摘要
维持整个循环水系统的水量平衡和矿物质平衡，使循环水水质符合运行标准，降低PUE、WUE，是数据中心运维的重点工作。1.对水的认识1.1 制冷系统为什么选择水作为载冷剂
一. 水的物理性状和化学性状是作为空调系统载冷剂的最佳选择（1） 在使用温度范围内，不凝固、不汽化；（2） 在所有的固态和液态物质中，水的比热容大，输送一定冷量所需流量小；（3） 密度小，黏度小，可减少流动阻力，降低循环泵功耗；（4） 导热系数大，可减少换热设备的传热面积；（5） 无毒，化学稳定性好，对金属不腐蚀；二. 水对环境的影响较小；三. 来源充裕，更易制取，价格低廉，经济性高。1.2 水中杂质的主要成份
水中杂质的主要成分按颗粒从大到小分类：悬浮物质、胶体物质、溶解物质（离子和分子）；
1.3 水质评价的三个维度
水质是指水和其中所含的杂质共同表现出来的物理学、化学和生物学的综合特性。水质指标是表示水中所含杂质的种类、成分和数量，是判断水质的具体衡量标准。以下是水质指标的分类：物理性指标感官性状指标温度、色度、嗅和味、浑浊度、透明度等
其它物理性水质指标电导率，总固体、悬浮固体、溶解固体、可沉固体的含量
化学性指标一般的化学性水质指标pH值、碱度、硬度、各种阳离子、阴离子含量，总含盐量、一般有机物质含量等
有毒的化学性水质指标重金属、氰化物、多环芳烃、农药含量
氧平衡指标溶解氧DO、化学需氧量COD、生化需氧量BOD、总需氧量TOC
生物性指标
细菌总数、总大肠菌数、各种病原细菌、病毒含量
1.4 空调循环水需要重点关注的水质指标
1.4.1 电导率
电导率是指一定体积溶液的电导，即在25℃时，面积为1平方厘米，间距为1厘米的两片平板电极间溶液的电导，等于电阻的倒数，单位为mS/m或μS/cm。水中溶解的盐类均以离子状态存在，具有一定的导电能力，因此电导率可以间接地表示出水中溶解盐类的含量。电导率的大小，在一定程度上综合反应了循环水的整体水质情况。电导率的大小，受溶液浓度、离子种类及价态和测量方法的影响。通常可以通过控制电导率指标来控制空调系统循环水的排污量和循环水的浓缩倍数。1.4.2 PH值
PH（hydrogen ion concentration）值，氢离子浓度指数。pH的应用范围在0-14之间，当pH=7时水呈中性，对于空调循环水而言，pH愈小，水的酸性愈大，腐蚀的趋势越大；当pH>7时水呈碱性，pH愈大，水的碱性愈大，系统结垢的趋势越大；1.4.3 硬度
硬度通常是指水中含有的Ca2+、Mg2+离子总量。按阴离子分，可分为碳酸盐硬度，由Ca2+、Mg2+的碳酸盐、重碳酸盐所形成，可经煮沸而除去,也叫暂时硬度。Ca(HCO3)2=CaCO3↓ + CO2↑ +H2O非碳酸盐硬度，由Ca2+、Mg2+的硫酸盐、氯化物等形成，不受加热的影响，成为永久硬度。总硬度 = 钙硬度 + 镁硬度 = 碳酸盐硬度 + 非碳酸盐硬度硬度的单位：mmol/L、mg/L(以CaCO3 计)，对于空调循环水而言，硬度越高，结垢的趋势越大。1.4.4 碱度
通常用水中所含能与强酸定量作用的物质总量来标定。水中的CO32-、HCO3-、OH-是主要的致碱度阴离子。碱度的测定：用中和滴定法进行。用酚酞为指示剂测得的碱度为酚酞碱度P。用甲基橙为指示剂测得的碱度为甲基橙碱度 ,或称总碱度T。从酚酞变色到甲基橙变色之间的，所用去的H+的物质的量，为M。T=P+M以下是碱度的计算表滴定结果氢氧化物碱度[OH-]碳酸盐碱度2[CO32-]重碳酸盐碱度[HCO3-]
P=000T
P＜1/2T02PT-2P
P＝1/2T0T0
P＞1/2T2P-T2（T-P）0
P＝TT00
pH与碳酸盐：pH＞10，T=氢氧化物碱度;8.3＜pH＜10，T=2[CO32-]+[HCO3-];4.5＜pH＜8.3，T=[HCO3-];pH＜4.5，T=0;以下是碱度与酸度pH值的关系：
可以看出，碱度只存在于pH=4.5以上，水中存在HCO3-和CO32-离子，在合适的温度和浓度下，能与Ca2+、Mg2+离子结合，形成难溶的碳酸盐，当水中碳酸盐浓度上升到饱和浓度以上，就会结晶析出，在传热表面沉积，形成难溶的水垢。
1.4.5 浊度
水中由于含有悬浮物及胶体状态的杂质而产生浑浊现象。水的浑浊程度可以用浑浊度来表示。主要由尘粒、腐蚀产物、微生物残骸、油等组成。悬浮物和胶体物质容易沉积到系统中水流慢、表面毛糙、或有粘性的地方，形成软垢，堵塞热交换器、泵、管道和阀门，造成水压升高、流量减少、甚至造成系统彻底的不可挽回的损坏。同时也给微生物提供了繁殖的温床，导致生物污染和垢下腐蚀。1.5 水中的各种粒子对水质及设备的影响
分类子类对水质及设备影响
水中的阳离子Na+、K+Na+是水中最为常见的阳离子，Na+、K+的存在使水的电导率上升，增加了水的不稳定倾向
Ca2+、Mg2+Ca2+、Mg2+是组成水中硬度的主要离子，在一定的条件下，常在受热设备的表面结垢，影响传热效果
Fe3+、Mn2+Fe3+、Mn2+很容易生成氢氧化铁、氢氧化锰，然后沉淀形成水垢，使水的呈黄褐色浑浊状态
Cu2+使碳钢、不锈钢、铝等设备产生点蚀，冷却水水质中对铜离子的要求日益严格，一般为≤0.2mg/L，最好≤0.1mg/L，对于有铝材的系统，要求≤0.04mg/L
Al3+容易造成沉积与腐蚀，如铝的絮体，磷酸铝
Zn2+水中的浓度随水的pH值的增加，水中Zn2+浓度急剧下降，当pH＝8.0～9.5时，Zn2+浓度只能保持在1.0～0.2mg/L左右。锌盐一般会用作缓蚀剂，但是在1.0～0.2mg/L这样低的Zn2+浓度下很难使碳钢的腐蚀速度控制在0.125mm/a以下，因此会配合使用锌离子的稳定剂进行水处理
水中阴离子CO32-、HCO3-、OH-水中能与强酸发生中和反应的全部物质，其中CO32-、HCO3-、OH-是主要的致碱度阴离子，水的碱度越高，结垢的趋势越大
cl-氯离子是铁金属的一种催化剂，而不是腐蚀剂，高浓度的氯离子对铁金属的均匀腐蚀、缝隙腐蚀、点蚀以及应力腐蚀开裂都有不利的影响
SO4-2水垢的重要阴离子，可转化成H2S恶臭和腐蚀现象
PO4-3磷酸盐可以在碳钢表面形成致密的保护膜，抑制金属的腐蚀，延长设备使用寿命，用量要适中，多了会结磷酸钙垢，极难清洗
SiO4-4在循环冷却水中，当硅酸根含量过高，加上水中的硬度较大时，易与钙离子生成硅酸钙，硅酸钙较难清洗，应尽量避免。一般控制循环冷却水中的SiO2含量不超过175mg/L
2.空题水系统的运行原理空调水系统，由冷冻水和冷确水两部分组成。冷冻水属于闭式系统，正常运行情况下水量消耗很小，补水量很少。冷却水多数属于开式系统，正常运行情况下，需要一定温度的水作为冷却介质，水量消耗大。这个用作冷却介质的水，可以是大量的井水、湖水，河水等等。但多数应用场景并没有大量的合适温度的水来作为冷却介质，因此，通常的做法是采用冷却塔，将一定量的水进行降温，循环利用。以下是冷却水系统运行原理图：
正常情况下，水的性状是稳定的。但冷却水在循环利用的过程中，需要通过冷却塔的不断蒸发来带走热量，随着水的大量的蒸发，冷却水会被不断浓缩，再合适的温度下，浓缩后的水就可能在局部产生过饱和状态，水中所含的矿物质、微生物等就会沉淀析出，水的性状就会产生变化，这种变化会对整个空调系统产生各种不良影响。因此，为解决这个问题，就需合理的补水、添加药剂、排污，以维持整个系统的水量平衡和矿物质平衡，保持水的性状稳定。因此，空调循环水处理的重点就是维持整个系统的水量平衡和矿物质平衡，让水在循环的过程中保持稳定的性状，减少对整个空调系统的不良影响。3.空调循环水要解决的问题冷冻水系统为闭式系统，冷冻水不与外界环节接触，水处理主要是解决腐蚀问题。冷却水系统多数为开式系统，冷却水会直接与空气接触。因此，冷却水处理需要控制腐蚀、结垢、软垢、微生物。3.1 管道和设备腐蚀
空调水系统的的管路及设备内部的管路，多使用金属管焊接而成，由于金属表面的不均匀性（成份，和金相结构的不均匀性，应力及表面伤痕）和溶解氧的去极化作用，使金属和水构成了热力学的不稳定体系，从而产生氧化还原的电化学腐蚀。常见的腐蚀形态有点蚀和垢下腐蚀。3.1.1 点蚀
点蚀是最常见的腐蚀形态，经常发现在高温区、晶格缺陷处、切削部位、表面划痕或裂纹处。
阳极区：在金属高温区、表面的冶金缺陷部位（切痕、划伤或裂缝处），离子浓度不对等或者氧浓度差异，形成具有高活活的局部阳极电位区。
点蚀深度与大阴极和小阳极的面积比率成正比关系，点蚀常发生在腐蚀产物的下面。
3.1.2 垢下腐蚀
沉积物控制不善，会引起垢下腐蚀及微生物诱导的腐蚀。一旦发生，腐蚀会循环加剧，药剂也无济于事。低流速区域易发生。3.1.3 影响腐蚀的因素
影响因素子项具体原因
化学因素pH值当低于4.3时，影响腐蚀最有效因素是pH值，即增加氢离子浓度能加剧腐蚀；界于4.3～10.0，腐蚀率受到影响要小些；pH增加到12以前，腐蚀速率不断下降，达到12时腐蚀率最小。再继续增大，腐蚀率又开始增大
溶解盐溶液电导率的升高使初期腐蚀速度也升高；像Cl-、SO42-等腐蚀性离子，可以破坏金属的阳极氧化保护膜，从而进一步加速腐蚀；构成硬度和碱度的离子对腐蚀却有抑制作用；在电解质浓度高的水中，氧的溶解度下降，所以含盐量高时腐蚀速度降低
溶解气体溶解氧的数量与水温、水压、暴露于大气的水面积直接有关。起去极化作用，会促进腐蚀
二氧化碳溶于水后形成碳酸，增大水的酸性，有利于氢的逸出
氨会选择性地腐蚀铜：NH3 + H2O = NH4OH NH4OH + Cu2+ = Cu(NH3)2+ + H2O
硫化氢导致pH降低；与铁形成硫化铁（阴极），与铁形成电偶腐蚀。
悬浮物主要是易沉积在换热器表面引起垢下腐蚀。当冷却水流速过高时，颗粒容易对硬度较低的金属或合金产生磨损腐蚀。
物理因素温度温度升高，腐蚀的化学反应速度就提高。
金属相对面积腐蚀速率与阴极和阳极面积的比例成正比关系。
流速流速增加使腐蚀速度增加。
不同金属不同金属的接触而引起的腐蚀称为电偶腐蚀
微生物微生物使得氢新陈代谢，导致腐蚀电池去极化。厌氧菌会形成浓差电池，加快局部腐蚀；某些种类的细菌还会产生酸性化合物；去磺弧菌属是硫酸盐还原菌，可使硫酸盐生成硫化氢；硫杆菌属把硫酸盐氧化成硫酸。
3.2 结垢的问题
在空调系统的运行过程中，随着冷却水的蒸发浓缩，冷却水中的Ca2+、Mg2+离子浓度不断升高， 与水中存在HCO3-和CO32-离子，在合适的温度和浓度下，形成难溶的碳酸盐，当水中碳酸盐浓度上升到饱和浓度以上，就会结晶析出，形成难溶与水的硬垢，在传热表面沉积，不易清除。3.2.1 结垢的过程
结垢的过程成是一个缓慢、动态的过程，如下图：
3.2.2 结垢的影响
蒸发器的小温差是指蒸发器中制冷剂的饱和温度与冷冻水出口温度的差值，冷凝器的小温差是指冷凝器中制冷剂的饱和温度与冷却水出口温度的差值。结垢会直接影响换热器的换热效率，造成小温差上升，使空调系统的能耗增加。
从图上可以看出，随着沉积物厚度的增加，换热器的换热效率下降，制冷压缩机就需要做更多的功，也就是需要更多的能耗来维持系统的运行。以下是小温差变化对冷机能耗的影响：假设：冷水机组为600RT，制冷效率0.6KW/R，电价1元，日作业时间24H，年作业时间180天，设冷凝器初始值3℃，则冷凝器趋近温度每上升1℃带来3%-5%能耗的增加（特灵约3.14%-3.46，麦克维尔约3.24%-3.35%，美国空调制冷协会约4%，采暖通风与空气调节国标3%-5%）。
3.2.3 容易发生结垢的地方
温度高的地方（冷凝器管路）
表面毛燥的地方
水流慢的地方
过度蒸发的地方（冷却塔填料外边沿）
没有合适水处理的现场
3.3 软垢
由于冷却水属于开式系统，随着冷却塔中水的不断蒸发，系统需要大量的补水，补水水源中携带的泥沙、微生物、细菌、油污等就会不断进入循环水。另外蒸发过程中需要接触空气，空气中携带的灰尘、微生物、细菌等都会带入水体。水中所含的尘粒，腐蚀产物，微生物残骸，油等悬浮物沉积到系统的某个地方就会形成软垢。3.3.1 容易产生软垢的地方
软垢倾向于沉积在水流慢、表面毛糙、有粘性的地方。因此，系统中的水池、水箱和换热器的壳程等水速较慢或流速突然发生变化的位置就容易形成软垢。3.3.2 软垢造成的影响
与硬垢不同，软垢质地较软，在水体中不均匀分布，较易清除。但大量的软垢会造成管路堵塞，管路压力升高，流量降低，水泵能耗增加。同时为结垢提供晶核，加速结垢的产生。另外，有机物作为微生物的养料，常常使阳极型抑制剂还原。油污常黏附在金属表面，起着一种污垢黏合剂的作用。油膜影响传热效果，是微生物的营养源，阻止抑制剂达到金属表面，影响钝化效果。因此，软垢沉积物又会加速腐蚀的产生。3.4 微生物
冷却水中发现的微生物有藻类、真菌、细菌。循环冷却水中的大多数问题的产生都与微生物有关。3.4.1 藻类
藻类生长的三个基本要求：空气、水、阳光。因此，藻类常以绿色团块浮游在冷却塔分配板上，或粘附在冷却塔结构本身。蓝-绿藻可将空气中的氮固定为有机氮化合物，从而引起亚硝酸盐的加速变质。硅藻由于其细胞壁包含着聚合的乳白色的二氧化硅，将导致氧化硅垢。所有的藻类会产生氧，使腐蚀反应去极化，加速管道腐蚀。3.4.2 真菌
包括一切植物界非光合作用的有机物的总称，单细胞、群体或丝状的。缺少叶绿素，不能进行光合作用。通常以其它有机物提供的代谢物为为食。约10%的真菌能利用木头作为有机营养物来源。孢子具有抗杀生剂的能力。3.4.3 细菌
需氧的、囊状细菌会产生细菌粘泥。枯草芽孢杆菌以及其它好氧的孢子形成菌所产生的黏液，具有孢子能力，给杀菌带来困难。好氧硫细菌能将硫、硫化物或硫酸盐氧化为硫酸。在局部可使硫酸达10%，pH值下降到1.0。3.5 相互关系
总结
水处理要解决的问题
分类
危害
腐蚀
损坏设备，缩短设备寿命，增加维修费用，腐蚀产物成为软垢的一部分，使软垢增加。
结垢
阻碍热交换器的热传导效率、降低水流量甚至堵塞管路或换热器，引起垢下腐蚀，增加能耗及维护费用。
软垢
非常类似于结垢，影响传热，为结垢提供晶核，堵塞管道，为微生物生长提供条件。
微生物
微生物会导致系统中所有问题的发生，主要以生物膜型式在系统内附着（一旦形成生物膜，常规的杀菌就很难有很好的效果）
