废热利用：提高数据中心效率的最新前沿领域

二十年来，数据中心的能源效率一直在提高，不断在寻找降低能源消耗、更有效冷却并降低运营成本的方法，这一永无休止的探索的最新前沿，就是对废热的获取和再利用。

随着AI应用的增加和更多液体冷却的使用，数据中心的废热只会增加而不会减少，这个趋势突显数据中心采用废热再利用解决方案的必要性，不仅可以提高能源效率，还可以减轻对环境的影响和运营成本。

ARPA-E COOLERCHIPS项目总监Peter de Bock表示：“从芯片到设施的散热仍然是具有挑战性的。”

虽然将废热排出设施是一种方法，但利用废热来发电、蒸汽、供暖甚至制冷要高效得多、环保得多，这是一个充满活力的研究领域。

“通过寻找利用废热的方法，各种设施可以减少成本负担和碳足迹，”负责阿默斯特学院科学中心所有实验室和机械系统的Kyle Mangini说。

多功能园区

SmithGroup关键任务负责人Brian Rener认为，当数据中心位于多功能建筑或园区环境的时候，在可持续性和效率方面可以带来很多机会。由于数据中心需要持续冷却，因此会从服务器和其他设备中排出大量废热，可以通过多种方式利用这些废热来减少总体能源消耗并进一步降低电力使用效率（PUE）。

Rener表示：“我们预计未来几年数据中心的耗电量将翻一番，大多数数据中心无法选择搬到更北部的地方以便利用凉爽的室外空气提高可持续性。或者，这些数据中心可以通过园区混合环境产生的废热中获得价值，或者更加融入当地社区。”

打造智能

在电影《梦想之地》中，Ray Kinsella被告知：“建造它，他们就会到来。”他这样做了——在爱荷华州的一片玉米地中间，这在电影中可能有效，但Rener并不认为这是数据中心的最佳场所，这样的位置使得废热的价值难以最大化。相反，他的建议是寻找更大型的社区，让数据中心成为更广泛的能源解决方案中的一个组成部分。

Rener引用了美国能源信息管理局（EIA）的一些数据来支持他的说法，数据显示，空间供暖是商业建筑中最大的单一能源最终用途，占比32%。降温仅占9%，但在美国南部各州，这一数字要高得多。一座大型建筑的供暖耗电量为1兆瓦。25个城市街区需要10兆瓦，而占地850万平方英尺的商业地产仅用于供暖就需要100兆瓦。

现在考虑以下数据中心密度。高性能计算和人工智能正在将机架密度推向100 kW甚至更高，机架中容纳的都是比以前更为强大的处理器。

Omdia首席分析师Shen Wang表示：“所有处理器都变得越来越大、越来越热。自2000年以来，处理器的功耗增加了4.6倍。”

这无疑在电力和冷却方面带来了严重的问题。但由于芯片和服务器产生的废热温度更高，因此也带来了一些机会。

大学校园冷却

美国密尔沃基工程学院提供了一个废热再利用方面的有用案例。该学院新建了一座计算机科学大楼，里面有一台名为Rosie的超级计算机。这款利用Nvidia GPU加速的超级计算机可以帮助学生学习人工智能、无人机、机器人和自动驾驶汽车，虽然它在65000平方英尺的建筑中仅占1500平方英尺的空间，但却消耗了超过60%的能源。因此，该系统需要无缝集成到建筑和机械/电气/管道基础设施中。该数据中心采用了N+1冗余的设计，借助多个备用发电机和冷却装置，即使在单个组件发生故障的情况下也能保持正常运行。

工程团队在学术建筑能源系统和超级计算机系统之间建立了共生关系。例如，计算机房和教学楼在夏季使用相同的冷却系统，此时数据中心的冷水回水管线用于供水。通过提高冷水回流，提高了整个建筑的冷却效率。在冬季，当大楼不再需要机械冷却时，计算机房通过专用的风冷屋顶冷凝器和集成的自然冷却电路以利用外部冷空气。

“余热的利用是提高数据中心和建筑效率的关键，”史密斯集团首席机械工程师Jamison Caldwell这样表示。

他指出，除了寻找利用热通道废热的方法外，液体冷却设备也会散发辐射热。他正在研究能源再利用系数，该系数是根据再利用能源与总能源消耗的函数来计算的。

“校园内有很多利用余热的机会，”他说。

NREL能量回收循环

美国国家可再生能源实验室(NREL)建造了一个能源系统集成设施(ESIF)，旨在满足实验室和办公室的供暖需求以及承载了超级计算机的数据中心，从而使整个建筑更加节能，其PUE达到1.04，是世界上最高效的数据中心之一。

Caldwell表示：“办公室供暖100%是通过废热再利用完成的，用水量也减少了一半，如果突然需要更多热量的话，可以利用园区蒸汽。”

这是通过能量回收水循环实现的，这个循环跨越了园区供暖和冷却系统、超级计算系统和传统IT系统，收集液体和空气冷却系统的废热，Caldwell将其描述为建筑级的能量交换。

“液体冷却可以实现更高级别的液体循环热回收，”他说。

更多收益

液体冷却可能会导致数据中心冷却效率发生重大转变，并大幅降低PUE，或者至少防止PUE随着机架密度飙升而上升。但Iceotope客户解决方案架构副总裁Jason Matteson指出，液体冷却的潜在收益可能会因各种浪费而被浪费掉，包括缺乏热空气遏制、缺少消隐面板、未更换风扇等耗电设备，等等。

“大多数数据中心都存在大量我们可以消除的浪费，”Matteson说。