积水成渊——数据中心用水效率分析

引言

现在人们一提起数据中心,首先想到的关键词是PUE(数据中心电力使用效率的衡量指标),由此可见人们对数据中心电力资源的重视程度。而另外一种资源——水,却往往被人们所忽视。

水,在维基百科中有这样一句解释:“水(化学式:H2O)是包括人类在内所有生命生存的重要资源,也是生物体最重要的组成部分”。水也被称为人类生命的源泉。

同样,对于数据中心来说,水好比人的血液。水出了问题的数据中心是无法正常运营的。那么,在数据中心有哪些地方会用到水呢?接下来我们以腾讯某数据中心为例做详细说明。

腾讯某数据中心用水项分析

腾讯某数据中心的制冷系统是国内少有的大型水冷系统,冷却水侧配有开式冷却塔和冷却水加药装置;末端是冷冻水型精密空调、AHU和高压微雾加湿设备;配电侧还有大型柴油发电机组。所以该数据中心用水情况如下:

1.冷却水蒸发

冷却水蒸发汽化,从而间接的带走机房内服务器产生的热量。这是水冷型数据中心耗水量的主要部分之一。

2.冷却水排污

由于腾讯某数据中心采用开式冷却塔,而且水温较高,所以必须对冷却水系统进行加药,防止冷却水系统结垢、细菌滋生、管壁淤泥附着。加药的同时必须要配合冷却水的排污来控制冷却水浓缩倍数。否则达不到水处理的效果。这也是数值中心耗水的主要部分之一。

3.IT房间加湿用水

该数据中心所在地区冬季湿度较低,机房内湿度无法保证,必须依赖加湿设备维持机房内湿度。

4.加湿软化水设备用水

该数据中心采用高压微雾的加湿方式,所以对加湿水质有很高要求。在高压微雾前端有两道水过滤装作,一个树脂过罐,对市政水做第一次过滤,一个是反渗透装作,做第二次过滤。单支膜产水量一般为15%-18%。

5.冷冻水补水

冷冻水系统一般均为闭式系统,但管路上、水冷空调前端也会安装水过滤器或反冲洗装置,都是需要定期拆卸清洗的,所以会有少量冷冻水损失。另外,该数据中心有一个1000+m³的蓄冷罐,蓄冷罐顶端直接与大气相连,会有很少一部分水蒸发。所以还是有一部分冷冻水消耗。

6.设施维护用水

该数据中心的冷却塔为开式冷塔,所以冷塔塔盘会有很多淤泥和杂物等,需要对塔盘做定期清洗。

7.柴油发电机烟囱净化用水

柴油发电机在启动时,会产生黑烟,所以柴发在安装时都会有烟雾净化设备。

腾讯某数据中心用水项比例分析

腾讯某数据中心用水情况,我们选取了夏季和冬季各一周的时间,分析各用水数据及所占比例,如下图所示:

由此可见,季节不同,数据中心各项用水比例会发生明显变化,但主要用水项为:冷却水蒸发、冷却水排污、设施维护及加湿用水。数据中心电力使用效率有PUE作为衡量指标,那用水效率用什么来衡量呢?请往下看——

水使用效率指标

其实早在2011年,绿色网格就发布了《WATER USAGE EFFECTIVENESS (WUE™): A GREEN GRID DATA CENTER SUSTAINABILITY METRIC》白皮书,其中引入一个新的名称WUE(Water usage effectiveness),即水使用效率。

计算公式为:

WUE= Annual Water Usage/ IT Equipment Energy

即数据中心水资源全年消耗量(数据中心机电设备全年用水量,包括加湿、冷却塔补水等全部设施全年耗水量)与数据中心IT设备全年消耗电量的比值,单位为L/kwh,以此作为衡量数据中心水使用效率的指标。

对于PUE来说,其理想值为1,而对于WUE来说,其理想值为0。

降低WUE方法

1.提高供水温度

在冷机开启的时间段内,提高冷却水温度,不仅仅节省冷塔风扇做功消耗的电量,而且还会使水蒸发量有所减少。

在冬季板式换热器开启的时间段,提高冷冻水供水温度,使冷却水温度提升(板换开启后冷却水直接给冷冻水降温),蒸发量也有所减少。

2.合理的加湿设定范围

一般的数据中心机房内相对湿度保持在40%-60%之间。而腾讯某数据中心采用的是ASHRAE 2008的标准,其低端和高端湿度用露点温度来衡量,分别是5.5℃和15℃,转换成含湿量在5.5g/kg-10.6g/kg之间,腾讯某数据中心内服务器送风温度一般维持在26℃±1℃,换算成相对湿度范围为26%-51%。所以腾讯某数据中心加湿设定都比较低。

3.提高冷却水浓缩倍数

冷却水做水处理加药,必定要配合着排污,来控制冷却水的浓缩倍数,从而控制冷却水中钙镁离子的含量,延缓管道及设备结垢。那么浓缩倍数控制在多少合适呢?一般情况做水处理的厂商会建议4倍浓缩倍数,跟进每周检测补充水的电导率调整冷却水排污电导率设定值。由于冷却水排污量比较大,我们一致在尝试逐步提升排污电导率设定,目前我们控制冷却水浓缩倍数在5倍左右。

4.提高反渗透进水水质及温度

适当增加反渗透膜的数量或提升进水水质,会提高产水量,减少废水排放。

进水水温每提升1℃,产水量会提升2.5%-3.0%(以25℃为标准)。

5.适当安排设备日常维护

举个例子,腾讯某数据中心有一项例行维护是冷塔清洗,最初的清洗频次为每月一次,但后来由于冷却水系统做了加药处理后,清洗频次修改为累计运行2个月后清洗,这样的安排后就更加合理。不仅仅节省了人力成本,也提供了数据中心用水效率。

6.废水污水处理二次利用

对数据中心排放的废水(冷却水排污、冷凝水、生活用水等)回收再利用。

对于雨水充足地区可做雨水收集利用。

总结

数据中心的可持续发展不仅仅有PUE这一项标准,还有WUE、CUE(carbon usage effectiveness)碳使用效率等等,未来可能还会有xUE(未知资源使用效率)。虽然在现有的数据中心的运营成本中,水费的占比并不大,但本着对保护环境负责的态度,我们会一如既往地珍惜水资源,在可持续发展的道路上坚定不移。

注:本文部分数据来源于the green grid《WATER USAGE EFFECTIVENESS(WUE™): A GREEN GRID DATA CENTER SUSTAINABILITY METRIC》白皮书。

原文发布于微信公众号 - 腾讯数据中心(Tencent_IDC)

原文发表时间:2017-09-01

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