数据中心将废热转化为能效提升的创新实践

数据中心是我们数字世界的支柱，但也带来了巨大的能源足迹。其运营过程中一个经常被忽视的副产品是废热——通常被丢弃的低品位热能。然而，创新技术和设计策略现在使数据中心能够捕获和重新利用这些热量，将其转化为宝贵的资源。

传统上，大多数数据中心废热都未得到利用，因为其温度不足以驱动蒸汽生产或工业应用等过程。据能源咨询公司Continuum Energy总裁Gary Hilberg介绍，数据中心废热通常约为100华氏度（38摄氏度），而市政供暖网络等系统需要接近150华氏度（66摄氏度）的温度。但热泵、改进的冷却系统和有意设计等技术进步正在改变游戏规则，使这种能源的回收和重复利用变得可行。

在全球范围内，数据中心正在寻找创新方法来利用废热，提高能源效率，支持可持续发展，甚至为社区带来益处。从在丹麦为家庭供暖到尖端的热能储存技术，这些项目突显了废热回收在重塑能源格局方面日益增长的潜力。

区域供暖：北欧的成功案例

北欧数据中心运营商atNorth运营着七个数据中心，另有一个即将投入运营。另外两个正在芬兰科沃拉和丹麦厄尔戈德建设中，并在瑞典获得了200-500兆瓦园区的土地。

该公司最新的设施是哥本哈根附近的DEN01数据中心，将为高密度工作负载提供22.5兆瓦的容量。DEN01将采用直接液体冷却（DLC）技术，为目标区域提供密集的集中冷却，以支持高性能计算和人工智能工作负载。预计其电源使用效率（PUE）将低于1.2。

该数据中心将连接到由丹麦最大的垃圾发电公司Vestforbraending运营的附近区域供暖系统。来自atNorth园区的多余热量将通过DLC的温水副产品被利用，为超过8000个家庭供暖。Vestforbraending将此作为淘汰家用油气锅炉和使用处理生活垃圾产生热量的垃圾发电焚烧厂的一部分来实施。

atNorth首席技术官Chris Larsen解释说，热泵的工作原理类似于反向冰箱：它从数据中心液体冷却系统的温水中提取热量。然后压缩制冷剂，这会显著提高水温，然后通过管道输送到区域供暖网络。热泵本身完全由Vestforbraendingen设计、安装和运营，他们也负责将热泵与区域供暖网络集成所需的所有相关工作。

"高效的闭环水系统支持DLC，实现有效的热量重复利用，"Larsen说。"我们正在投资确保我们所有的数据中心都为热量重复利用做好准备，不仅为家庭和当地企业供暖，还用于温室等其他应用，促进当地蔬菜种植。"

将废热集成到建筑系统中

密尔沃基工程学院（MSOE）的计算机科学大楼占地65000平方英尺，包括一个1500平方英尺的数据中心。其超级计算机名为Rosie，由两台英伟达DGX H100组成，每台具有32千万亿次的AI性能。它消耗了设施60%以上的能源。废热被集成到建筑的机械、电气和管道基础设施中，在冬季提供供暖，在夏季提供制冷。

Rosie在夏季月份使用与建筑其余部分相同的冷却系统来提高制冷效率。在冬季，当学术建筑不再需要机械制冷时，室外空气通过专用的风冷屋顶冷凝器和集成的自由冷却回路为超级计算机降温。

"MSOE在冷却季节提高了建筑冷水系统的整体效率，同时在冬季利用自由冷却，"帮助实施该系统的SmithGroup关键任务负责人Brian Renner说。"废热的使用是提高数据中心和建筑效率的关键。"

NREL能源回收循环

国家落基山实验室（NLR）建造了一个能源系统集成设施（ESIF），旨在将其实验室和办公室的供暖需求与其10兆瓦超级计算机数据中心相匹配，使整个建筑更加节能。它实现了1.04的PUE。这座位于科罗拉多州戈尔登的180000平方英尺建筑通过设计、温水液体冷却和废热回收的结合实现了这一目标。

所有办公室供暖都通过废热重复利用完成，同时将用水量减少了一半。能源回收水循环跨越校园供暖和制冷系统、超级计算系统和传统IT系统。它从液体和空气冷却系统收集废热。

60千瓦及以上的机架密度在无机械制冷的情况下冷却。间接蒸发冷却使用75华氏度（24摄氏度）的水进行计算机冷却，这要归功于蒸发冷却塔。水通过数据中心系统中的热交换器循环以捕获废热。用于冷却计算设备后，水温升至约100华氏度（38摄氏度），足以为实验室和办公空间供暖。如果需要更多热量，可以从校园供暖循环中获得，任何多余的热量都可以添加到其中。

在ESIF对面，SmithGroup设计了一个规模化能源、材料和处理（EMAPS）建筑。目前正在建设中，它将容纳一个实验室项目，该项目不仅从过程冷却中回收废热，还可以使用来自ESIF的高达3兆瓦的废热。一旦这些建筑完全集成，NLR校园将实现改进的能源效率、降低的功耗和更低的水消耗。

"NLR正在评估在ESIF使用热泵冷水机组，将多余的数据中心废热直接转换为热水分配，供校园内其他建筑使用，"Renner说。"对于需要接近140华氏度（60摄氏度）供暖的系统，热泵系统利用温水回水循环作为热泵系统中的源水，并作为增压站达到设计供应温度。随着热泵技术在未来几年的发展，通过标准设备使用温水循环实现高达180华氏度（82摄氏度）的供暖温度应该是可能的。"

热能储存：下一个前沿

将热泵集成到数据中心冷却循环中可以立即实施以提高效率。在进一步的发展中，TESS Energy Solutions的Novacab 5等创新技术可以增加更多收益。它使用合成相变材料（SPCM）捕获和储存超低和中温废热以发电。这些技术储存热能，减少冷却和供暖负荷，发电，并减少水消耗。

这个闭环过程捕获并使用SPCM的潜热来储存大量废热供需要时使用。然后，过程被逆转以释放储存的能量。这项技术在商业建筑和工业设施中有超过400个安装案例。

据Hilberg介绍，在数据中心中它还处于试点阶段。它与依赖水或制冷剂作为工作流体的传统冷却、供暖和发电系统集成，包括水冷冷水机组和冷却塔，以及区域供暖系统。

为热量重复利用而设计：新标准

数据中心开发商正面临来自当地社区的严重反对。他们能做的任何使项目更可持续、对该地区更有价值的事情都将有巨大帮助。为当地家庭提供废热是一个明显的候选方案。

"热量重复利用正成为数据中心设计和开发的重要组成部分，"Larsen说。

Renner补充说，在数据中心设计中超越直接建筑层面需要更多有意的、早期概念规划和协调。

"只有当数据中心位于现有成熟热量用户旁边或作为区域级规划目标的一部分时，能源交换才是可能的，"他说。

随着对可持续基础设施需求的增长，将热量重复利用集成到数据中心设计中不仅将解决社区关切，还将为环境责任设定新的基准。通过优先考虑与当地利益相关者的合作并与区域级能源战略保持一致，开发商可以将数据中心转变为其所服务社区的宝贵资产。

Q&A

Q1：atNorth公司是如何利用数据中心废热的？

A：atNorth公司通过将数据中心的废热连接到区域供暖系统来利用废热。他们使用热泵从直接液体冷却系统的温水中提取热量，然后压缩制冷剂来提高水温，最后通过管道输送到区域供暖网络，为超过8000个家庭供暖。

Q2：为什么数据中心废热以前没有被充分利用？

A：传统上数据中心废热未得到充分利用，主要是因为温度不够高。数据中心废热通常约为38摄氏度，而蒸汽生产或区域供暖系统需要66摄氏度左右的温度。但随着热泵、改进冷却系统等技术进步，这种情况正在改变。

Q3：数据中心废热回收能带来什么好处？

A：数据中心废热回收可以带来多重好处：提高整体能源效率，降低功耗和水消耗，为当地社区提供供暖服务，增强项目可持续性，帮助数据中心获得当地社区支持，并可能降低运营成本。