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利用废热是数据中心效率的最新前沿
耗电 AI 硬件的增加凸显了数据中心采用余热再利用解决方案的必要性。
二十年来，数据中心一直在提高能源效率。他们继续寻找降低能源使用、更有效地冷却和降低运营成本的方法。在这个无休止的探索中，最新的前沿是废热的捕获和再利用。
随着人工智能应用的增加和液体冷却的使用，数据中心的废热量只会增加。这一增长趋势凸显了数据中心采用余热再利用解决方案的必要性，这不仅是为了提高能源效率，也是为了减轻对环境的影响和运营成本。
“从芯片到设施的热量排出仍然具有挑战性，”ARPA-E COOLERCHIPS 项目项目总监 Peter de Bock 说。
虽然将废热排出设施是一种方法，但利用废热发电、蒸汽、加热甚至冷却要高效得多，也更环保。这是一个充满活力的研究领域。
“设施可以通过找到利用废热的方法来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凯尔·曼吉尼说。
多功能校园
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中时，将存在大量的可持续性和效率机会。由于数据中心需要持续冷却，因此它们会从服务器和其他设备中排出大量废热，这些废热可以通过各种方式加以利用，以降低整体能耗并进一步降低电源使用效率（PUE）。
“由于我们预计未来几年数据中心的用电量将翻一番，因此大多数数据中心无法选择搬到更北的地方，以利用凉爽的外部空气作为提高可持续性的一种方式，”Rener 说。“或者，他们可以通过在混合使用环境中、校园内或更多地融入当地社区来从废热中获得价值。”
智能构建
在电影《梦想之地》中，雷·金塞拉（凯文·科斯特纳饰）被告知，“建造它，他们就会来。他这样做了——在爱荷华州的玉米地中间。这在电影中可能奏效了，但 Rener 并不认为这是数据中心的最佳地点。这样的位置很难最大限度地发挥废热的价值。相反，他的建议是寻找一个更大的社区，让数据中心成为更广泛的能源解决方案的一部分。
Rener 引用了美国能源信息署（EIA）的一些数据来支持他的断言，该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 32%。降温率仅为 9%，但南部各州的降温率要高得多。一幢大型建筑的供暖消耗量为 1 兆瓦。25 个城市街区需要 10 MW，而 8,500,000 平方英尺的商业地产仅供暖就需要 100 MW。
现在考虑数据中心密度。高性能计算（HPC）和 AI 正在将机架密度提高到 100 kW 甚至更高。过道上挤满了比以往任何时候都更强大的处理器。
“所有的处理器都变得越来越大，越来越热，”Omdia 首席分析师 Shen Wang 说。“自 2000 年以来，处理器的功耗增加了 4.6 倍。”
这无疑在功率和冷却方面带来了严重的问题。但它也开辟了一个机会，因为芯片和服务器排放的大量更热的废热。
大学校园降温
密尔沃基工程学院在余热再利用方面提供了一个有用的案例研究。它增加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 Nvidia GPU 加速超级计算机可帮助学生学习 AI、无人机、机器人和自动驾驶汽车。虽然超级机房在 65,000 平方英尺的结构中仅占 1,500 平方英尺，但它消耗了超过 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。该数据中心专为 N+1 冗余而设计，得益于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功能。
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，计算机室和教学楼在夏季使用相同的冷却系统，此时设施的冷冻水回流管线用于数据中心供应。通过提升冷冻水回流，提高了整个建筑的冷却效率。在冬季，当教学楼不再需要机械冷却时，计算机设施通过专用的风冷屋顶冷凝器和集成的自然冷却回路利用外部冷空气。
“废热的使用是提高数据中心和建筑效率的关键，”SmithGroup 首席机械工程师 Jamison Caldwell 说。
他指出，除了寻找利用热通道废热的方法外，液体冷却设备还会散发辐射热。他研究能源再利用系数，该系数计算为再利用能源与总消耗能源的函数。
“校园层面有很多废热的机会，”考德威尔说。
NREL 能量回收回路
美国国家可再生能源实验室（NREL）建立了一个能源系统集成设施（ESIF），旨在通过基于超级计算机的数据中心来满足其实验室和办公室的供暖需求，使整个建筑更加节能。它实现了 1.04 的 PUE，使其成为世界上最高效的数据中心之一。
“100% 的办公室供暖是通过废热再利用完成的，用水量减少了一半，”考德威尔说。“如果突然需要更多的热量，可以使用校园蒸汽。”
这是通过跨越校园供暖和制冷系统、超级计算系统和传统 IT 系统的能量回收水回路实现的，并从液体和空气冷却系统中收集废热。考德威尔将其描述为建筑级能量交换。
“液体冷却允许更高级的循环热回收，”他说。
增量收益
液体冷却可能会导致数据中心冷却效率的重大转变，并大幅降低 PUE，或者至少防止 PUE 随着机架密度的飙升而上升。但 Iceotope 客户解决方案架构副总裁 Jason Matteson 指出，由于各种浪费领域，液体冷却的潜在收益可能会被浪费掉，包括缺乏热空气控制、缺少消隐面板、未能更换耗电风扇等。
“大多数数据中心都存在很多我们可以消除的浪费，”Matteson 说。