大型数据中心用水效率节能设计探讨

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近期，Google公开其2022年的惊人用水数据：高达56亿加仑，约合212亿升。这一数字令人震撼，等同于浸没37个高尔夫球场或几乎1.5个西湖的水量。据悉，其中达到52亿加仑的水被用于支撑其数据中心的运行，与2021年相比增长了20%。这一事实再次提醒我们，大型数据中心背后所隐藏的环境成本——巨量的冷却水消耗。随着人工智能研究的不断深入和数据中心的扩建，水资源的消耗势必将持续上升。

面对当前的挑战，我们需重新审视数据中心的节能设计。不仅要满足技术需求，更要追求环保与高效。在此背景下，数据中心的PUE和WUE变得尤为关键。不只是降低电能消耗，同时也要减少水资源的浪费。让我们在接下来的文章中深入探讨。

随着数据中心的高速增长，能耗问题越来越得到重视，数据中心建设也由一开始的单纯机架规模投资，到电能利用效率(PUE指标纳入数据中心建设的关键性指标，再到用水利用效率(WUE)指标的推广及应用，这是一个了不起的技术进步，说明我国数据中心建设迈入了可持续发展的宏图大道，向着高效节能的绿色数据中心建设转型，与发达国家先进数据中心接轨。本文就大型数据中心用水效率节能设计进行了简要的概论。

关键词：大型数据中心；水利用效率(WUE)；分析；节能设计

1 引言

近年来，大型数据中心(IDC)产业发展迅猛，尤其是对绿色数据中心建设，国务院、工信部、通信行业协会、三大运营商及BAT等分别制定了相关指导意见、规范及企业标准。PUE、WUE已经作为数据中心建设关键的两大指标得到广泛推广及使用，本文着重介绍近年来WUE在大型数据中心推广使用情况及当前所遇的设计难题进行分析，供行业专家讨论。

2 大型数据中心用水设计分析

2.1 空调补水系统设计分析

以广州某数据中心为例进行详细分析，装机规模5000个标准机架，单机架功率为 7kW，空调制冷方式采用水冷冷水系统，冷却端为敞开式循环冷却水系统；末端是冷冻水型机房列间精密空调、AHU和洁净型湿膜加湿设备。

根据空调专业配置需求，满足5000个标准机架，单机架功率为7kW，空调冷却循环水量为11400m³/h，满足建筑物空调、冷冻设备的补水量为冷却循环水量的1%~2%；及空调循环冷却水系统的补充水量可按平均日循环水量的 1.0%~2.0%计算。

考虑广州地理气候条件，全年日均循环水量变化量不大。除BAT及部分重点城市的政务云系统要求设备同时系数取1，按满载运行使用外，大部分数据中心实际装机率一般不超过70%，目前主流冷却塔厂家的设备普遍采用节水型冷却塔设备，因此在常规空调补水量设计时，一般按1%取值，即：按11400m³/h进行取值，1%进行计算，最大时空调冷却补水量为114m³/h，最高日空调冷却补水量为2736m³/d，全年用水量为998640m³，广州市商业、工业用水为486元/m³(含排污费)商业、工业用水不分级收费。数据中心每天水费为2736x4.86=13297元(1.33万元)，数据中心一年水费为998640x4.86=4853390元(485万元)，从计算结果可知，即使按7成装机率按1%取值进行计算，每月的水费也高达40万元，这个价格在三四线城市已经可以购买一套70㎡的两房一厅商品房。根据上述空调补水量计算，数据中心的水利用效率(WUE)指标的执行和控制是十分必要的。

2.2 水利用效率 WUE 指标计算分析

根据《数据中心设计规范》(GB50174-2017)第2.1.35条水利用效率(WUE)的术语解释，其数值为数据中心内所有用水设备消耗的总水量与所有电子信息设备消耗的总电能之比。

参考国外及BAT企业数据中心能效指标，对以冷却塔为主的数据中心，一般地区，优化后的WUE控制在2.5~3L/kWh，缺水及干旱地区,优化后的WUE控制在 2~2.5L/kWh。

WUE计算看似简单，但优化起来十分复杂的，式中，电子信息设备消耗的全年总用电量，在计算PUE时已经做了优化，在WUE计算时，这个电量值基本很难再有调整，因此，降低WUE计算值往往只能通过降低用水设备消耗的总水量来实现指标取值，但在实际计算发现，即使按冷却循环水量1%进行计算，最后得出的计算结果，WUE值普遍大于3L/kWh，个别项目甚至大于4L/kWh，因此从公式计算上去降低 WUE是十分困难的。

3 大型数据中心水利用效率WUE指标解决方案

3.1 降低冷却塔补充水量

根据冷却塔补充水量公式可知，冷却塔补充水量可按冷却循环水量的1%-2%取值外，也可按下列公式进行取值：

式中蒸发系数k是年平均温度，广州一般按 30℃，K取0.0015，冷却循环水量假设为给定值，由此可见，能调整的只有冷却塔进水与出水温度差ΔT。以往工程，冷却塔进出水温差一般标定为10℃，蒸发损失水量大，为合理降低损失水量，减少温差是最有效措施，根据近几年设计经验，冷却塔进出水温度设置在32.4℃~37.4℃，温差控制在5℃，节水效果最优。

3.1.2 合理提高冷却水浓缩倍数

浓缩倍数是一把双刃剑，提高浓缩倍数，可节约补充水量和减少排污水量，同时也减少了随排污水量而流失的系统中的水质稳定药剂量。但是浓缩倍数也不能提得过高，如果采用过高的浓缩倍数，不仅水中有害离子氯根或垢离子钙、镁等将产生腐蚀或结垢倾向，而且不利于微生物的控制。那么浓缩倍数控制在多少合适呢？根据水处理厂商提供的实验数据，采用冷却补水电导率检测装置的冷却塔循环冷却水系统的设计浓缩倍数建议控制在4.0~5.0之间比较经济合理。

3.2 采用大温差空调冷冻水系统

根据对近年来数据中心采用大温差空调冷冻水系统，提高封闭冷热通道温度等的节能应用，通过上述手段能有效降低冷冻主机、冷冻水泵及末端风柜的功耗，起到一定的节能节水作用。

数据中心冷冻水供回水温度采用大温差冷冻水系统，提高冷冻水供回水温度方式(14/21℃)，7℃大温差下有效降低空调循环水量，降低冷冻水泵的能耗，最终达到降低冷却循环水量目标。

3.3 采用屋面雨水作为冷却水补充水源

对于降雨充沛的地区，以广州为例，年均降雨量为1657.2mm，是我国雨水资源最为丰富的地区之一，据相关气候资料显示，4-9月月均降雨量大于200mm，降雨量大，降雨分布相对均匀，水量保证率高，非常适合对雨水进行收集利用，其次广州总体大气质量良好，雨水酸度低，污染少，屋面雨水较为洁净，处理过滤工艺简单运维成本低，能快速作为冷却水补充水源。

以广州某数据中心为例进行详细分析，统计广州市51年降雨数据得其年均降雨量 1657.2mm，年均降雨次数为142.3次。1年一遇日降雨量为51.8mm。屋面汇水面积约为8000㎡，雨量径流系数取1。

3.3.1 根据设计日降雨量计算储水池容积

按照1年的降雨重现期计算,屋面可收集雨水量为:

3.3.2 根据需水量计算水池容积

W=QT

式中：

W--雨水调蓄储水池的容积，m³；

Q--用水点日用水量，m³/d; 

T--雨水利用天数，d。

空调冷却循环水量为11400m³/h，按节水经验公式计算，空调冷却补水量为11400x0.7%=79.8m³/h=19152m³/d。由于空调用水量较大，水池容积计算需考虑一场雨实际收集雨水量，按日均冷却补水量的20%进行补充用水计算，日补充水量为1915.2x20%=383m³，雨水利用天数取3d，即W=383x3=1149m³。

调蓄水池容积是根据需水量及可收集天数对比确定的。本项目园区绿地下方设置一座1150m³的PP调蓄水池，收集屋面雨水，经简易处理后，作为空调冷却系统的补充水量。

3.4 采用节水效果好的空调系统

目前大型数据中心日用水量计算，占总用水量95%~98%用水为空调冷却补水量。随着近几年不断出现的空调制冷新技术推广及应用，数据中心制冷系统也越来越多样化，由过往单一的水冷冷水机组制冷系统，发展到采用江水源热泵机组、间接蒸发冷水机组及全效模块化风冷冷水机组等制冷机组作为数据中心冷源使用。特别是江水源热泵及全效模块风冷冷水机组，这两种系统没有冷却塔设备，不需要考虑冷却塔补水，空调补充水量只需考虑膨胀水箱补水及末端加湿设备补水，空调补充水量能降低 98%以上，WUE计算结果基本控制在2~2.5L/kWh。

4 结束语

通过本文论述，WUE是一个复杂的计算过程，需要不断修正计算，还需要与空调专业及时提资及配合，是一个系统性的工程；通过对IT设备的所有用水点进行节能方案优化，从而达到满足降低WUE值的目的。

来源：道客巴巴