如何實現挖礦設施內部空氣流道設計的優化

2023-04-02 12:04:35

比特幣挖礦通過驗證交易來保證比特幣账本的安全。雖然早期的礦工开始在個人電腦上挖礦，但現在挖礦工作幾乎都是通過高度專業化的礦機完成。

這是Aviral Shukla的客座文章，從Altair的博客轉發。可在此處訪問原文1。

這些高功率的礦機會產生大量的熱量，礦工通常使用空氣流動來進行冷卻，噪音也會隨之產生。這篇文章主要是講述關於比特幣礦場空氣流管理設計。浸入式冷卻和水冷幾年來也越來越受歡迎，但本文將不做涉及。

經濟性、移動性和耐用性等方面的優勢使航運集裝箱成為建設礦場的優先選擇。不過傳統的金屬建築，棚屋和附屬建築同樣也可用於比特幣开採。以下提及的設計建議和計算方法可用於建築、吊艙和挖礦集裝箱。

圖一：比特幣挖礦設施散熱原理簡圖

為什么冷卻對比特幣挖礦來說至關重要

礦機的算力通常是被設定好的，並且在算力板溫度過高時會自行關機，以防止對機器造成損害。此外，來自Braiins的研究2表明，通過更好的冷卻方式，挖礦效率（J/TH）可以提高30%。下圖表顯示了在恆定的算力值下，效率從20°C時的24J/TH增長到了75°C時的34J/TH。良好的通風也會相應提高空氣過濾器的使用壽命，同時減輕由冷凝水對設備造成的損壞。

比特幣开採是一項競爭激烈的業務。通過良好的設計來運行一個較為高效的挖礦操作，對於最大限度地減少停機時間和維修成本從而提高利潤率來說至關重要。

圖二：礦機挖礦效率和算力板溫度變化之間的關系（以S19j Pro為例）

進氣量和出氣量的把握

一、出氣

礦機使用電能來進行算力輸出。這個過程中將電能轉化為熱能，熱能從礦機芯片轉移到散熱片上。礦機使用進氣和排氣風扇的組合來實現散熱片的冷卻。

大多數礦機可以在100°F以下的環境中運行，並不需要昂貴的空調。機器排出的熱空氣溫度通常在130-180°F左右。防止熱空氣倒流到進氣口是很重要的。防止挖礦設施溫度過高的關鍵是提供足夠的排風量來將熱氣排出設施所在建築物。這個排風量必須等於所有礦機的排風量總和。

如何確定冷卻挖礦設施所需的總排氣量？其依據是礦機的數量和通過每個礦機的氣流量。這個排風量必須由多個風扇來支持。例如，如果你需要100,000立方英尺/分鐘的總排風量，你將需要五個20,000立方英尺/分鐘的排風扇來進行冷卻工作。

二、進氣

挖礦設施需要進氣口，以便為礦機提供足夠的氣流。進氣口安裝有百葉窗和/或遮陽篷，以防止潲水或雪進入設施內部。此外，开口處還必須安裝過濾器和濾網，以防止蟲子、灰塵、花粉和其他外來物質進入。

蒸發式冷卻

一、何為蒸發式冷卻？

大多數礦機的設計是基於進氣溫度低於100°F的情況。然而，許多挖礦設施位於氣候較好的地方，在夏季溫度可能高達120°F。礦機若要在這種過熱的環境中運作，那么前提必須做好冷卻。蒸發式冷卻可將吸入的空氣溫度降低15-30°F。

圖三：隔熱冷卻原理圖

二、運作原理

根據蒸發的原理，幹燥的熱空氣被吸入浸過水的冷卻墊中，當空氣被推過這些墊子時，水蒸發了，空氣中的熱量被吸收，從而降低了溫度。利用水蒸發的絕熱效應來冷卻進氣，比使用空調中的壓縮機驅動的機械冷卻要節能得多，因此具有成本效益。事實上，運行成本可以降低80%。蒸發式冷卻還能通過去除空氣中的灰塵和花粉來提供額外的過濾好處。

三、效果及注意事項

由於冷卻是通過蒸發水份來去除空氣中的熱量，所以蒸發冷卻的效果在很大程度上取決於空氣的溼度和溫度。又熱又幹燥的空氣最合適蒸發冷卻，因此，冷卻效果最好。然而蒸發冷卻對海洋氣候和高溼度的陰雨天氣來說幾乎是無效的。下圖為美國地圖，位於圖中橙色和黃色區域的挖礦設施從蒸發式冷卻中受益為最多。

礦機要求進入的空氣相對溼度要小於90%，以防止冷凝損壞。蒸發式冷卻會增加進氣的相對溼度，因此在使用時，密切監測空氣溼度水平尤為重要。即使是炎熱和幹燥的地方，在雨季和降溫期間也應該適當減少蒸發冷卻的使用。

圖四：美國各州年平均溼度一覽

四、冷熱空氣隔離

礦機在涼爽的空氣環境中工作固然是最好的，但防止熱廢氣倒流到進氣側是非常重要。可以使用基於絕緣材料的空氣屏障來防止這種回流。這種技術被稱為熱通道遏制，家庭裝修商店中的泡沫板絕緣材料通常被用於此目的。由於空氣混合的主要傳熱機制是對流，而不是傳導，所以保溫材料的R值和厚度並不是十分重要。

圖五：泡沫板隔熱牆

五、溼度把控及熱廢氣回收

吸入空氣中的高溼度會給挖礦設施帶來問題。以雪的形式存在的水分很容易被空氣吸入，特別是在冬季暴風雨期間。在相對溼度較高的情況下，空氣中的水分會在冷的表面凝結。空氣溫度下降或壓力變化時，也會發生凝結。雖然，人們可能認為礦機在高溫下運行，所以對冷凝有免疫力，但在較高的相對溼度水平下，礦機內部的氣壓波動會導致冷凝的發生。此外，任何因故障而空轉的礦機都會保持低溫，並面臨更高的由凝結帶來的損害風險。高溼度也會對配電裝置、電源、控制板、开關設備和其他設備造成損害。挖礦設施內出現溼氣問題的第一個跡象，往往表現為進氣扇柵欄的生鏽。

圖六：礦機風扇外蓋生鏽

礦機制造商通常建議在相對溼度低於90%的情況下進行機器操作。由於相對溼度取決於空氣溫度，減少進氣相對溼度的最簡單的方法之一是將其與熱廢氣混合加熱。例如，進氣溫度為60華氏度，相對溼度為90%的空氣，只要加熱5華氏度，相對溼度就會下降到75%，從而使其在挖礦作業中安全使用。這種方法被稱為熱空氣再循環法。

熱空氣再循環可以通過在空氣隔離屏障中留出縫隙來實現，以允許熱空氣有限地回流到冷進氣方。然而，這種方法會加熱進入的空氣，降低挖礦效率（J/TH）。必須精確地控制回流，以防止凝結，同時防止冷進氣口溫度大幅上升。人們也可以建立一個自動熱空氣再循環系統，它可以根據進氣溫度和溼度水平來控制空氣回流的量。

圖七：溫度、水分蒸發量及溼度間的關系圖

挖礦設施的布局及設計

一、牆體嵌入式通風口

礦場最簡單的氣流設計是類似於風洞的設計。冷空氣從一側進入，穿過一堵礦工牆，並在另一側排出。需要排風扇來防止熱空氣的積聚。由礦機和排風扇產生的負壓足以將冷空氣吸入，所以不需要在進氣側安裝風扇。這種氣流設計在中小型規模的（<2兆瓦）挖礦作業和航運集裝箱設計中相當普遍。

圖八：牆體嵌入式通風口原理及實物圖

二、屋頂式通風口

屋頂通風式設計正在逐步普及，現在通常在較大的挖礦設施（>5兆瓦）中可以看到。熱空氣自然上升，並通過安裝在屋頂的排風扇排出建築物外。這種類型的設計通過允許兩側進氣，支持建築物內更高的礦機部署密度。然而，屋頂通風的建築物設計通常在建造和維護方面需要更多資金。

圖九：屋頂式通風口原理及實物圖

直接驅動式風扇和皮帶驅動式風扇

直接驅動和皮帶驅動是兩種主要的風扇類型，優點和缺點共存。本文的目標是涵蓋兩者各自的優點和缺點，從而幫助大家做出一個更明智的決定。

直接驅動式風扇由於沒有滑輪、皮帶或軸承等，維護成本通常較低。

皮帶傳動式風扇在大於36英寸的螺旋槳風扇中頗受歡迎。較大的皮帶驅動風扇通常更具成本效益。它們還通過使用驅動包，根據需要調整風扇速度，來提供更高的性能和靈活性。

雖然這兩種類型都用於比特幣挖礦，但相比之下，直接驅動式風扇更受歡迎，因為其設計更簡單，維護成本更低。

圖十：直接驅動式風扇和皮帶驅動式風扇

一、進氣口設計

進氣口會吸進雨雪，從而在挖礦設施內造成受潮的問題。僅僅是百葉窗並不能提供足夠的防雨保護。大多數新設施的設計除了進氣口百葉窗外，還使用了延長式的屋頂懸垂或遮陽篷，這樣能更好地提供雨雪保護。

進氣面積不足會造成進氣速度過快。這反過來又會產生紊亂氣流，從而吸入更多的降水，導致過濾器的頻繁維護。增加進氣面積可以糾正許多這些問題。這可以通過幾種不同的方式實現。厚褶式過濾器，增加進氣表面積，具有更高的自由面積比。

一種近期越來越流行的進氣設計是使用安裝在挖礦設施側壁上的多排平行的遮陽板。過濾後的進氣口位於遮陽篷的底部。與牆壁進氣設計相比，這種基於遮陽篷的進氣設計可以提供更多的進氣表面積。此外，由於進氣口朝下，這種設計在過濾灰塵和花粉方面表現要好得多。

圖十一：牆體嵌入式通風口及延長的屋頂

圖十二：遮篷式進氣口

二、熱量回收

傳統的空氣處理設計並不認同熱廢氣，而且它的重點基本都在“排放”二字上。在尋求提高利潤率和可持續性的過程中，比特幣礦工現在正試圖通過更具創造性的方法來實現廢氣熱量的回收。這種熱量越來越多地被用於各種應用，如幹燥木材、脫水農產品、加熱水、水產養殖等。通過熱回收應用提供的額外收入流可以抵消礦工的很大一部分運營成本。由於傳統的比特幣挖礦設施設計不允許熱回收，所以這種創新將繼續推動採礦設施的工程和設計變化。