數(shù)據(jù)中心是我們數(shù)字世界的支柱，但也帶來了巨大的能源足跡。其運(yùn)營過程中一個經(jīng)常被忽視的副產(chǎn)品是廢熱——通常被丟棄的低品位熱能。然而，創(chuàng)新技術(shù)和設(shè)計策略現(xiàn)在使數(shù)據(jù)中心能夠捕獲和重新利用這些熱量，將其轉(zhuǎn)化為寶貴的資源。

傳統(tǒng)上，大多數(shù)數(shù)據(jù)中心廢熱都未得到利用，因為其溫度不足以驅(qū)動蒸汽生產(chǎn)或工業(yè)應(yīng)用等過程。據(jù)能源咨詢公司Continuum Energy總裁Gary Hilberg介紹，數(shù)據(jù)中心廢熱通常約為100華氏度（38攝氏度），而市政供暖網(wǎng)絡(luò)等系統(tǒng)需要接近150華氏度（66攝氏度）的溫度。但熱泵、改進(jìn)的冷卻系統(tǒng)和有意設(shè)計等技術(shù)進(jìn)步正在改變游戲規(guī)則，使這種能源的回收和重復(fù)利用變得可行。

在全球范圍內(nèi)，數(shù)據(jù)中心正在尋找創(chuàng)新方法來利用廢熱，提高能源效率，支持可持續(xù)發(fā)展，甚至為社區(qū)帶來益處。從在丹麥為家庭供暖到尖端的熱能儲存技術(shù)，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(qū)域供暖：北歐的成功案例

北歐數(shù)據(jù)中心運(yùn)營商atNorth運(yùn)營著七個數(shù)據(jù)中心，另有一個即將投入運(yùn)營。另外兩個正在芬蘭科沃拉和丹麥厄爾戈德建設(shè)中，并在瑞典獲得了200-500兆瓦園區(qū)的土地。

該公司最新的設(shè)施是哥本哈根附近的DEN01數(shù)據(jù)中心，將為高密度工作負(fù)載提供22.5兆瓦的容量。DEN01將采用直接液體冷卻（DLC）技術(shù)，為目標(biāo)區(qū)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(fù)載。預(yù)計其電源使用效率（PUE）將低于1.2。

該數(shù)據(jù)中心將連接到由丹麥最大的垃圾發(fā)電公司Vestforbraending運(yùn)營的附近區(qū)域供暖系統(tǒng)。來自atNorth園區(qū)的多余熱量將通過DLC的溫水副產(chǎn)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(chǎn)生熱量的垃圾發(fā)電焚燒廠的一部分來實(shí)施。

atNorth首席技術(shù)官Chris Larsen解釋說，熱泵的工作原理類似于反向冰箱：它從數(shù)據(jù)中心液體冷卻系統(tǒng)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(qū)域供暖網(wǎng)絡(luò)。熱泵本身完全由Vestforbraendingen設(shè)計、安裝和運(yùn)營，他們也負(fù)責(zé)將熱泵與區(qū)域供暖網(wǎng)絡(luò)集成所需的所有相關(guān)工作。

"高效的閉環(huán)水系統(tǒng)支持DLC，實(shí)現(xiàn)有效的熱量重復(fù)利用，"Larsen說。"我們正在投資確保我們所有的數(shù)據(jù)中心都為熱量重復(fù)利用做好準(zhǔn)備，不僅為家庭和當(dāng)?shù)仄髽I(yè)供暖，還用于溫室等其他應(yīng)用，促進(jìn)當(dāng)?shù)厥卟朔N植。"

將廢熱集成到建筑系統(tǒng)中

密爾沃基工程學(xué)院（MSOE）的計算機(jī)科學(xué)大樓占地65000平方英尺，包括一個1500平方英尺的數(shù)據(jù)中心。其超級計算機(jī)名為Rosie，由兩臺英偉達(dá)DGX H100組成，每臺具有32千萬億次的AI性能。它消耗了設(shè)施60%以上的能源。廢熱被集成到建筑的機(jī)械、電氣和管道基礎(chǔ)設(shè)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(tǒng)來提高制冷效率。在冬季，當(dāng)學(xué)術(shù)建筑不再需要機(jī)械制冷時，室外空氣通過專用的風(fēng)冷屋頂冷凝器和集成的自由冷卻回路為超級計算機(jī)降溫。

"MSOE在冷卻季節(jié)提高了建筑冷水系統(tǒng)的整體效率，同時在冬季利用自由冷卻，"幫助實(shí)施該系統(tǒng)的SmithGroup關(guān)鍵任務(wù)負(fù)責(zé)人Brian Renner說。"廢熱的使用是提高數(shù)據(jù)中心和建筑效率的關(guān)鍵。"

NREL能源回收循環(huán)

國家落基山實(shí)驗室（NLR）建造了一個能源系統(tǒng)集成設(shè)施（ESIF），旨在將其實(shí)驗室和辦公室的供暖需求與其10兆瓦超級計算機(jī)數(shù)據(jù)中心相匹配，使整個建筑更加節(jié)能。它實(shí)現(xiàn)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(shè)計、溫水液體冷卻和廢熱回收的結(jié)合實(shí)現(xiàn)了這一目標(biāo)。

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

60千瓦及以上的機(jī)架密度在無機(jī)械制冷的情況下冷卻。間接蒸發(fā)冷卻使用75華氏度（24攝氏度）的水進(jìn)行計算機(jī)冷卻，這要?dú)w功于蒸發(fā)冷卻塔。水通過數(shù)據(jù)中心系統(tǒng)中的熱交換器循環(huán)以捕獲廢熱。用于冷卻計算設(shè)備后，水溫升至約100華氏度（38攝氏度），足以為實(shí)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(huán)中獲得，任何多余的熱量都可以添加到其中。

在ESIF對面，SmithGroup設(shè)計了一個規(guī)模化能源、材料和處理（EMAPS）建筑。目前正在建設(shè)中，它將容納一個實(shí)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(dá)3兆瓦的廢熱。一旦這些建筑完全集成，NLR校園將實(shí)現(xiàn)改進(jìn)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(jī)組，將多余的數(shù)據(jù)中心廢熱直接轉(zhuǎn)換為熱水分配，供校園內(nèi)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(tǒng)，熱泵系統(tǒng)利用溫水回水循環(huán)作為熱泵系統(tǒng)中的源水，并作為增壓站達(dá)到設(shè)計供應(yīng)溫度。隨著熱泵技術(shù)在未來幾年的發(fā)展，通過標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備使用溫水循環(huán)實(shí)現(xiàn)高達(dá)180華氏度（82攝氏度）的供暖溫度應(yīng)該是可能的。"

熱能儲存：下一個前沿

將熱泵集成到數(shù)據(jù)中心冷卻循環(huán)中可以立即實(shí)施以提高效率。在進(jìn)一步的發(fā)展中，TESS Energy Solutions的Novacab 5等創(chuàng)新技術(shù)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(fā)電。這些技術(shù)儲存熱能，減少冷卻和供暖負(fù)荷，發(fā)電，并減少水消耗。

這個閉環(huán)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(zhuǎn)以釋放儲存的能量。這項技術(shù)在商業(yè)建筑和工業(yè)設(shè)施中有超過400個安裝案例。

據(jù)Hilberg介紹，在數(shù)據(jù)中心中它還處于試點(diǎn)階段。它與依賴水或制冷劑作為工作流體的傳統(tǒng)冷卻、供暖和發(fā)電系統(tǒng)集成，包括水冷冷水機(jī)組和冷卻塔，以及區(qū)域供暖系統(tǒng)。

為熱量重復(fù)利用而設(shè)計：新標(biāo)準(zhǔn)

數(shù)據(jù)中心開發(fā)商正面臨來自當(dāng)?shù)厣鐓^(qū)的嚴(yán)重反對。他們能做的任何使項目更可持續(xù)、對該地區(qū)更有價值的事情都將有巨大幫助。為當(dāng)?shù)丶彝ヌ峁U熱是一個明顯的候選方案。

"熱量重復(fù)利用正成為數(shù)據(jù)中心設(shè)計和開發(fā)的重要組成部分，"Larsen說。

Renner補(bǔ)充說，在數(shù)據(jù)中心設(shè)計中超越直接建筑層面需要更多有意的、早期概念規(guī)劃和協(xié)調(diào)。

"只有當(dāng)數(shù)據(jù)中心位于現(xiàn)有成熟熱量用戶旁邊或作為區(qū)域級規(guī)劃目標(biāo)的一部分時，能源交換才是可能的，"他說。

隨著對可持續(xù)基礎(chǔ)設(shè)施需求的增長，將熱量重復(fù)利用集成到數(shù)據(jù)中心設(shè)計中不僅將解決社區(qū)關(guān)切，還將為環(huán)境責(zé)任設(shè)定新的基準(zhǔn)。通過優(yōu)先考慮與當(dāng)?shù)乩嫦嚓P(guān)者的合作并與區(qū)域級能源戰(zhàn)略保持一致，開發(fā)商可以將數(shù)據(jù)中心轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌?wù)社區(qū)的寶貴資產(chǎn)。

Q&A

Q1：atNorth公司是如何利用數(shù)據(jù)中心廢熱的？

A：atNorth公司通過將數(shù)據(jù)中心的廢熱連接到區(qū)域供暖系統(tǒng)來利用廢熱。他們使用熱泵從直接液體冷卻系統(tǒng)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(qū)域供暖網(wǎng)絡(luò)，為超過8000個家庭供暖。

Q2：為什么數(shù)據(jù)中心廢熱以前沒有被充分利用？

A：傳統(tǒng)上數(shù)據(jù)中心廢熱未得到充分利用，主要是因為溫度不夠高。數(shù)據(jù)中心廢熱通常約為38攝氏度，而蒸汽生產(chǎn)或區(qū)域供暖系統(tǒng)需要66攝氏度左右的溫度。但隨著熱泵、改進(jìn)冷卻系統(tǒng)等技術(shù)進(jìn)步，這種情況正在改變。

Q3：數(shù)據(jù)中心廢熱回收能帶來什么好處？

A：數(shù)據(jù)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(dāng)?shù)厣鐓^(qū)提供供暖服務(wù)，增強(qiáng)項目可持續(xù)性，幫助數(shù)據(jù)中心獲得當(dāng)?shù)厣鐓^(qū)支持，并可能降低運(yùn)營成本。