以污水为冷源的冷板液冷系统方案构想

马晓勇 孙永才 彭学文 冯锦基 蒋传有 廖润球

摘  要：文章阐述了冷板液冷系统的工作原理，介绍了城市污水、冷板液冷技术的特点，提出了以污水作为冷源的冷板液冷系统的方案构想，并分析了其优点与不足。

关键词：污水;冷板;液冷系统

中图分类号：X799.3        文献标志码：A       文章编号：2095-2945（2019）27-0136-03

Abstract： This paper expounds the working principle of the cold plate liquid cooling system， introduces the characteristics of the urban sewage and the cold plate liquid cooling technology， puts forward the scheme conception of the cold plate liquid cooling system with sewage as the cold source， and analyzes its advantages and disadvantages.

Keywords： sewage; cold plate; liquid cooling system

引言

人类社会的发展离不开能源，当今主流的能源依然是煤、石油、天然气等一次化石类能源。化石燃料的使用给人类社会提供了源源不断的动力，但也带来了城市雾霾、酸雨、温室效应等负面问题，寻找绿色、环保的可替代能源已是当今世界的重要课题。城市污水作为一种流量大、温度波动范围小、载热能力强，可回收再利用的“资源”，现今得到人们越来越多的关注。

与此同时，大数据时代的到来带动数据中心行业蓬勃发展，为机房空调提供了广阔市场。作为针对服务器降温、散热的一种空调技术，液冷技术与传统风冷散热方式相比，其具有降温效果好，散热稳定等优点。本文针对城市污水温度恒定、供给充足等特点，构想了一款将城市污水作为冷源、以数据中心为服务对象、以冷板式液冷技术为应用原理的小型数据中心制冷系统——污水源冷板液冷系统。

1 城市污水的特点

1.1 水温全年波动区间稳定，受环境温度影响较小

城市污水经污水厂过滤、沉降、生物净化处理后排出。由图1可知，经处理后的污水最低温度为11℃，最高温度为27℃，全年温度波动在9.8℃～15.0℃之间。即使在炎炎夏日，水温亦远低于大气环境温度;而在冬季，水温则始终保持在零度冰点以上[1-4]。

1.2 城市污水量大，利用潜能高

图2呈现了我国在2013年至2017年间的污水产生量。可以看出，我国污水年产生量约在700亿吨左右，利用潜能巨大。随着我国城市化进程的不断推进，越来越多的人涌入城市，在可预见的未来，城市污水量将呈逐年上涨趋势。现如今，如何将城市污水变“废”为宝，已是一项重要课题。城市污水已作为热源在污水源热泵领域得到利用，与此同时，城市污水作为冷源亦有一定的应用前景。

2 冷板液冷技术的原理与特点

2.1 原理

冷板液冷技术可从局部和整体两个维度叙述其原理。从局部角度出发，如图3为一个冷板结构，图中导热片的正反两面分别与发热CPU、热管的蒸发段接触。热管蒸发段内制冷剂发生相变，由液态变为气态，吸收CPU的热量，并将热量传递到热管的冷凝段。温度较高的热管冷凝段与温度较低的载热介质接触，热管内的制冷剂由气态变回液态，热管放出热量并将热量传递给载热介质（通常为去离子水、乙二醇水溶液或氟化液等）。因此，能量传递过程可简化为：CPU产生的热量经由导热片、热管、冷板传递到载热介质中，并最终带离服务器。

那么，热量被带离服务器后，又将被如何带离数据中心？图4显示的是冷板液冷系统CDU（Coolant Distribution Unit）的运行原理。从整体角度来看，冷板液冷系统可分成一次侧外循环（冷源端）与二次侧内循环（热源端）两个分离的子系统，外循环的终端连接着外部冷却塔，内循环终端则连接着服务器内部的冷板结构。作为热量的有效载体，两个子系统内的工质可以相同，如水-水组合、乙二醇水溶液-乙二醇水溶液组合;亦可不同，如水-乙二醇溶液組合，两者通过板式换热器高效换热。

以流质均是水为例，二次侧内循环进入板式换热器的流质为承载着CPU热量的热水;外循环进入板式换热器的流质为经由冷却塔处理后的冷冻水，通过板式换热器，两侧的流质进行有效换热，服务器内部的热量也经由二次侧传递到一次侧，最终由一次侧的末端冷却塔排出CDU系统。如图所示，循环泵是内循环的“动力源”，一般实际工程中通常会安置两个，分别用作运行泵和备用泵。膨胀罐则起到稳定、平衡系统压力，维持系统稳定性的作用。二次侧阀则是用来调节、稳定服务器进水端、排水端压差，同时兼顾调节压力的作用。图5显示了申菱公司的一款液冷CDU产品在稳定运行15个小时内，一次侧外循环和二次侧内循环在板式换热器的进、排水温度。该产品内、外循环的载热介质不相同，外循环的载热介质为水，内循环的载热介质是乙二醇水溶液。此外，内、外循环载热介质的流量亦会根据系统的实际运行情况加以动态调整。

由图5可以看出，板换外循环的排水温度与板换内循环的进水温度相接近。流经板式换热器后，二次侧内循环工质的降温幅度在0.9℃到3.4℃之间，而二次侧板换的进水温度则间接反映了当前状态下服务器的工作负荷。此外，随着时间的推移，外循环的进水温度变化不大，则反映冷却水塔工作正常、运行良好。从图中的数据可以得出，在稳定运行的15个小时区间内，一次侧外循环进、排水温度以及二次侧内循环进、排水温度的平均数分别为11℃、22.1℃、22.4℃、19.6℃。板换的外循环进水温度与城市污水的温度范围存在部分重合。

2.2 特点

冷板式液冷技术主要应用于机房空调服务器散热领域，是风冷散热的一种可替代技术。众所周知，CPU、内存、硬盘等部件直接决定着服务器的运算能力和运行速度，当散热效果不佳，服务器内部温度达到、甚至超过上述核心部件的承载极限时，其运行的稳定性及使用寿命将受到影响。随着服务器的更新迭代，运算能力提升的同时，也伴随着产热量的激增，传统的风冷型散热已难以达到给服务器有效降温的目的。

此外，风冷散热亦受限于环境温度，高温环境会抑制服务器热量的散出，因此采用风冷散热的数据中心多建于纬度高、终年温度较低的地区，存在一定的地域限制。

与风冷散热相比，冷板液冷技术具有显著的优越性：（1）作为液冷系统中较常用的载热介质，去离子水、乙二醇水溶液等流体具有较大的比热容，载热能力强，可从服务器中移除更多的热量;（2）与风冷型的空气对流相比，冷板中的导热片直接与CPU接触，换热效果好，相比之下空气的传热能力较差;（3）冷板中的热管蒸发段与导热片接触，热管内制冷剂受热发生相变，因而可从服务器中吸取更多热量。

3 以污水作为冷源的冷板液冷系统方案构想

污水源冷板液冷系统方案的提出，是依据我国污水量充沛、且温度波动区间小等特点，所进行的合理化应用构想。本系统从排水干线中抽取净化处理后的污水，作为外循环的载热介质。其具体的实施方案如图6所示。

污水处理厂收集生活污水，并经过滤、沉降、生物净化处理后将其释放到污水排水干线。本系统中，循环泵作为动力源，抽取排水干线中的污水进入一次侧（外循环）管道系统，图中循环泵1为运行泵，循环泵2为备用泵。考虑到系统的运行稳定性，避免污水中仍存在较大颗粒堵塞管路，本系统配备了过滤器。过滤器为可拆卸过滤器，如图所示，在过滤器需要更换时，则可通过控制截止阀改变水的流向，方便过滤器的更换。本系统中，蓄水池1起到聚集污水来水，保证水量、稳定水压的作用。经由蓄水池1后，污水再次通过截止阀、过滤器等器件进入板式换热器参与换热。待吸收二次侧（内循环）的热量后，污水由循环泵泵入蓄水池2，最终重新排放回污水干线中。

4 优点与缺点

4.1 优点

如图7所示为普通液冷系统一次侧（外循环）简化图，服务器热量通过板式换热器传递到外循环，升温后的外循环载热介质通过冷却水塔进行降温。以开式冷却水塔为例，其耗水量以及耗电量是需要关注的两个重要参数。由于服务器通常始终保持运行状态（不考虑特殊情况停机），即意味着液冷系统也在实时运行，那么冷却水塔的耗电量、以及水的损耗量都将是十分巨大的。在当前工信部要求：“到2020年新建大型、超大型数据中心的能耗效率（PUE）应保持1.4以下”的大背景下[5]，降低冷却水塔的总耗电量将是一种降低数据中心PUE（Power Usage Effectiveness）的有效方法。

图6系统中的污水则起到了替代冷却水塔的作用。前文已提到，污水的温度范围部分符合液冷系统外循环供水温度的需要。其次，该系统使污水充分做到“从哪里来回哪里去”，省去了耗电巨大的降温环节，避免了冷却水塔的使用。

4.2 缺点

该系统组成较为复杂，施工难度大，工程成本高。相较于纯净的生活用水，污水的成分更加复杂、且难以判定。污水对金属管道的腐蚀性较强，因而该系统对输水管路的材质、金属表面处理等要求更为苛刻。在工程实践中，也应考虑到污水中存在较大颗粒物等情况，所以在水泵的选择上应提前做好预判、合理进行选配，亦或借鉴污水源热泵中常用的水泵类型。此外从地域角度出发，污水处理厂多位于城市郊区，而服务器数据中心则多位于供电充足、交通便利的市中心区域，两者具有一定的地理矛盾性。

5 結束语

我国城市污水利用潜能巨大，当今人们对污水的利用主要集中在污水源热泵领域，而以污水作为冷源的研究较少。与之相比，冷板液冷技术作为新型的机房空调手段，现今得到人们越来越多的关注。本文尝试性地将两者结合一起，既可使污水作为冷源加以利用，又可借此消除液冷系统在外循环冷却水塔产生的能耗。但该构想也存在一定的缺陷，如系统结构复杂、施工难度大、成本高、地理矛盾性等。且该构想仅处于方案提出、理论论证阶段，还未进行实际施工、实验验证等工作，其可行性还有待进一步考证。

参考文献：

[1]吕鑑，冯彦刚.城市污水低位热能回收利用的研究[J].工业用水与废水，2002，33（1）：10-11.

[2]周双.重庆市城市生活污水热能利用的研究[D].重庆：重庆大学，2008：8-9.

[3]贾玉鹤，李晶，刘洪波，等.污水源热泵系统在沈阳地区的应用前景分析[J].中国给水排水，2007，23（16）：1-2.

[4]陈颖.再生水源热泵工程应用分析研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2009：20-30.

[5]苏林，董凯军，孙钦，等.数据中心冷却节能研究进展[J].新能源进展，2019，7（1）：94.