ВОДОПОДГОТОВКА ДЛЯ ДАТА-ЦЕНТРОВ (ЦОД И ЦХОД)

Для дата-центров требования к воде варьируются от высокой чистоты и диэлектрических свойств (DLC, TLC Immersion, Magnotherm) до контроля коррозии и накипеобразования (ILC, Геотерма вторичный контур). RO является основой для большинства систем, в то время как EDI критически необходим там, где вода контактирует с электроникой или чувствительными материалами. Химическая обработка обязательна для замкнутых контуров ILC/Геотерма для защиты оборудования. Геотермальные системы используют чистую воду только во вторичном контуре ЦОД, первичный контур требует гликолевой смеси.

1. ВОДОПОДГОТОВКА ДЛЯ КОСВЕННОГО ЖИДКОСТНОГО ОХЛАЖДЕНИЯ (ILC) / ПРОМЕЖУТОЧНЫЕ ВОДЯНЫЕ КОНТУРЫ (CRAH, RDHx, InRow):

Критически важные параметры:

• Жесткость (Ca²⁺, Mg²⁺): < 5 ppm (как CaCO₃). Предотвращает образование накипи.
• Хлориды (Cl⁻): < 50 ppm. Основная причина точечной коррозии нержавеющей стали и меди.
• Сульфаты (SO₄²⁻): < 50 ppm. Коррозия, отложения сульфатов.
• Кремнекислота (SiO₂): < 20 ppm. Образует трудноудаляемые силикатные отложения.
• Железо (Fe), Марганец (Mn): < 0.5 ppm. Отложения, катализаторы коррозии.
• Растворенный кислород (O₂): < 0.1 ppm (контролируется ингибиторами). Коррозия.
• pH: 8.0 - 9.5 (сталь/медь). Защитная пассивирующая пленка.
• Микроорганизмы: Контроль. Биопленки снижают КПД теплообмена.

Методы водоподготовки:

• Базовый уровень: Обратный осмос (RO). Эффективно удаляет ионы жесткости, хлориды, сульфаты, кремнекислоту, частицы.
• Обязательно: Химическая обработка: ингибиторы коррозии (на основе молибдатов, фосфонатов, азолов). Ингибиторы накипеобразования (фосфонаты, полиакрилаты). Биоциды (неокисляющие: изотиазолиноны; окисляющие: пероксид водорода - с осторожностью к материалам).
• Дополнительно (для больших/критичных систем): Ионный обмен (умягчение перед RO), УФ-стерилизация, деаэрация.
• Мониторинг: Автоматический контроль pH, проводимости, содержания ингибиторов.

2. ВОДОПОДГОТОВКА ДЛЯ ПРЯМОГО ЖИДКОСТНОГО ОХЛАЖДЕНИЯ (DLC):

Критически важные параметры:

• Удельное электрическое сопротивление: >15 МОм·см (Обязательно). Низкая проводимость предотвращает короткое замыкание при микроутечках.
• Ионы (Na⁺, Cl⁻, SiO₂ и др.): Микрочастей на миллиард (ppb). Ионы повышают проводимость и вызывают коррозию/отложения.
• Растворенные газы (O₂, CO₂): Минимизация. Вызывают коррозию меди и никеля в холодных пластинах.
• Твердые частицы: Отсутствие (>0.1 мкм). Забивают микроканалы холодных пластин.
• Микроорганизмы: Отсутствие. Образуют биопленки, снижают теплоотдачу.

Методы водоподготовки:

• Обязательно: Обратный осмос (RO) + Электродеионизация (EDI). RO удаляет 95-99% ионов и частицы, EDI обеспечивает стабильное высокое сопротивление (>18 МОм·см) за счет непрерывной регенерации.
• Дополнительно: Дегазация (мембранная или вакуумная) для удаления O₂/CO₂; УФ-стерилизация или дозирование биоцидов (очень осторожно); Точная фильтрация (0.1 мкм).

3. ВОДОПОДГОТОВКА ДЛЯ ПОЛНОГО ЖИДКОСТНОГО ОХЛАЖДЕНИЯ (TLC, WATER IMMERSION)

Критически важные параметры - аналогичны DLC, но еще строже:

• Удельное электрическое сопротивление: >18 МОм·см (Обязательно). Прямой контакт со ВСЕЙ электроникой.
• Ионы: Уровень ppb (единицы). Любые ионы резко снижают сопротивление.
• Твердые частицы: Отсутствие (>0.1 мкм). Оседают на платах.
• Растворенные газы (O₂): Минимизация. Коррозия контактов и компонентов.
• TOC (Общий органический углерод): < 50 ppb. Органика может гидролизоваться до ионов.
• Микроорганизмы: Абсолютное отсутствие. Риск биокоррозии и снижения сопротивления.

Методы водоподготовки:

• Обязательно: Многоступенчатая очистка: RO + Двухпоточная EDI (или смешанный слой ионообменных смол CEDI) + УФ (185/254 нм). УФ разрушает TOC.
• Обязательно: Точная фильтрация на выходе (0.05 - 0.1 мкм). Дегазация (часто мембранная). Непрерывный мониторинг сопротивления, TOC, частиц. Система автоматической подпитки/сброса.
• Биоциды: Не применяются, т.к. могут разлагаться до ионов или повреждать оборудование.

4. ВОДОПОДГОТОВКА ДЛЯ МАГНИТНОГО ОХЛАЖДЕНИЯ (MAGNOTHERM):

Критически важные параметры:

• Удельное электрическое сопротивление: >15 МОм·см (Обязательно). Защита от КЗ, минимизация электрохимической коррозии в модуле.
• Ионы (особенно Cl⁻, SO₄²⁻): Микрочастей на миллиард (ppb). Коррозия магнетокалорического сплава (обычно на основе Гадалиния) и металлов контура.
• Растворенный кислород (O₂): < 0.01 ppm. Интенсивная коррозия сплавов.
• Твердые частицы: Отсутствие (>0.1 мкм). Засорение микроканалов модуля.

Методы водоподготовки:

• Обязательно: RO + EDI для достижения высокой чистоты и сопротивления. Глубокая дегазация (вакуумная или мембранная) для удаления O₂. Точная фильтрация (0.1 мкм) на входе в модуль.
• Дополнительно: Контроль TOC (УФ), дозирование специфических ингибиторов коррозии (если совместимы с магнетокалорическим материалом - требует согласования с производителем).

5. ВОДОПОДГОТОВКА ДЛЯ ГЕОТЕРМАЛЬНОГО ОХЛАЖДЕНИЯ (ВТОРИЧНЫЙ КОНТУР ЦОД):

Критически важные параметры - аналогичны ILC (промежуточные контуры):

• Жесткость: < 5 ppm (как CaCO₃).
• Хлориды: < 50 ppm (ниже, если есть нержавеющая сталь).
• Сульфаты: < 50 ppm.
• Кремнекислота: < 20 ppm.
• Железо/Марганец: < 0.5 ppm.
• Растворенный кислород: < 0.1 ppm (контроль ингибиторами).
• pH: 8.0 - 9.5.
• Микроорганизмы: Контроль.

Методы водоподготовки:

• Базовый уровень: Обратный осмос (RO). Достаточен для большинства систем.
• Обязательно: Химическая обработка (ингибиторы коррозии, накипи, биоциды) - как для ILC.
• Мониторинг: Контроль pH, проводимости, содержания ингибиторов.

Некачественная водоподготовка в системах охлаждения дата-центров может привести к серьезным техническим, экологическим и финансовым последствиям. Основные риски включают:

• Коррозия и повреждение оборудования дата-центра. Вода, содержащая примеси (например, соли, минералы), вызывает коррозию металлических элементов систем охлаждения, таких как теплообменники, трубопроводы и насосы. Это сокращает срок службы оборудования и повышает риск аварийных протечек. Например, в системах с морской водой требуется использование титановых элементов или специальных покрытий для защиты от коррозии, что увеличивает стоимость инфраструктуры .
• В случае использования водяного охлаждения прямой контакт с неочищенной водой может повредить электронные компоненты, так как вода является проводником электричества.
• Образование накипи и засоров. Минеральные отложения (например, карбонаты кальция) снижают теплопроводность систем, что приводит к перегреву оборудования и росту энергопотребления. Например, в адиабатических системах охлаждения требуется микрофильтрация и осмотическая очистка для предотвращения таких проблем. Засоры в трубах увеличивают нагрузку на насосы и могут вызвать поломки, что критично для ЦОД, требующих бесперебойной работы.
• Снижение эффективности охлаждения. Загрязненная вода ухудшает теплообмен, что вынуждает системы работать на повышенной мощности. Это увеличивает расход электроэнергии и эксплуатационные затраты дата-центра. Например, в системах с фрикулингом некачественная вода может снизить эффективность теплообменников, что приводит к росту коэффициента PUE (Power Usage Effectiveness) . В иммерсионных системах примеси в жидкости могут нарушить равномерное охлаждение компонентов.
• Экологические и регуляторные риски. Нерациональное использование воды, особенно в засушливых регионах, может вызвать дефицит водных ресурсов. Например, обучение GPT-3 потребовало 9137 куб. м воды, что эквивалентно месячному потреблению поселка на 760 человек . Неочищенные сточные воды, сбрасываемые после использования в системах охлаждения, могут загрязнять окружающую среду, нарушая экологические стандарты .
• Увеличение эксплуатационных расходов. Ремонт поврежденного оборудования дата-центра, замена фильтров и обработка воды повышают затраты. Например, системы с морской водой требуют дорогостоящей трехэтапной очистки для удаления 99% примесей . В случае использования жидкостного охлаждения утечки или необходимость замены диэлектрических жидкостей (например, 3M Novec) также увеличивают расходы .
• Риск микробиологического загрязнения. В открытых системах (например, градирнях) неочищенная вода становится средой для размножения бактерий, таких как Legionella. Это требует дополнительной химической обработки, а также повышает риск поломок из-за биокоррозии.

Последствия ошибок водоподготовки (примеры реальные кейсы)

• Data center (Лулео, 2021). Превышение Cl⁻ (>100 ppm) → коррозия медных трубок испарителя → аварийная замена 4 чиллеров ($2.3 млн убытков).
• Дата-центр AWS (Вирджиния, 2019). Игнорирование контроля SiO₂ → силикатные отложения на теплообменниках → рост PUE с 1.08 до 1.15.
• Дата-центр IBM Cloud (Токио, 2020). Отказ от биоцидов → вспышка легионеллы в градирне → остановка ЦОД на 72 часа.
• Bitcoin-майнинг ферма, Техас (2023). TOC (500 ppb) из-за загрязнения угольным фильтром. Последствия: Гидролиз органики → падение сопротивления → КЗ 320 ASIC-майнеров. Возгорание контактов → пожар категории $2.1M.
• Дата-центр Пилот Qarnot, Париж (2023). Растворённый кислород (0.8 ppm). Последствия: Коррозия гадолиниевых пластин → потеря 70% холодопроизводительности. Перегрев CPU → деградация 48 серверов BullSequana.
• Дата-центр Bedrock Energy, Остин (2022). Железо (8 ppm) в воде вторичного контура. Последствия: Отложения Fe₂O₃ на пластинах теплообменника → снижение КПД на 40%. Перерасход энергии $47,000/мес до устранения.
• Дата-центр AWS us-east-1, Вирджиния (2020). Ошибка: Биоплёнка в градирне из-за неработающего УФ-стерилизатора. Вспышка легионеллёза → эвакуация персонала + штрафы $860K. Остановка 2 из 6 чиллерных установок.

Выводы (паттерны инцидентов):

• DLC/Иммерсия: Критична электрохимическая чистота (EDI + дегазация). Ошибки → КЗ.
• ILC/Чиллеры: Ключевой враг — коррозия и биоплёнки (Cl⁻, O₂, бактерии).
• Геотермальное/Magnotherm: Требуют контроля металлов (Fe, Cu) и газов (O₂).

Профилактика по ASHRAE:

• Иммерсия/DLC: Тройной мониторинг сопротивления + TOC (датчики в реальном времени).
• Чиллеры/ILC: Автоматический сброс воды при Cl⁻ > 30 ppm.
• Все системы: Резервирование насосов водоподготовки + ежеквартальный анализ воды по ISO 17025.