你真的知道吗?数据中心潜在的公共健康安全风险
http://www.cnjnsb.com 2020-02-26 11:47:08 经济参考报

近期爆发的新型冠状病毒肺炎疫情牵动着全国人民的心,同时也暴露出了我国对于疾病防范关注度不够的问题。

 

肺炎是一种较为严重的呼吸科疾病,主要症状是呼吸急促、困难等,严重时会呼吸衰竭导致死亡。肺炎的发病率很高,预计我国每年有250万社区获得性肺炎(CAP,医院以外公共场合获得性肺炎)患者,其中,超过12万人死亡。

肺炎可以主要分为,病毒性,细菌性和其他非感染因素引起的肺炎。而细菌性肺炎,危害不如新型冠状病毒性肺炎、SARS明显,但在日常生活中对公众健康的威胁也非常巨大,需要引起广泛的关注。

 

笔者从国外很多数据中心资料中看到,需要防治军团菌肺炎

 

那么,这到底是什么疾病呢?和数据中心又有什么关系呢?

 

一、军团菌与空调系统关系

 

大量研究表明,数据中心和军团菌肺炎的关联度来源于暖通空调系统。

 

军团菌病,一种已被WHO关注并将其列入世界性传染病之一的危险性细菌性肺炎疾病。1976 年在美国费城召开的退伍军人大会首次暴发流行,导致221人患病,34人死亡,死亡率高达15.38%。

图1:军团菌病(来源于北京市疾控中心)

 

军团菌病是伴随人类社会进步和经济发展,出现的一种新型传染病,潜伏期约2-10天,主要通过气溶胶传播,造成非典型性肺炎。

 

军团菌主要存在于土壤与水体中,但是其适宜生存及快速繁衍的水体环境温度为25 -45 ºC,这一水温在自然界水体是较少存在的,而在人工的喷淋系统、增湿设备和空调的冷却水系统中,运行温度恰好在这一范围内,因此这些场所中军团菌滋生速度较快。

图2 军团菌(来源于网络)

 

在以上场所中,中央空调的冷却水系统尤其是冷却塔中,运行水温主要集中在25ºC至35ºC之间,水温特别适宜军团菌生长,且与户外空气直接接触,富含有机物,因此是军团菌滋生的最主要场所。

 

大量水质调研显示,冷却水中的军团菌主要来自冷却塔。冷却塔是集中式水冷空调系统的重要部分,如果疏于管理,会为军团菌生存、繁衍提供养料,并可随水汽蒸形成气溶胶进行传播,危害极大。

 

当冷却水塔循环水水压保持在60 psi 以上时就能形成5μm的污染气溶胶,这种颗粒容易进入肺泡致病,它通过集中空调进风口门窗和通风管被抽入室内,或在冷却塔周围200m范围内形成气溶胶。

 

封闭式冷却塔军团菌及嗜肺军团菌检出率远远低于开放式冷却塔,封闭式冷却塔循环水不易受外界污染,开放式塔的循环水由于长期暴露在外,影响水质,风险居于首位。

 

图3 闭式冷却塔结构图(来源于网络)

 

二、军团菌全球致病情况

 

公开资料显示,欧美国家近年来军团菌发病率持续走高。欧洲2009年共有5551例军团菌病例报道,发病率为1.07/10万;2010年发病数字提高到6305例,发病率升至1.2/10万,平均病死率为11%左右。

 

在美国,军团菌病发病数也从2000年的1110例上升到2009年的3522例,这十年的发病率也从0.39/10万升至1.15/10万。如果最保守按照此年均增长率估算,到2020年,欧洲和美国的军团菌病发病数量约为22533和12543,年平均增长率分别为13.58%和12.24%,而根据细菌传播规律预测实际情况会远远严重于此估值。

 

近年来美国、以色列、澳大利亚等国家的研究表明,0.5%~10%的CAP入院患者是由军团菌感染引起的,而老年人CAP患者中军团菌肺炎更是高达4%~12%。美国加州迪士尼、西班牙、瑞典、日本、土耳其等均报道过有关空调冷却水系统作为传染源引发军团菌病感染的案例。

 

种种案例及研究表明,军团菌病快速增长趋势与人类经济不断发展,大型水冷空调系统快速增长的趋势完全一致。因此可见,人类的经济活动带来新的疾病威胁,必须引起足够的重视。

目前,国内除西藏外所有的省市均有军团菌病暴发流行的报道,其中以北京、上海、广东等地区的相关报道尤为多见,除正式报道13起军团菌病暴发流行除暴发流行外,散发的军团菌病例报道亦为多见,在近几年该病发病率呈明显上升趋势。

据报道国内军团菌肺炎约占CAP的5.1%。据此计算,每年国内军团菌肺炎患者约为12.75万人,按照11%-20%的保守致死率估计,每年中国国内因军团菌病感染死亡的人数约为14025人-25500人,数量十分惊人。

 

流行病学调查显示,人群中可能存在军团菌病的隐性感染和亚临床感染,特别是使用大型中央空调的公共人群和医院工作人员及住院患者,流行形势并不乐观。为预防军团菌病的散发和暴发,必须加强军团病的监测与水系统的管理,尤其是集中式水冷空调系统更是重中之重。

 

三、我国冷却水系统军团菌存在现状

 

全球已有相当多的国家制定了控制军团菌污染和传播的法规和标准。我国2003年出台的标准《公共场所集中空调通风系统卫生规范》中规定了军团菌在空调冷却水中不得检出。但实际情况是否如此呢,笔者搜集了上海等全国十二个地市的公共场所空调冷却塔军团菌污染调研结果,情况十分不容乐观。

 

其中以上海为典型代表,上海市虹口区疾控中心2010年1月调研显示,上海市集中式中央空调冷却塔水嗜肺军团菌的污染状况严重,其阳性检出率达到75%。

 

表1 上海市虹口区疾控中心冷却塔军团菌抽检结果

 

武汉市疾控中心2006年7-9月的调研结果军团菌阳性检出率为45.71%【7】,同样非常不容乐观。

 

表2 武汉市公共场所空调冷却塔军团据检出结果

 

2019年沈阳市疾控中心的调研结果阳性率为38.46%,其中大于5年的占比57.14%,占比并不高,说明阳性情况与运行年限无直接关联。

 

表3 沈阳市公共场所积尘与军团菌污染状况调查结果统计

 

表4 为12个城市调研结果的汇总数据如下:

表4 上海等12城市公共场合空调系统冷却水军团菌检测结果统计

 

从上表中汇总,总计801份取样样本中,高达318份检出军团菌,阳性率高达39.70%。

 

其中有统计样本的偏差造成的影响,但12城市的总计统计结果显示有以下共性规律:

A、集中空调冷却水系统由于水温适宜,是军团菌最主要生存和繁衍的场合。

B、由于开式冷却塔直接与空气接触,富含有机物,更加适宜军团菌生长繁衍,因此更应采用闭式冷却塔。

C、军团菌繁衍速度非常快,与冷却水系统使用年限关系不大,仅与水质监测,灭菌消毒次数有关。

D、根据调研显示,南方三城市从业人员军团菌抗体阳性率为3.0%, 石家庄市为10.19%, 大连市为30.96%,浙江省为14.87%,北京丰台区为(1.4%)。可见,空调从业人员接触与感染风险还是普遍存在的,日常接触工作中做好相关防护非常必要。

 

四、数据中心军团菌风险

 

大量的调研数据未包括任何的数据中心,这足以说明,数据中心的冷却水系统未纳入疾控中心监测范围内,并且行业内鲜有人关注,这存在巨大的隐患。

 

如图4所示,某实际运行的数据中心冷却塔内部环境脏乱不堪,污染严重,水质情况很差,数据中心用冷却塔内部水质监管缺位,实际情况令人触目惊心。

 

图4 某数据中心开式冷却塔内部(来源于网络)

 

传统风冷系统存在能效较低、室外机摆放空间不足等问题,无法满足节能的需求,因此近些年集中空调冷冻水系统得到了飞速的发展。同样换热量的冷却塔,闭式的造价是开式塔的3-5倍,因此目前国内绝大部分IDC使用的是开式冷却塔,因此,目前数据中心军团菌潜在威胁是比较大的。

 

图5 数据中心开式冷却塔庞大的羽流状漂水(来源于网络)

 

如图5所示,大型开式冷却塔的水雾扩散范围很大,如果产生军团菌,对附近的环境都会产生较大的威胁,气溶胶可能随风传播到附近十几公里的范围。

 

那么,集中冷冻水系统都采用闭式塔来规避风险是否可行呢?采用不同类型冷却塔的IDC成本组成比对如下图6、7所示:

 

图6 10MW冷冻水IDC开式冷却塔系统投资组成

 

 

图7 10MW冷冻水IDC闭式冷却塔系统投资组成

 

其总成本对比如表5所示:

表5 10MWIDC采用开式和闭式冷却塔投资对比

 

选用品牌较好的闭式冷却塔,大概会比开塔系统总成本增加10.59%,总体成本上升不多。闭式塔优点多,漂水率、耗水量均大幅低于开式塔,补水量也较少,脏堵、着火风险都低很多,并且后续无需大修更换填料,唯一的劣势是价格高出很多。

 

采用闭式塔,不但可以大幅降低军团菌传播风险,另外从维护难度、系统清理、可靠性等方面均有提升,因此综合考虑经济效益与企业社会责任,采用闭式冷却塔是可行的。

 

五、数据中心主流空调方案公共健康安全风险比对

 

随着技术的进步,目前全变频风冷系统解决方案已得到大规模的应用,其能耗数据已经可以优于离心式冷水系统,完全不采用水的解决方案将完全消除军团菌风险的威胁。

 

如图8所示,为某天津已经运行的4000kW全变频风冷氟泵数据中心,第三方满载假负载测试结果,在2019年8月13日,室外温度22度时,整机房100%负荷下,数据中心整体PUE1.258(包含供配电、暖通等全部基础设施)。

 

图8 某运营商4000kW全变频风冷氟泵数据中心

 

同样以10MW数据中心为例,暖通制冷系统分别采用全变频氟泵风冷无水方案、开式塔离心式冷冻水系统、闭式塔离心式冷冻水系统、风冷冷冻水系统,间接蒸发冷却系统进行综合对比。

 

表6 数据中心主流空调方案TCO及军团菌风险对比

 

从经济性角度考虑,方案1采用全变频氟泵风冷无水方案,初投资比方案2开式塔离心式冷水系统稍高,但是整体TCO远远优于其他四种方案,方案2和方案3初投资虽然稍高,但TCO基本一致,因此采用闭塔代替开塔完全可行。

 

风冷冷冻水系统CAPE及OPEX均居高不下,因此逐渐被边缘化。其次,从军团菌防范风险考虑,开式塔和间接蒸发冷却系统由于处于户外,集水盘直接裸露与空气接触,军团菌风险也较高,方案设计时必须严加防范。

 

最后,只要采用水蒸发的方式,后备蓄水系统也是必须关注的风险点之一,建议采用闭式蓄水罐或膨胀水箱进行储水。

 

数据中心防治军团菌可采用的策略逻辑:

A、 采用风冷全变频氟泵系统解决方案不但TCO最优,且完全无存水环境,军团菌风险最低,是新建数据中心建设的最佳选择。

B、但是迫于其他条件,入本身存在集中冷源等因素,应优先选用闭式冷却塔,减少开式塔的潜在公共健康安全隐患。

C、采用开式塔系统,间接蒸发冷却系统的,应加强水质监测和水质处理,军团菌监测应至少每月1次,处理灭毒应至少3个月进行一次。

 

六、结语

 

经过此次疫情,凸显了我国在疾病防控方面还处于较为落后的水平,全民的疾控意识还处于较低的水平,对日常生活中的风险认知不足。暖通空调方面存在如此大的致病隐患,尚未引起全社会的关注。

 

也许有人觉得,数据中心制冷行业在暖通空调中只是很小的比例,但是,身为社会的一份子,正是各个行业的人共同努力,从而使得整体社会的公共健康安全得以保证。

 

本文作者:

 

Angelo  Yan 

Expert, Vertiv China

Registered Utility Engineer HVAC

 

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