāo)準(zhǔn)，而且也滿足工業(yè)循環(huán)冷卻水的用水標(biāo)準(zhǔn)，可以進(jìn)行循環(huán)水回用，達(dá)到節(jié)能環(huán)保的要求。

d）冷凝水回用措施。冷凝水的水質(zhì)好、水溫低，有條件時(shí)可采取必要的措施再利用，將冷凝水回用于循環(huán)冷卻水系統(tǒng)，不僅節(jié)約了水資源，而且有利于提高制冷裝置的制冷效率。此外，凝結(jié)水還可用于消防給水滅火系統(tǒng)、被處理空氣的預(yù)冷，從而降低處理空氣的能耗。

e）供水設(shè)施的節(jié)水措施。數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)中供水設(shè)備應(yīng)采用相應(yīng)節(jié)水措施，例如加壓泵組采用梯級(jí)泵組配置，根據(jù)用水量、水壓要求，自動(dòng)控制啟動(dòng)的水泵臺(tái)數(shù)，并變頻調(diào)速運(yùn)行。

2.2 數(shù)據(jù)中心節(jié)水設(shè)備應(yīng)用

數(shù)據(jù)中心用水器具和設(shè)備應(yīng)采用節(jié)水節(jié)能型產(chǎn)品；例如采用節(jié)水型冷卻塔、感應(yīng)型水嘴等。

3 數(shù)據(jù)中心水資源綜合利用

3.1 水資源使用效率（WUE）

水資源使用效率（WUE）用來(lái)表征數(shù)據(jù)中心單位IT 設(shè)備用電量下數(shù)據(jù)中心的耗水量。

WUE=（連續(xù)一年內(nèi)）數(shù)據(jù)中心總用水量/數(shù)據(jù)中心IT 設(shè)備全年耗電量，單位為L(zhǎng)/kWh。其中數(shù)據(jù)中心總用水量為維持?jǐn)?shù)據(jù)中心正常運(yùn)行所消耗所有水資源總和。

數(shù)據(jù)中心冷源用水量W主要包括冷卻水蒸發(fā)、冷卻水排水、IT 房間加濕用水、軟化水設(shè)備用水、設(shè)備維護(hù)用水和柴發(fā)系統(tǒng)運(yùn)行及維護(hù)用水。

經(jīng)查閱，國(guó)外某數(shù)據(jù)中心應(yīng)用雨水收集裝置，雨水經(jīng)收集處理后用于空調(diào)加濕，進(jìn)一步降低數(shù)據(jù)中心WUE；另外，有些數(shù)據(jù)中心采用耗水量較低的空調(diào)系統(tǒng)，如直接蒸發(fā)制冷系統(tǒng)，該系統(tǒng)沒(méi)有耗電量大的機(jī)械制冷設(shè)備，并且用水量也比傳統(tǒng)制冷設(shè)備少很多，在降低數(shù)據(jù)中心PUE 的同時(shí)，也大幅降低了數(shù)據(jù)中心WUE。諸如此類，在結(jié)合實(shí)際情況的前提下，優(yōu)先采用節(jié)能、節(jié)水的空調(diào)系統(tǒng)也是進(jìn)一步節(jié)水的主要舉措。

3.2 數(shù)據(jù)中心園區(qū)水資源綜合利用

在綠色環(huán)保方面，數(shù)據(jù)中心通過(guò)“海綿城市”建設(shè)，以LID 技術(shù)改造為切入點(diǎn)，結(jié)合屋頂綠化、雨水回用設(shè)施、透水鋪裝等，從源頭、鋪裝和末端全面控制雨水，實(shí)現(xiàn)年徑流總量控制率可控，從而達(dá)到數(shù)據(jù)中心園區(qū)水資源綜合利用的效果，主要通過(guò)以下節(jié)水技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

a）雨水收集回用系統(tǒng)。在園區(qū)內(nèi)設(shè)置雨水收集池，流經(jīng)建筑屋面的雨水經(jīng)過(guò)管道收集后，進(jìn)入到初期的雨水棄流滲流井，初期雨水經(jīng)棄流后，優(yōu)質(zhì)雨水進(jìn)入雨水儲(chǔ)水池，經(jīng)池中的提升泵提升后進(jìn)入集水井進(jìn)行后續(xù)的處理，處理后即可用于綠化、澆灑、循環(huán)冷卻水補(bǔ)水、空調(diào)加濕等。

b）中水處理回用系統(tǒng)。建筑內(nèi)非傳統(tǒng)水源主要分為生活污水和收集的雨水。生活污水經(jīng)過(guò)化糞池進(jìn)入處理系統(tǒng)的集水池，流離生化池出水經(jīng)過(guò)收集池收集，經(jīng)次氯酸鈉消毒達(dá)標(biāo)后進(jìn)入中水池，中水池中一部分水經(jīng)過(guò)回用泵的提升作用，可用于沖廁、洗車、綠化、循環(huán)水冷卻水補(bǔ)水等，另一部分經(jīng)回灌泵處理后可補(bǔ)入園區(qū)景觀水池，實(shí)現(xiàn)了中水的梯級(jí)使用的效果。

c）景觀池、潛流濕地與生態(tài)塘。有條件的情況下，園區(qū)內(nèi)可設(shè)置濕地與生態(tài)塘。濕地為無(wú)動(dòng)力重力流系統(tǒng)，以中水處理站出水及循環(huán)湖水為水源，回灌于潛流濕地和生態(tài)塘進(jìn)行二級(jí)處理，達(dá)到景觀用水標(biāo)準(zhǔn)后補(bǔ)入景觀池面。同時(shí)，景觀池內(nèi)設(shè)置循環(huán)泵提升湖水至人工濕地，實(shí)現(xiàn)湖水的循環(huán)，使湖水的水質(zhì)保持良好。

d）綠化自動(dòng)微噴灌系統(tǒng)。綠化采用自動(dòng)微噴灌系統(tǒng)，其用水可來(lái)自中水或者市政自來(lái)水，實(shí)現(xiàn)了澆灌系統(tǒng)的無(wú)人值守，節(jié)約用水。

4 數(shù)據(jù)中心全生命建設(shè)周期內(nèi)節(jié)水措施分析

綜上所述，在整個(gè)數(shù)據(jù)中心項(xiàng)目的建設(shè)周期中，要想做到較好水資源綜合利用，需從規(guī)劃、設(shè)計(jì)、運(yùn)維等每個(gè)階段來(lái)統(tǒng)籌考慮，主要包括以下幾方面。

4.1 項(xiàng)目規(guī)劃階段

科學(xué)制定水資源規(guī)劃方案，統(tǒng)籌、綜合利用各種水資源。根據(jù)當(dāng)?shù)刈匀坏乩項(xiàng)l件、水文地質(zhì)特點(diǎn)、水資源狀況、降雨規(guī)律、水環(huán)境保護(hù)與內(nèi)澇防治要求等，科學(xué)布局和選用透水鋪裝、雨水花園等海綿設(shè)施及其組合系統(tǒng)。優(yōu)先利用自然排水系統(tǒng)與海綿設(shè)施，實(shí)現(xiàn)雨水的自然保存、自然滲透、自然凈化和可持續(xù)水循環(huán)。

4.2 項(xiàng)目設(shè)計(jì)階段

在項(xiàng)目設(shè)計(jì)階段，需根據(jù)項(xiàng)目的具體情況考慮不同的節(jié)水創(chuàng)新技術(shù)。

a）條件允許時(shí)，優(yōu)先選用耗水量少的空調(diào)系統(tǒng)。結(jié)合工程實(shí)際情況，優(yōu)先利用自然冷源，采用間接蒸發(fā)冷卻等技術(shù)，在降低數(shù)據(jù)中心PUE 的同時(shí)，降低WUE。

b）采用循環(huán)冷卻水處理回用技術(shù)。實(shí)施循環(huán)冷卻水處理回用技術(shù)，實(shí)現(xiàn)水資源的循環(huán)利用。經(jīng)處理后的水用于澆灑、綠化、循環(huán)冷卻水系統(tǒng)補(bǔ)水等。

c）設(shè)置中水處理系統(tǒng)。建立和完善雨水回用系統(tǒng)及中水處理系統(tǒng)，將雨水收集回用、生活生產(chǎn)污水經(jīng)中水處理系統(tǒng)處理后回用，實(shí)現(xiàn)水資源綜合利用。

d）節(jié)水措施、節(jié)水設(shè)備的應(yīng)用。數(shù)據(jù)中心建設(shè)中采用節(jié)水設(shè)備，例如全自動(dòng)變頻加壓給水設(shè)備采用梯級(jí)泵組配置；選用節(jié)水型衛(wèi)生潔具及配件；各單體入戶管按不同用途分別設(shè)置水表計(jì)量；水池、水箱溢流水位設(shè)置報(bào)警裝置，防止進(jìn)水管閥門故障時(shí)，水池、水箱長(zhǎng)時(shí)間溢流排水等節(jié)水設(shè)施。

4.3 項(xiàng)目后期運(yùn)維階段

數(shù)據(jù)中心管理應(yīng)加強(qiáng)用水設(shè)備的日常維護(hù)管理，加強(qiáng)用水設(shè)施檢修。重點(diǎn)檢查數(shù)據(jù)機(jī)房精密空調(diào)系統(tǒng)水路管網(wǎng)，堅(jiān)決杜絕漏水現(xiàn)象；加強(qiáng)節(jié)水宣傳，開展節(jié)約用水宣傳教育，提高節(jié)約水資源的重要性的認(rèn)識(shí)等。

5 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)于數(shù)據(jù)中心行業(yè)來(lái)說(shuō)，其用水量之大是不能不關(guān)注的問(wèn)題，隨著國(guó)家相應(yīng)政策的推出以及技術(shù)的普及，數(shù)據(jù)中心節(jié)水技術(shù)的成本及落地難度也將逐步降低，未來(lái)會(huì)有更多的焦點(diǎn)話題、技術(shù)研發(fā)圍繞如何降低數(shù)據(jù)中心WUE 展開，如何降低數(shù)據(jù)中心WUE 與降低PUE 將一樣重要，對(duì)于數(shù)據(jù)中心而言，節(jié)能減排起始于碳中和，但絕不止于碳中和。