1. 引言
比特币挖矿是一个高能耗过程，全球网络每年消耗约150太瓦时（TWh）的电能——超过了阿根廷等整个国家的用电量。传统上，专用集成电路（ASIC）挖矿产生的大量热能通过风冷方式被浪费地排放到环境中。本文提出了一种范式转变：一种利用直接液体喷淋冷却的先进余热回收系统。该系统以可用品位（高达70°C）捕获废热，将挖矿作业从纯粹的能源消费者转变为建筑供暖、区域供热网络或工业流程的潜在热能提供者。
2. 系统设计与方法
核心创新是一个为加密货币矿机设计的闭环液冷系统。
2.1 液体喷淋冷却机制
矿机被安置在一个密封机箱内，通过将绝缘冷却液直接喷洒到高温芯片上进行冷却。与风冷甚至浸没式冷却相比，这种方法提供了更优的传热系数，使冷却液能高效吸收热量，同时将芯片温度保持在安全运行限值内（<85°C）。现场测试实现了最高70°C的冷却液温度。
2.2 换热器与热水储罐
加热后的绝缘冷却液通过一个螺旋盘管换热器循环，该换热器浸没在一个190升的保温热水储罐中。热能传递给水，然后可以直接使用或作为热泵的热源。该设计符合ANSI/ASHRAE Standard 188-2018标准中关于军团菌风险管理的最低60°C要求。
关键性能指标
- 最高冷却液温度： 70°C
- 热水储罐容量： 190 升
- 基于能量的PUE： 1.03
- 基于㶲的PUE： 0.95
3. 技术分析与指标
3.1 能量 vs. 㶲：重新定义PUE
本文最重要的理论贡献是重新定义了电能使用效率（PUE）指标。传统的PUE（基于能量）只考虑能量的数量。作者提出了一个基于㶲的PUE，它评估了能量流的品质或有用功潜力。
- 基于能量的PUE： 1.03（总设施能耗 / IT设备能耗）。略高于1表示存在少量额外开销。
- 基于㶲的PUE： 0.95（有用热输出的㶲 / 输入IT设备的㶲）。低于1的值表明有用的㶲输出（高品位热）略低于输入的电力㶲，但它合理地计入了回收热量的价值。
这一转变至关重要。它将评估从“产生了多少废热”转向“回收了多少有价值的热量”，使经济和环境评估保持一致。
3.2 数学公式
温度为$T$（开尔文）的热流相对于环境温度$T_0$的㶲由卡诺因子给出： $$\text{Exergy}_{\text{thermal}} = Q \cdot \left(1 - \frac{T_0}{T}\right)$$ 其中$Q$是传热速率。基于㶲的PUE（$PUE_{ex}$）则为： $$PUE_{ex} = \frac{\text{Exergy}_{\text{input, electrical}} + \text{Exergy}_{\text{input, other}}}{\text{Exergy}_{\text{IT equipment}} + \text{Exergy}_{\text{useful heat output}}}$$ 对于电力，㶲近似等于能量。报告的0.95的$PUE_{ex}$定量证明了该系统在提升废热品位方面的有效性。
4. 实验结果与性能
原型系统成功展示了稳定运行。液体喷淋冷却将ASIC结温保持在安全限值内，同时实现了70°C的目标冷却液出口温度。这个温度具有重要意义，因为：
- 它超过了生活热水安全的60°C阈值。
- 它提供了足够高的温度，可以作为区域供热网络的可行热源，或高效驱动辅助热泵，从而提高性能系数（COP）。
图表描述（隐含）： 折线图将显示冷却液温度从环境温度（约20°C）稳步上升，在挖矿负载达到100%时稳定在70°C平台。第二条线将显示ASIC温度稳定在远低于85°C的水平，证明了有效的冷却。该图表突显了系统在不发生热节流的情况下提取高品位热量的能力。
5. 对比分析与案例研究
本文对比了液冷与主流方法：
- 风冷： 引用的研究[3]显示，由于空气热容低、温度低，一个1兆瓦的矿场仅有5.5–30.5%的热量可回收。高达94.5%的热能被浪费。
- 液体浸没冷却： 比风冷提供更好的传热效果，但在给定的芯片温度限值下，可能无法达到直接喷淋冷却那样高的冷却液温度。
- 案例研究 - 区块链穹顶[5,6]： 每个1.5兆瓦的穹顶为温室提供5,000,000 BTU/h的加热空气，展示了挖矿热量的直接（尽管品位较低）应用。
本文提出的液体喷淋系统定位为一种卓越的解决方案，旨在最大化回收热量的数量和品质（㶲）。
6. 分析框架：核心洞见与评述
核心洞见： 这项研究不仅仅是关于更好地冷却矿机；它是对加密货币挖矿在能源生态系统中角色的根本性重塑。通过利用高效液体喷淋冷却并倡导㶲分析，作者成功地将矿机从“能源饕餮”重新定义为“可调度的、分布式的热电厂”。实现的70°C输出是改变游戏规则的关键——它将废热从需要昂贵散热手段的负担，转变为与现有建筑和区域供热基础设施兼容的可销售商品。
逻辑脉络： 论证从问题（巨大的能源浪费）逻辑性地推进到高效技术解决方案（喷淋冷却），并通过一个更优的指标（基于㶲的PUE）进行验证。引用ASHRAE Standard 188标准是点睛之笔，因为它直接解决了在水系统中使用回收热量的一个主要监管障碍。
优势与不足： 优势： 基于㶲的PUE是一个卓越的、学术严谨的指标，应成为行业标准。70°C的运行数据具有说服力且实用。设计的简洁性——喷淋、收集、交换——非常精妙。 不足： 分析明显未涉及资本支出（CapEx）和运营支出（OpEx）。绝缘冷却液价格昂贵，系统维护（泵、喷嘴、过滤）也非易事。本文还略过了系统的可扩展性，以及将热量输出与高度可变的需求曲线整合的后勤挑战，这一点在国际能源署（IEA）的区域供热文献中有详尽讨论。
可操作的见解： 1. 对于矿场运营商： 试点这项技术不仅是为了改进PUE，更是为了通过销售热量创造新的收入线。从一开始就与温室运营商或区域供热公用事业公司合作。 2. 对于政策制定者： 激励㶲回收，而不仅仅是能源效率。税收抵免或碳补偿应与$PUE_{ex}$ < 1等指标挂钩。 3. 对于研究人员： 下一步是进行全面的技术经济分析（TEA）和生命周期评估（LCA）。比较因热量替代而减少的碳排放所带来的环境效益，与冷却液生产和系统制造的影响。
7. 未来应用与方向
潜力不仅限于生活热水。
- 综合能源系统： 挖矿设施可以作为智能电网中的灵活热力资产，在需求高峰时提供热量或进行热能储存。
- 产业共生： 将挖矿与需要低品位热量的产业（例如，食品脱水、木材干燥、化学工艺）共址。
- 热泵的辅助热源： 使用70°C的输出作为热源，可以显著提高寒冷气候下空气源或地源热泵的性能系数（COP），这一概念得到了美国国家可再生能源实验室（NREL）研究的支持。
- 材料与控制进展： 未来的工作应探索纳米流体以增强传热，以及人工智能驱动的控制系统，以动态优化芯片性能、冷却液温度和终端用户热需求之间的权衡。
8. 参考文献
- Cambridge Bitcoin Electricity Consumption Index. (2023). Cambridge Centre for Alternative Finance.
- ASHRAE. (2021). Thermal Guidelines for Data Processing Environments.
- Hampus, A. (2021). Waste Heat Recovery from Bitcoin Mining. Chalmers University of Technology.
- Enachescu, M. (2022). Carbon Abatement via Data Centre Waste Heat Reuse. Journal of Cleaner Production.
- Agrodome. (2020). Blockchain Dome Whitepaper.
- United American Corp. Press Release. (July, 2018).
- International Energy Agency (IEA). (2022). District Heating Systems.
- National Renewable Energy Laboratory (NREL). (2023). Advanced Heat Pump Systems.
- Zhu, J., et al. (2017). Unpaired Image-to-Image Translation using Cycle-Consistent Adversarial Networks (CycleGAN). IEEE ICCV. （来自计算机科学的严谨方法论框架示例，类似于本文的㶲框架。）