如何实现挖矿设施内部空气流道设计的优化

比特币挖矿通过验证交易来保证比特币账本的安全。虽然早期的矿工开始在个人电脑上挖矿，但现在挖矿工作几乎都是通过高度专业化的矿机完成。

这是Aviral Shukla的客座文章，从Altair的博客转发。可在此处访问原文1。

这些高功率的矿机会产生大量的热量，矿工通常使用空气流动来进行冷却，噪音也会随之产生。这篇文章主要是讲述关于比特币矿场空气流管理设计。浸入式冷却和水冷几年来也越来越受欢迎，但本文将不做涉及。

经济性、移动性和耐用性等方面的优势使航运集装箱成为建设矿场的优先选择。不过传统的金属建筑，棚屋和附属建筑同样也可用于比特币开采。以下提及的设计建议和计算方法可用于建筑、吊舱和挖矿集装箱。

图一：比特币挖矿设施散热原理简图

为什么冷却对比特币挖矿来说至关重要

矿机的算力通常是被设定好的，并且在算力板温度过高时会自行关机，以防止对机器造成损害。此外，来自Braiins的研究2表明，通过更好的冷却方式，挖矿效率（J/TH）可以提高30%。下图表显示了在恒定的算力值下，效率从20°C时的24J/TH增长到了75°C时的34J/TH。良好的通风也会相应提高空气过滤器的使用寿命，同时减轻由冷凝水对设备造成的损坏。

比特币开采是一项竞争激烈的业务。通过良好的设计来运行一个较为高效的挖矿操作，对于最大限度地减少停机时间和维修成本从而提高利润率来说至关重要。

图二：矿机挖矿效率和算力板温度变化之间的关系 （以S19j Pro为例）

进气量和出气量的把握

一、出气

矿机使用电能来进行算力输出。这个过程中将电能转化为热能，热能从矿机芯片转移到散热片上。矿机使用进气和排气风扇的组合来实现散热片的冷却。

大多数矿机可以在100°F以下的环境中运行，并不需要昂贵的空调。机器排出的热空气温度通常在130-180°F左右。防止热空气倒流到进气口是很重要的。防止挖矿设施温度过高的关键是提供足够的排风量来将热气排出设施所在建筑物。这个排风量必须等于所有矿机的排风量总和。

如何确定冷却挖矿设施所需的总排气量？其依据是矿机的数量和通过每个矿机的气流量。这个排风量必须由多个风扇来支持。例如，如果你需要100,000立方英尺/分钟的总排风量，你将需要五个20,000立方英尺/分钟的排风扇来进行冷却工作。

二、进气

挖矿设施需要进气口，以便为矿机提供足够的气流。进气口安装有百叶窗和/或遮阳篷，以防止潲水或雪进入设施内部。此外，开口处还必须安装过滤器和滤网，以防止虫子、灰尘、花粉和其他外来物质进入。

蒸发式冷却

一、何为蒸发式冷却？

大多数矿机的设计是基于进气温度低于100°F的情况。然而，许多挖矿设施位于气候较好的地方，在夏季温度可能高达120°F。矿机若要在这种过热的环境中运作，那么前提必须做好冷却。蒸发式冷却可将吸入的空气温度降低15-30°F。

图三：隔热冷却原理图

二、运作原理

根据蒸发的原理，干燥的热空气被吸入浸过水的冷却垫中，当空气被推过这些垫子时，水蒸发了，空气中的热量被吸收，从而降低了温度。利用水蒸发的绝热效应来冷却进气，比使用空调中的压缩机驱动的机械冷却要节能得多，因此具有成本效益。事实上，运行成本可以降低80%。蒸发式冷却还能通过去除空气中的灰尘和花粉来提供额外的过滤好处。

三、效果及注意事项

由于冷却是通过蒸发水份来去除空气中的热量，所以蒸发冷却的效果在很大程度上取决于空气的湿度和温度。又热又干燥的空气最合适蒸发冷却，因此，冷却效果最好。然而蒸发冷却对海洋气候和高湿度的阴雨天气来说几乎是无效的。下图为美国地图，位于图中橙色和黄色区域的挖矿设施从蒸发式冷却中受益为最多。

矿机要求进入的空气相对湿度要小于90%，以防止冷凝损坏。蒸发式冷却会增加进气的相对湿度，因此在使用时，密切监测空气湿度水平尤为重要。即使是炎热和干燥的地方，在雨季和降温期间也应该适当减少蒸发冷却的使用。

图四：美国各州年平均湿度一览

四、冷热空气隔离

矿机在凉爽的空气环境中工作固然是最好的，但防止热废气倒流到进气侧是非常重要。可以使用基于绝缘材料的空气屏障来防止这种回流。这种技术被称为热通道遏制，家庭装修商店中的泡沫板绝缘材料通常被用于此目的。由于空气混合的主要传热机制是对流，而不是传导，所以保温材料的R值和厚度并不是十分重要。

图五：泡沫板隔热墙

五、湿度把控及热废气回收

吸入空气中的高湿度会给挖矿设施带来问题。以雪的形式存在的水分很容易被空气吸入，特别是在冬季暴风雨期间。在相对湿度较高的情况下，空气中的水分会在冷的表面凝结。空气温度下降或压力变化时，也会发生凝结。虽然，人们可能认为矿机在高温下运行，所以对冷凝有免疫力，但在较高的相对湿度水平下，矿机内部的气压波动会导致冷凝的发生。此外，任何因故障而空转的矿机都会保持低温，并面临更高的由凝结带来的损害风险。高湿度也会对配电装置、电源、控制板、开关设备和其他设备造成损害。挖矿设施内出现湿气问题的第一个迹象，往往表现为进气扇栅栏的生锈。

图六：矿机风扇外盖生锈

矿机制造商通常建议在相对湿度低于90%的情况下进行机器操作。由于相对湿度取决于空气温度，减少进气相对湿度的最简单的方法之一是将其与热废气混合加热。例如，进气温度为60华氏度，相对湿度为90%的空气，只要加热5华氏度，相对湿度就会下降到75%，从而使其在挖矿作业中安全使用。这种方法被称为热空气再循环法。

热空气再循环可以通过在空气隔离屏障中留出缝隙来实现，以允许热空气有限地回流到冷进气方。然而，这种方法会加热进入的空气，降低挖矿效率（J/TH）。必须精确地控制回流，以防止凝结，同时防止冷进气口温度大幅上升。人们也可以建立一个自动热空气再循环系统，它可以根据进气温度和湿度水平来控制空气回流的量。

图七：温度、水分蒸发量及湿度间的关系图

挖矿设施的布局及设计

一、墙体嵌入式通风口

矿场最简单的气流设计是类似于风洞的设计。冷空气从一侧进入，穿过一堵矿工墙，并在另一侧排出。需要排风扇来防止热空气的积聚。由矿机和排风扇产生的负压足以将冷空气吸入，所以不需要在进气侧安装风扇。这种气流设计在中小型规模的（<2兆瓦）挖矿作业和航运集装箱设计中相当普遍。

图八：墙体嵌入式通风口原理及实物图

二、屋顶式通风口

屋顶通风式设计正在逐步普及，现在通常在较大的挖矿设施（>5兆瓦）中可以看到。热空气自然上升，并通过安装在屋顶的排风扇排出建筑物外。这种类型的设计通过允许两侧进气，支持建筑物内更高的矿机部署密度。然而，屋顶通风的建筑物设计通常在建造和维护方面需要更多资金。

图九：屋顶式通风口原理及实物图

直接驱动式风扇和皮带驱动式风扇

直接驱动和皮带驱动是两种主要的风扇类型，优点和缺点共存。本文的目标是涵盖两者各自的优点和缺点，从而帮助大家做出一个更明智的决定。

直接驱动式风扇由于没有滑轮、皮带或轴承等，维护成本通常较低。

皮带传动式风扇在大于36英寸的螺旋桨风扇中颇受欢迎。较大的皮带驱动风扇通常更具成本效益。它们还通过使用驱动包，根据需要调整风扇速度，来提供更高的性能和灵活性。

虽然这两种类型都用于比特币挖矿，但相比之下，直接驱动式风扇更受欢迎，因为其设计更简单，维护成本更低。

图十：直接驱动式风扇和皮带驱动式风扇

一、进气口设计

进气口会吸进雨雪，从而在挖矿设施内造成受潮的问题。仅仅是百叶窗并不能提供足够的防雨保护。大多数新设施的设计除了进气口百叶窗外，还使用了延长式的屋顶悬垂或遮阳篷，这样能更好地提供雨雪保护。

进气面积不足会造成进气速度过快。这反过来又会产生紊乱气流，从而吸入更多的降水，导致过滤器的频繁维护。增加进气面积可以纠正许多这些问题。这可以通过几种不同的方式实现。厚褶式过滤器，增加进气表面积，具有更高的自由面积比。

一种近期越来越流行的进气设计是使用安装在挖矿设施侧壁上的多排平行的遮阳板。过滤后的进气口位于遮阳篷的底部。与墙壁进气设计相比，这种基于遮阳篷的进气设计可以提供更多的进气表面积。此外，由于进气口朝下，这种设计在过滤灰尘和花粉方面表现要好得多。

图十一：墙体嵌入式通风口及延长的屋顶

图十二：遮篷式进气口

二、热量回收

传统的空气处理设计并不认同热废气，而且它的重点基本都在“排放”二字上。在寻求提高利润率和可持续性的过程中，比特币矿工现在正试图通过更具创造性的方法来实现废气热量的回收。这种热量越来越多地被用于各种应用，如干燥木材、脱水农产品、加热水、水产养殖等。通过热回收应用提供的额外收入流可以抵消矿工的很大一部分运营成本。由于传统的比特币挖矿设施设计不允许热回收，所以这种创新将继续推动采矿设施的工程和设计变化。

图十三：利用矿机热量给温室供热

图十四：利用矿机热量烘干木块

总结

在过去的十年里，我们看到比特币挖矿的复杂性呈指数级增长。因此，对矿工来说，优化挖矿作业变得越来越重要。欢迎大家订阅我们的行业通讯，以获得即将发布的关于电气，网络和其他比特币挖矿设计方面的文章。祝大家在比特币挖矿的道路上越来越好!

相关链接：

1.https://altairtech.io/designing-a-bitcoin-mining-facility-airflow-management/?ref=hashrate-index

2.https://braiins.com/blog/impact-of-temperature-on-efficiency-of-antminer-x19s?ref=hashrate-index