數據中心將廢熱轉化為能效提升的創新實踐

數據中心是我們數字世界的支柱，但也帶來了巨大的能源足跡。其運營過程中一個經常被忽視的副產品是廢熱——通常被丟棄的低品位熱能。然而，創新技術和設計策略現在使數據中心能夠捕獲和重新利用這些熱量，將其轉化為寶貴的資源。

傳統上，大多數數據中心廢熱都未得到利用，因為其溫度不足以驅動蒸汽生產或工業應用等過程。據能源咨詢公司Continuum Energy總裁Gary Hilberg介紹，數據中心廢熱通常約為100華氏度（38攝氏度），而市政供暖網絡等系統需要接近150華氏度（66攝氏度）的溫度。但熱泵、改進的冷卻系統和有意設計等技術進步正在改變游戲規則，使這種能源的回收和重復利用變得可行。

在全球范圍內，數據中心正在尋找創新方法來利用廢熱，提高能源效率，支持可持續發展，甚至為社區帶來益處。從在丹麥為家庭供暖到尖端的熱能儲存技術，這些項目突顯了廢熱回收在重塑能源格局方面日益增長的潛力。

區域供暖：北歐的成功案例

北歐數據中心運營商atNorth運營著七個數據中心，另有一個即將投入運營。另外兩個正在芬蘭科沃拉和丹麥厄爾戈德建設中，并在瑞典獲得了200-500兆瓦園區的土地。

該公司最新的設施是哥本哈根附近的DEN01數據中心，將為高密度工作負載提供22.5兆瓦的容量。DEN01將采用直接液體冷卻（DLC）技術，為目標區域提供密集的集中冷卻，以支持高性能計算和人工智能工作負載。預計其電源使用效率（PUE）將低于1.2。

該數據中心將連接到由丹麥最大的垃圾發電公司Vestforbraending運營的附近區域供暖系統。來自atNorth園區的多余熱量將通過DLC的溫水副產品被利用，為超過8000個家庭供暖。Vestforbraending將此作為淘汰家用油氣鍋爐和使用處理生活垃圾產生熱量的垃圾發電焚燒廠的一部分來實施。

atNorth首席技術官Chris Larsen解釋說，熱泵的工作原理類似于反向冰箱：它從數據中心液體冷卻系統的溫水中提取熱量。然后壓縮制冷劑，這會顯著提高水溫，然后通過管道輸送到區域供暖網絡。熱泵本身完全由Vestforbraendingen設計、安裝和運營，他們也負責將熱泵與區域供暖網絡集成所需的所有相關工作。

"高效的閉環水系統支持DLC，實現有效的熱量重復利用，"Larsen說。"我們正在投資確保我們所有的數據中心都為熱量重復利用做好準備，不僅為家庭和當地企業供暖，還用于溫室等其他應用，促進當地蔬菜種植。"

將廢熱集成到建筑系統中

密爾沃基工程學院（MSOE）的計算機科學大樓占地65000平方英尺，包括一個1500平方英尺的數據中心。其超級計算機名為Rosie，由兩臺英偉達DGX H100組成，每臺具有32千萬億次的AI性能。它消耗了設施60%以上的能源。廢熱被集成到建筑的機械、電氣和管道基礎設施中，在冬季提供供暖，在夏季提供制冷。

Rosie在夏季月份使用與建筑其余部分相同的冷卻系統來提高制冷效率。在冬季，當學術建筑不再需要機械制冷時，室外空氣通過專用的風冷屋頂冷凝器和集成的自由冷卻回路為超級計算機降溫。

"MSOE在冷卻季節提高了建筑冷水系統的整體效率，同時在冬季利用自由冷卻，"幫助實施該系統的SmithGroup關鍵任務負責人Brian Renner說。"廢熱的使用是提高數據中心和建筑效率的關鍵。"

NREL能源回收循環

國家落基山實驗室（NLR）建造了一個能源系統集成設施（ESIF），旨在將其實驗室和辦公室的供暖需求與其10兆瓦超級計算機數據中心相匹配，使整個建筑更加節能。它實現了1.04的PUE。這座位于科羅拉多州戈爾登的180000平方英尺建筑通過設計、溫水液體冷卻和廢熱回收的結合實現了這一目標。

所有辦公室供暖都通過廢熱重復利用完成，同時將用水量減少了一半。能源回收水循環跨越校園供暖和制冷系統、超級計算系統和傳統IT系統。它從液體和空氣冷卻系統收集廢熱。

60千瓦及以上的機架密度在無機械制冷的情況下冷卻。間接蒸發冷卻使用75華氏度（24攝氏度）的水進行計算機冷卻，這要歸功于蒸發冷卻塔。水通過數據中心系統中的熱交換器循環以捕獲廢熱。用于冷卻計算設備后，水溫升至約100華氏度（38攝氏度），足以為實驗室和辦公空間供暖。如果需要更多熱量，可以從校園供暖循環中獲得，任何多余的熱量都可以添加到其中。

在ESIF對面，SmithGroup設計了一個規模化能源、材料和處理（EMAPS）建筑。目前正在建設中，它將容納一個實驗室項目，該項目不僅從過程冷卻中回收廢熱，還可以使用來自ESIF的高達3兆瓦的廢熱。一旦這些建筑完全集成，NLR校園將實現改進的能源效率、降低的功耗和更低的水消耗。

"NLR正在評估在ESIF使用熱泵冷水機組，將多余的數據中心廢熱直接轉換為熱水分配，供校園內其他建筑使用，"Renner說。"對于需要接近140華氏度（60攝氏度）供暖的系統，熱泵系統利用溫水回水循環作為熱泵系統中的源水，并作為增壓站達到設計供應溫度。隨著熱泵技術在未來幾年的發展，通過標準設備使用溫水循環實現高達180華氏度（82攝氏度）的供暖溫度應該是可能的。"

熱能儲存：下一個前沿

將熱泵集成到數據中心冷卻循環中可以立即實施以提高效率。在進一步的發展中，TESS Energy Solutions的Novacab 5等創新技術可以增加更多收益。它使用合成相變材料（SPCM）捕獲和儲存超低和中溫廢熱以發電。這些技術儲存熱能，減少冷卻和供暖負荷，發電，并減少水消耗。

這個閉環過程捕獲并使用SPCM的潛熱來儲存大量廢熱供需要時使用。然后，過程被逆轉以釋放儲存的能量。這項技術在商業建筑和工業設施中有超過400個安裝案例。

據Hilberg介紹，在數據中心中它還處于試點階段。它與依賴水或制冷劑作為工作流體的傳統冷卻、供暖和發電系統集成，包括水冷冷水機組和冷卻塔，以及區域供暖系統。

為熱量重復利用而設計：新標準

數據中心開發商正面臨來自當地社區的嚴重反對。他們能做的任何使項目更可持續、對該地區更有價值的事情都將有巨大幫助。為當地家庭提供廢熱是一個明顯的候選方案。

"熱量重復利用正成為數據中心設計和開發的重要組成部分，"Larsen說。

Renner補充說，在數據中心設計中超越直接建筑層面需要更多有意的、早期概念規劃和協調。

"只有當數據中心位于現有成熟熱量用戶旁邊或作為區域級規劃目標的一部分時，能源交換才是可能的，"他說。

隨著對可持續基礎設施需求的增長，將熱量重復利用集成到數據中心設計中不僅將解決社區關切，還將為環境責任設定新的基準。通過優先考慮與當地利益相關者的合作并與區域級能源戰略保持一致，開發商可以將數據中心轉變為其所服務社區的寶貴資產。

Q&A

Q1：atNorth公司是如何利用數據中心廢熱的？

A：atNorth公司通過將數據中心的廢熱連接到區域供暖系統來利用廢熱。他們使用熱泵從直接液體冷卻系統的溫水中提取熱量，然后壓縮制冷劑來提高水溫，最后通過管道輸送到區域供暖網絡，為超過8000個家庭供暖。

Q2：為什么數據中心廢熱以前沒有被充分利用？

A：傳統上數據中心廢熱未得到充分利用，主要是因為溫度不夠高。數據中心廢熱通常約為38攝氏度，而蒸汽生產或區域供暖系統需要66攝氏度左右的溫度。但隨著熱泵、改進冷卻系統等技術進步，這種情況正在改變。

Q3：數據中心廢熱回收能帶來什么好處？

A：數據中心廢熱回收可以帶來多重好處：提高整體能源效率，降低功耗和水消耗，為當地社區提供供暖服務，增強項目可持續性，幫助數據中心獲得當地社區支持，并可能降低運營成本。