خزانات تخزين الطاقة الحرارية في مراكز البيانات: كيف يُحسّن التخزين البارد كفاءة التبريد
تم إنشاؤها اليوم
خزانات الطاقة الحرارية لمراكز البيانات: كيف تُحسّن التخزين البارد كفاءة التبريد
يحتفظ خزان الطاقة الحرارية لمراكز البيانات بالمياه المبردة المنتجة خلال ساعات خارج الذروة ويصرفها خلال فترة الذروة، بحيث تعمل المبردات بحمل ثابت وفعّال بدلاً من تتبع حرارة تكنولوجيا المعلومات كل ساعة. مع فرق درجة حرارة قابل للاستخدام يبلغ 4-7 كلفن ونسبة قابلة للاستخدام واقعية تبلغ 70-90%، يحمل خزان طبقي واحد عدة ساعات من حمل التبريد ويمنح المشغلين نافذة تحمّل محددة عندما تتعطل المبردات. لا يُنشئ الخزان التبريد؛ بل ينقل ذلك التبريد عبر الزمن.
في قاعة فائقة الحجم، يكون منحنى حمل تكنولوجيا المعلومات مسطحًا إلى حد كبير بينما تُصمَّم محطة التبريد ليوم تصميمي أكثر حرارة، ومع ذلك يقضي الحمل المقاس معظم الساعات أقل بكثير من ذلك السقف، لذا تعمل المحطة عند حمل جزئي منخفض وتمتص مع ذلك كل ارتفاع حراري سريع تنتجه الرفوف.
تفرض العديد من التعرفات رسومًا على ذروة الطلب بالكيلوواط وكذلك على الطاقة بالكيلوواط ساعة، لذا فإن المحطة التي تلاحق كل ارتفاع في تكنولوجيا المعلومات تدفع ثمن الارتفاع بدلًا من الكيلوواط ساعات المستهلكة. وعندما يتعطل المبرد، يكون الشيء الوحيد بين ارتفاع درجة حرارة الماء العائد والإغلاق هو الماء المتبقي في الأنابيب.
يعالج خزان تخزين الطاقة الحرارية في مركز البيانات كلا الأمرين عبر نقل التبريد في الزمن بدلًا من توليد المزيد منه خلال الذروة. ويغطي ما يلي ماهية الوعاء، وموقعه في السلسلة، وكيفية تحديد سعته، وأي أوضاع التشغيل تبرر النفقات.
ما هو خزان تخزين الطاقة الحرارية في مركز البيانات
حجم معزول من الماء المبرد، يُحفظ عند درجة حرارة الإمداد ويُعاد إلى حلقة المحطة كلما تجاوز الطلب ما تم ضبط المبردات على تقديمه. لا شيء بداخله ينتج التبريد.
· التخزين، وليس التوليد. إنه يحتفظ بالطاقة التي دفع المبردات ثمنها بالفعل، لذا فإن مقارنته بمحطة مبردات أكبر يقارن رأس المال مقابل رسوم الطلب وعقوبة الحمل الجزئي.
· يُشحن عند نقطة كفاءة المحطة. في نافذة خارج الذروة تعمل المبردات قرب الحمل الكامل وتنتج ماءً عند 4-6 °م بينما يمتلئ الحجم، لذا لا يتبع المبرد منحنى تكنولوجيا المعلومات بعد الظهر.
· يُفرَّغ داخل النطاق نفسه. عادةً ما يكون الإمداد الخارج من الخزان عند 6-8 °م، لذا فإن المزج مع تيار المبرد لا يدفع الحلقة أبدًا فوق درجة الحرارة التي تقبلها معدات تكنولوجيا المعلومات.
· مدة محدودة، وليست استقلالية. الخزان المصمم لأربع ساعات ذروة يوفر أربع ساعات تحت الحمل المفترض، وذكر هذه المدة هو الخطوة الأولى في أي دراسة موثوقة لخزان تخزين الطاقة الحرارية لمركز بيانات.
موقع الخزان في سلسلة التبريد
عادةً ما يتم توصيل خزان تخزين الطاقة الحرارية لمراكز البيانات على الأنبوب المشترك بين محطة التبريد ورأس التوزيع، بالتوازي مع المبردات وليس خلفها. يثبّت هذا الترتيب منطق التحكم ومخزون الصمامات وسلوك المحطة عند التسليم.
· حلقة المبرد وحلقة التوزيع. يغذّي كل منهما الأنبوب المشترك عبر صمامات العزل وعدم الرجوع، وتسحب مجموعة مضخات جانب التوزيع من أي تركيبة اختارها نظام التحكم، مما يحافظ على استقلالية الخزان عن ضغط المبخر. قد يتواجد التخزين أيضًا في اتجاه المنبع من المبردات، حيث يمزج التفريغ مع العائد قبل المبخرات على حساب تدفق النظام الكامل عبر الخزان.
· التسليم والتجاوز والملء والتصريف. يجب أن يغيّر المنطق نقطة ضبط المبرّد قبل فتح صمام العزل، بحيث لا تنخفض درجة حرارة الإمداد ولا تتعافى. تحتاج المحطة أيضًا إلى تجاوز خدمي، ومسار ملء وتنفيس، ومصرف، لأن الخزان الذي لا يمكن تفريغه لا يمكن فحصه.
تحديد السعة: من حمل تكنولوجيا المعلومات إلى حجم الخزان
الحجم ليس قرارًا تقديريًا؛ بل ينتج عن الحمل وفرق درجة الحرارة وعدد الساعات المغطاة.
1. حدّد الحمل والتدفق. اقسم حمل حرارة تكنولوجيا المعلومات المخصص للتخزين على ΔT للحلقة. قاعة بقدرة 5 ميغاواط عند 7 كلفن تحتاج إلى نحو 615 م³/س.
2. طبّق معادلة الطاقة. Q = V × ρ × cp × ΔT، مع الماء عند cp ≈ 4.186 kJ/kg·K و ρ ≈ 1000 kg/m³، أي نحو 1.163 kWh لكل متر مكعب لكل كلفن، لذا نحو 7 kWh نظريًا لكل م³ عند ΔT قابل للاستخدام قدره 6 كلفن.
3. طبّق النسبة القابلة للاستخدام. يُزيل الخلط والكسب المحيطي والتقصير جزءًا من القيمة النظرية؛ يعتمد المصممون على 70-90%، والنسبة الأدنى تكون للصدفة العالية مع موزّع موضوع بشكل سيئ.
4. التحويل إلى وعاء. اقسم الطاقة القابلة للاستخدام على الحمل والساعات، ثم قرّب إلى قطر عملي وارتفاع غلاف مناسب.
أوضاع التشغيل التي تبرر الخزان
التخزين الكامل يشحن خارج أوقات الذروة ويوقف المحطة خلال الذروة، مما يوفر أكبر توفير في الطلب وأكبر حجم: خزان ممتلئ في بداية اليوم، فارغ في نهايته. التشغيل العابر يغطي حالة المستوى الثالث أو الرابع، حيث يكون المبرد المأخوذ للصيانة غير مخطط له لولا ذلك.
المواصفات الفنية
عناصر الواجهة تولد معظم التغيير الهندسي في مشروع التخزين.
البند | القيمة أو الخيار النموذجي | المحركات |
حدود الوعاء | جوّي يُركّب في الموقع، أو داخل حدود ضغط النظام | سماكة الغلاف، تصنيفات الفوهات، تصريف الضغط |
فرق درجة الحرارة القابل للاستخدام | 4-7 كلفن، عادةً 6 كلفن (5 °م إلى 11 °م) | الطاقة المخزنة لكل متر مكعب |
درجة حرارة الشحن والتفريغ | شحن 4-6 °C، تصريف 6-8 °C | نطاق مدخل تكنولوجيا المعلومات وهامش المزج |
الجزء القابل للاستخدام | 70-90% من النظري | الحجم الإجمالي |
سرعة الدخول | 0.5-1 م/ث عبر الناشر | جودة التقسيم الطبقي |
قائمة الفوهات والأجهزة | الشحن، التفريغ، الإرجاع، التعبئة، التهوية، التصريف، المستوى، فتحة الدخول | عدد الصمامات والوصول إليها |
العزل الحراري | الصوف المعدني، حاجز الطقس، الكسوة المستمرة | الكسب الحراري الساكن |
الأساس | حلقة أو وسادة خرسانية مع تفاصيل الجسر الحراري عند نقاط الدعم | تفاصيل تسجيل الغلاف والتجميد |
دراسة حالة المشروع
تشمل أعمالنا المرجعية المسلّمة في قطاع المياه ومياه الصرف الصحي خزانات مثبتة بمسامير ذات قطر كبير يتم تركيبها في الموقع، مثل التركيب رباعي الأغلفة أدناه، وقد تم تصميم نطاق تخزين الطاقة الحرارية لمركز البيانات وفقًا للمعايير نفسها.
ملخص دراسة حالة المشروع
المشروع | المنتج | السعة | الأبعاد | الإكمال |
ناميبيا - تخزين مياه الشرب (P-A) | 01 خزان زجاجي ملحوم مدمج بالصلب من GFS | 44,900 م³ إجمالاً، 4 خزانات | 4 × φ41,260 مم × 8,400 مم | سبتمبر 2022 |
خرجت تلك الأغلفة من المصنع كألواح مطلية بالمينا، وشُحنت كحلقات منفصلة وبُنيت حلقة بحلقة في الموقع. تسلسل التركيب واختبار العطل هما ما يرثه وعاء جانب التبريد.
القدرة الهندسية لـ Center Enamel
سنتر إنامل (شركة شيجياتشوانغ تشنغتشونغ للتكنولوجيا المحدودة) تقوم بتصميم وتصنيع خزانات التخزين المثبتة بالبراغي منذ عام 2008. وباعتبارها أول شركة مصنعة لخزانات الفولاذ المدمج بالزجاج (GFS) في الصين، تمتلك الشركة ما يقرب من 200 براءة اختراع متعلقة بالمينا، وتنتج حوالي 300,000 لوح فولاذي مطلي بالمينا سنويًا، وقد أكملت أكثر من 30,000 مشروع مركّب وتورّد خزاناتها إلى أكثر من 100 دولة. تمت إضافة قاعدة الإنتاج الجديدة التي تبلغ مساحتها 150,000 م² لرفع الطاقة الإنتاجية، ويتم توريد الخزانات الفردية بسعة تصل إلى 60,000 م³. تتم عمليات التصنيع وفقًا لمعايير ISO 9001 وISO 45001، مع شهادات المنتجات بما في ذلك NSF/ANSI 61 وWRAS وFDA وLFGB وCE (EN 1090) وISO 28765 وFM وBSCI وEUROCODE، والتصميم مستند إلى AWWA D103-09 وAWWA C550 وNFPA حيثما يتطلب التطبيق ذلك.
غلاف التخزين وجودة المياه
· يتم طلاء الأصداف المصنوعة من الفولاذ المدمج بالزجاج بالمينا عند 820-930 درجة مئوية بطبقة مينا بسماكة 0.25-0.45 مم، وقوة التصاق 3450 نيوتن/سم²، واختبار عطلة 1500 فولت تيار مستمر، وخشونة سطح Ra أقل من 0.8 ميكرومتر، مما يحافظ على السطح الداخلي أملس بما يكفي للحفاظ على طبقة حرارية مستقرة مع فقدان ضغط طفيلي منخفض.
· يغطي خدمة المياه المبردة السائبة الجوية مسار تصميم AWWA D103-09 ومراقبة الإنتاج في المصنع ISO 28765، مع تطبيق NSF/ANSI 61 وWRAS عند تصنيف المياه كمائع نظام صالح للشرب.
· يتضمن سجلنا المرجعي لخزانات المياه الجوية ذات القطر الكبير والسعة العالية مشروع المياه الصالحة للشرب في ناميبيا المكون من 4 خزانات بأبعاد φ41.26 م × 8.4 م بإجمالي 44,900 م³، والذي اكتمل في 2022-09.
الأسئلة الشائعة
س1: هل يقلل خزان تخزين الطاقة الحرارية لمركز البيانات من عدد المبردات المشتراة؟
A1: فقط في حالة التخزين الكامل. إذا أوقفت المحطة المبردات تمامًا في وقت الذروة، يمكن تحجيمها للحمل المتوسط بدلاً من حمل الذروة. في تصاميم التخزين الجزئي أو الاستمرارية، تحتفظ المبردات بحجمها وتغطي الخزان جزءًا من الذروة.
س2: كم ساعة من التخزين تكون مجدية اقتصاديًا؟
ج2: معظم المشاريع تقع بين ساعتين وست ساعات ذروة. أقل من ساعتين يتنافس الخزان مع وعاء عازل بسيط ولا ينفصل رأس المال عن الفائدة؛ فوق ست ساعات تقريبًا، يزداد الحجم والمساحة بينما ينخفض التوفير لكل متر مكعب.
س3: هل يمكن أن يكون الخزان داخل حدود الضغط لنظام الماء المبرد؟
A3: يمكن ذلك، على الرغم من أن الوعاء الجوي المُقام في الموقع شائع للأحجام الكبيرة لأن سماكة الجدار وتصميم الفوهات يبقيان بسيطين ويمكن فحص الغلاف من الداخل. في جانب تصريف المضخة ينضم إلى الحدود الضغطية، ثم تُحسب السماكة والفتحات والتنفيس وفقًا لضغط التصميم ودرجة الحرارة في المواصفات.
س4: ماذا يحدث عندما تتوقف المبردات وتتوقف المضخات معها؟
ج4: خزان طويل معزول يفقد حرارة قليلة خلال بضع ساعات؛ الخطر الحقيقي هو الخلط. إذا استمر دخول ماء الإرجاع الدافئ بينما توقف الدوران، فإن الطبقة الحرارية تنتقل للأعلى ويتقلص البرد القابل للاستخدام أسرع مما يوحي توازن الحرارة. الخزان الممتلئ يحتفظ بشحنته أطول من خزان مفرغ جزئيًا.
س5: هل يحتاج الماء المبرد الراكد إلى معالجة خاصة؟
A5: نعم. الماء المبرد الراكد عرضة للنمو البيولوجي ولتآكل الملحقات المصنوعة من الفولاذ الكربوني عند وجود الأكسجين، لذا فإن المبيد الحيوي والتحكم في درجة الحموضة والفحص الدوري تنتمي إلى خطة التشغيل التجريبي، ويجب أن تكون البطانة مناسبة لبرنامج المعالجة الذي تشغله المنشأة بالفعل.
يفصل خزان تخزين الطاقة الحرارية في مركز البيانات محطة التبريد عن الطلب اللحظي لتصريف الحرارة الناتج عن حمل تكنولوجيا المعلومات. اختر فرق درجة الحرارة القابل للاستخدام، وطبّق معادلة الطاقة مع نسبة قابلة للاستخدام واقعية، وتحقق من تدفق التصريف مقابل سعة مضخة الحلقة. حيث تهيمن رسوم الطلب على الجدوى التجارية يكون الأمر واضحًا؛ وحيث يكون انقطاع التبريد غير مخطط له لولا ذلك، فإن حجة الموثوقية هي التي ترجح كفته.
الخزان الذي يلبي سعته القابلة للاستخدام يفصله عن الذي يقصر عنها التفاصيل: سرعة الدخول، وموضع الناشر، واستمرارية العزل عند نقاط الاستناد، ومنطق التحكم عند التسليم.
تحدث إلى مهندس
أرسل لنا منحنى حمل تقنية المعلومات، ودرجات حرارة الإمداد والعودة، وهيكل التعريفة، ومساحة الأرض. سنعمل معك على حساب تحجيم الخزان، ونحدد النسبة القابلة للاستخدام التي سنضمنها للهندسة المقترحة، ونعيد ورقة مواصفات تغطي القطر، والارتفاع المستقيم، وقائمة الفوهات، وسماكة العزل، واختيار الطلاء. وحيثما كان طلب المبرد لا يزال مفتوحًا، ناقش تكامل تخزين الطاقة الحرارية قبل تقديمه، لأن ترتيب التوصيل يحدد معظم منطق التحكم.
واتساب