1. 緒論
比特幣挖礦是一個能源密集的過程，全球網路每年消耗約150 TWh的電力——超過阿根廷等整個國家的用電量。傳統上，由專用積體電路（ASIC）挖礦機產生的大量熱能，透過氣冷方式被浪費地排放到環境中。本文提出了一個典範轉移：一種利用直接液體噴霧冷卻的先進廢熱回收系統。該系統以可用的溫度等級（最高達70°C）捕獲廢熱，將挖礦作業從純粹的能源消耗者，轉變為建築供暖、區域供熱網路或工業製程的潛在熱能供應者。
2. 系統設計與方法論
核心創新是一個為加密貨幣挖礦設備設計的閉迴路液體冷卻系統。
2.1 液體噴霧冷卻機制
挖礦機被安置在一個密封的外殼中，透過將絕緣冷卻液直接噴灑到發熱的晶片上進行冷卻。與氣冷甚至浸沒式冷卻相比，此方法提供了更優異的熱傳係數，使冷卻液能有效吸收熱量，同時將晶片溫度維持在安全操作限制內（<85°C）。實地測試達到了最高70°C的冷卻液溫度。
2.2 熱交換器與熱水儲槽
受熱的絕緣冷卻液被循環通過一個浸沒在190公升隔熱熱水儲槽中的螺旋盤管熱交換器。熱能被傳遞給水，然後這些水可以直接使用或作為熱泵的熱源。此設計符合ANSI/ASHRAE Standard 188-2018針對退伍軍人桿菌風險管理所要求的最低60°C標準。
關鍵效能指標
- 最高冷卻液溫度： 70°C
- 熱水儲槽容量： 190 公升
- 基於能量的PUE： 1.03
- 基於火用的PUE： 0.95
3. 技術分析與指標
3.1 能量 vs. 火用：重新定義PUE
本文最重要的理論貢獻是重新定義了電力使用效率（PUE）指標。傳統的PUE（基於能量）僅考量能量的「數量」。作者提出了一個基於火用的PUE，用以評估能量流的「品質」或可用功潛力。
- 基於能量的PUE： 1.03（總設施能源 / IT設備能源）。略高於1表示有少量額外負荷。
- 基於火用的PUE： 0.95（有用熱輸出的火用 / 輸入IT設備的火用）。數值低於1表示有用的火用輸出（高品位熱能）略低於輸入的電能火用，但這合理地計入了回收熱能的價值。
這個轉變至關重要。它將評估從「產生多少廢熱」轉移到「回收了多少有價值的熱能」，使經濟與環境評估得以一致。
3.2 數學公式
相對於環境溫度 $T_0$，在溫度 $T$（單位為克耳文）下的熱流火用由卡諾因子給出： $$\text{Exergy}_{\text{thermal}} = Q \cdot \left(1 - \frac{T_0}{T}\right)$$ 其中 $Q$ 為熱傳速率。基於火用的PUE（$PUE_{ex}$）則為： $$PUE_{ex} = \frac{\text{Exergy}_{\text{input, electrical}} + \text{Exergy}_{\text{input, other}}}{\text{Exergy}_{\text{IT equipment}} + \text{Exergy}_{\text{useful heat output}}}$$ 對於電能，火用近似等於能量。報告中0.95的 $PUE_{ex}$ 數值量化地證明了該系統在提升廢熱品位方面的有效性。
4. 實驗結果與效能
原型系統成功展示了穩定運作。液體噴霧冷卻將ASIC接面溫度維持在安全限制內，同時達到了70°C的目標冷卻液出口溫度。此溫度意義重大，因為：
- 它超過了家用熱水安全的60°C門檻。
- 它提供了足夠高的溫度，可作為區域供熱網路的可行熱源，或有效驅動增壓熱泵，從而提高性能係數（COP）。
圖表說明（隱含）： 折線圖將顯示冷卻液溫度從環境溫度（約20°C）穩步上升，並在挖礦負載達到100%時穩定在70°C。第二條線將顯示ASIC溫度穩定在遠低於85°C的水平，證明有效的冷卻效果。該圖表突顯了系統在不觸發熱節流的情況下提取高品位熱能的能力。
5. 比較分析與個案研究
本文將液體冷卻與主流方法進行對比：
- 氣冷： 引用的研究[3]顯示，由於空氣的熱容量低且溫度不高，一個1 MW的礦場僅有5.5–30.5%的熱能可回收。高達94.5%的熱能被浪費。
- 液體浸沒式冷卻： 比氣冷提供更好的熱傳效果，但在給定的晶片溫度限制下，可能無法達到像直接噴霧那樣高的冷卻液溫度。
- 個案研究 - 區塊鏈溫室[5,6]： 每個1.5 MW的溫室產生5,000,000 BTU/h的熱空氣用於溫室農業，展示了挖礦熱能的直接應用，儘管品位較低。
本文提出的液體噴霧系統定位為一種優越的解決方案，能同時最大化回收熱能的數量和品質（火用）。
6. 分析框架：核心洞見與評論
核心洞見： 這項研究不僅僅是為了更好地冷卻挖礦機；它從根本上重塑了加密貨幣挖礦在能源生態系統中的角色。透過利用高效率液體噴霧冷並倡導火用分析，作者成功地將挖礦設備從「能源消耗巨獸」重新定位為「可調度、分散式的熱能電廠」。達成的70°C輸出是關鍵——它將廢熱從需要昂貴散熱的負擔，轉變為與現有建築及區域供熱基礎設施相容的可銷售商品。
邏輯脈絡： 論證從問題（巨大的能源浪費）邏輯性地推展到高效率技術解決方案（噴霧冷卻），並透過一個更優越的指標（基於火用的PUE）進行驗證。引用ASHRAE Standard 188是一個高招，因為它直接解決了在水系統中使用回收熱能的一個主要監管障礙。
優點與缺點： 優點： 基於火用的PUE是一個卓越且學術嚴謹的指標，應成為產業標準。70°C的運作數據具有說服力且實用。設計的簡潔性——噴灑、收集、交換——非常優雅。 缺點： 分析明顯未提及資本支出和營運支出。絕緣冷卻液價格昂貴，且系統維護（泵、噴嘴、過濾）並非小事。本文也輕描淡寫地帶過了系統的可擴展性，以及將熱能輸出與高度變動的需求模式整合的物流挑戰，這一點在國際能源署（IEA）的區域供熱文獻中有深入討論。
可行洞見： 1. 對於挖礦營運商： 試行此技術不僅是為了改善PUE，更是為了透過銷售熱能創造新的收入來源。從一開始就與溫室營運商或區域供熱公司合作。 2. 對於政策制定者： 激勵火用回收，而不僅僅是能源效率。稅收抵免或碳抵銷應與像 $PUE_{ex}$ < 1 這樣的指標掛鉤。 3. 對於研究人員： 下一步是進行完整的技術經濟分析（TEA）和生命週期評估（LCA）。比較因熱能替代而減少的碳排所帶來的環境效益，與冷卻液生產和系統製造所產生的影響。
7. 未來應用與發展方向
潛力不僅限於家用熱水。
- 整合式能源系統： 挖礦設施可作為智慧電網中的靈活熱能資產，在需求高峰時提供熱能或進行熱能儲存。
- 工業共生： 將挖礦與需要低品位熱能的產業（例如食品脫水、木材乾燥、化學製程）共置一地。
- 熱泵增壓器： 使用70°C的輸出作為熱源，可以顯著提高寒冷氣候下空氣源或地源熱泵的性能係數（COP），此概念得到美國國家再生能源實驗室（NREL）研究的支持。
- 材料與控制技術進展： 未來的工作應探索奈米流體以增強熱傳，以及人工智慧驅動的控制系統，以動態優化晶片性能、冷卻液溫度和終端用戶熱需求之間的權衡。
8. 參考文獻
- 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. （來自電腦科學的嚴謹方法論框架範例，類似於本文的火用框架。）