خزان تخزين الجليد لمركز البيانات: التخزين الحراري بالجليد ومواد تغيير الطور
تم إنشاؤها اليوم
خزان تخزين الجليد لمركز البيانات: التخزين الحراري بالجليد وPCM
خزان تخزين الجليد لمركز بيانات هو وعاء لتخزين الطاقة الحرارية يخزّن التبريد كحرارة كامنة في الجليد أو في مادة تغيير الطور (PCM)، ويُفرّغها خلال ذروة الطلب الكهربائي أو ارتفاع أحمال التبريد لتقليص الحمل وخفض التكلفة. وبالمقارنة مع التخزين الحراري بالماء المبرد، فإن الجليد ومواد تغيير الطور تخزّن قدراً أكبر بكثير من التبريد لكل وحدة حجم لأنها تستخدم حرارة الانصهار الكامنة، لكنها تعمل عند درجة حرارة أقل وتفرض رفعاً أكبر على وحدة التبريد. والخزان عبارة عن وعاء مبطّن مثبّت بمسامير أو مصنّع وفقاً للمعيارين AWWA D103-09 وISO 28765، ويحتوي إما على كرات جليد مغلّفة، أو نظام جليد صفائحي، أو ملاط من مادة تغيير الطور — يُختار وفقاً لهدف تقليص الذروة في الموقع ودرجة الحرارة التي يمكن أن تستوعبها حلقة التبريد.
يسمح تخزين الطاقة الحرارية لمركز البيانات بإنتاج التبريد عندما تكون الطاقة رخيصة أو وفيرة، واستخدامه عندما تكون مكلفة أو مقيّدة. تخزين المياه المبرّدة هو الشكل المألوف، لكنه شره للحجم لأنه يخزّن الحرارة المحسوسة فقط. أما تخزين الجليد وتخزين المواد متغيرة الطور فيضغطان هذا الحجم بشكل هائل عبر تخزين الحرارة الكامنة، وذلك على حساب دورة تبريد أبرد وأكثر إجهاداً. وبالنسبة لمركز بيانات يسعى إلى تقليص الذروة أو خفض رسوم الطلب أو تقليل البصمة المكانية، فقد يكون الجليد أو المواد متغيرة الطور خياراً أفضل. وتتمثل الأخطاء في تحديد الجليد حيث تكفي المياه المبرّدة، أو تجاهل تأثير درجة الحرارة المنخفضة على رفع حمل المحطة، أو بناء خزان لا تستطيع بطاناته تحمّل دورات التجمد والذوبان وأحمال الملاط.
يشرح هذا الدليل خزان تخزين الجليد لمركز بيانات بدءًا من خيارات الجليد/المواد متغيرة الطور (PCM) وصولًا إلى مقارنة المياه المبردة ثم تحديد الأحجام والمواد.
خيارات تخزين الجليد والمواد متغيرة الطور
تأتي خيارات تخزين الجليد والمواد متغيرة الطور في عدة أشكال مادية، ويتبع تصميم الخزان الشكل المختار. وتختلف الأساليب الثلاثة الشائعة في طريقة صنع الجليد وتخزينه وإذابته.
1. الجليد المُغلَّف. كرات أو عبوات محكمة الإغلاق مملوءة بمحلول مخفَّض بنقطة التجمد توضع في خزان ماء؛ فتقوم وحدة التبريد بتجميدها ليلًا، ويؤدي الماء المتداول إلى إذابتها نهارًا. والخزان عبارة عن حجم بسيط محتوى يحتوي على العبوات والماء.
2. الجليد الصفيحي أو الساكن. يتشكل الجليد على ألواح أو ملفات داخل الخزان؛ حيث يقوم المبرد أو المحلول الملحي ببناء الجليد وإطلاقه مباشرة. ويضم الخزان مجموعة الألواح ودائرة مياه الذوبان.
3. مادة تغيير الطور (PCM). مادة مُركّبة ذات درجة انصهار مضبوطة تخزّن الحرارة الكامنة في نطاق أضيق من الجليد المائي، مما يسمح بتصميم خزان حول نطاق درجة الحرارة المفيد لمركز البيانات بدلاً من 0 °C.
كل شكل يغيّر الأجزاء الداخلية للخزان، ومسار الانصهار/التفريغ، ودرجة الحرارة التي يتم عندها تسليم التبريد المخزّن.
الجليد وPCM مقابل TES بالماء المبرد
يخزن الجليد وPCM ما يقارب ضعف مقدار التبريد لكل متر مكعب مقارنة بالماء المبرد، لكن عند درجة حرارة أقل ورفع أعلى للمحطة. المقارنة هي سؤال الاختيار الأساسي.
· كثافة التخزين. يخزّن الماء المبرد الحرارة المحسوسة عبر بضع درجات من الرفع الحراري؛ بينما يخزّن الجليد حرارة الانصهار الكامنة، لذا تحتاج سعة تبريد معينة إلى حجم خزان أقل بكثير.
· عقوبة درجة الحرارة. يُفرِّغ الجليد ومواد تغيير الطور (PCM) عند درجة حرارة أقل من تخزين الطاقة الحرارية بالماء المبرد، لذا تعمل وحدة التبريد بجهد أكبر (رفع حراري أكبر) لإنتاج الجليد، مقايضةً الحجم مقابل الطاقة وحجم المعدات.
· ملاءمة تقليص الذروة. حيث يكون الهدف هو تقليل رسوم الطلب أو نقل التبريد خارج نافذة الذروة، غالبًا ما يسترد مخزن الجليد/PCM المدمج تكلفته رغم الغرامة.
· متى يفوز الماء المبرد. حيث لا يكون الحجم مقيدًا وتكون درجة حرارة الحلقة معتدلة، يتجنب TES بالماء المبرد الرفع منخفض الحرارة ويكون أبسط.
القرار هو مقايضة بين البصمة والرفع، وليس اختيارًا افتراضيًا للخيار الأكثر كثافة.
السمة | TES بالماء المبرد | تخزين الجليد / PCM |
آلية التخزين | الحرارة المحسوسة | الحرارة الكامنة (الانصهار) |
الحجم لكل وحدة تبريد | مرتفع | منخفض (أكثر كثافة بكثير) |
درجة حرارة التفريغ | معتدلة (مثل 4–7 °C) | منخفضة (قرب 0 °C أو نقطة المواد متغيرة الطور) |
رفع المحطة | أقل | أعلى |
أفضل استخدام | المواقع المتوفرة المساحة | تقليص الذروة، محدود المساحة |
مادة الخزان وواجب التجمد والذوبان
يجب أن يتحمل خزان تخزين الجليد أو المواد متغيرة الطور (PCM) دورات التجميد والذوبان المستمرة، وبالنسبة للأشكال الملاطية، التآكل، لذلك يتم تحديد البطانة والغلاف لهذه الخدمة. وهذا أصعب من تخزين المياه الساكن.
· GFS (الزجاج المنصهر على الفولاذ). المينا المحروق عند 820–930 درجة مئوية يعطي طبقة خارجية ناعمة وصلبة (Ra < 0.8 ميكرومتر، التصاق أعلى من 3,450 نيوتن/سم²) تقاوم دورات التجميد والذوبان وتآكل الحبيبات/الملاط؛ يتم اختبار كل لوح بالشرارة عند 1,500 فولت تيار مستمر.
· مبطن بـ FBE ومثبت بمسامير. بطانة إيبوكسي موثقة (على غرار AWWA C550) تم التحقق من صحتها لنطاق التجميد والذوبان ودرجات الحرارة.
· أوعية مصنعة. بالنسبة لوحدات الجليد الصفائحي أو وحدات PCM المدمجة، تناسب الخزانات المصنعة من الفولاذ المقاوم للصدأ أو المبطنة بـ FBE الملف الداخلي أو حزمة الألواح.
· الغلاف الحراري. لأن المخزن بارد، تحدّ العزل الخارجي والسقف المحكم من اكتساب الحرارة الذي قد يؤدي إلى ذوبان المخزون قبل الأوان.
يُختار التبطين بحيث لا يؤدي التجمد المتكرر وأي تآكل من الحاويات/الملاط إلى تدهور الاحتواء على مدى العقود التي تعمل فيها المحطة.
الشكل | الأجزاء الداخلية للخزان | درجة حرارة التصريف |
جليد مغلف | عبوات في الماء | ذوبان قرب 0 °C |
جليد صفائحي / ساكن | كومة ملف أو صفائح | ذوبان قرب 0 °C |
PCM | مادة ذوبان مضبوطة | نقطة ذوبان PCM |
التحجيم لتقليص الذروة
يُحدَّد حجم خزان تخزين الجليد بناءً على سعة التبريد المطلوب نقلها ونافذة التفريغ، ويُعبَّر عنه بحجم التخزين الكامن بدلاً من الأطنان المحسوسة. تحدد ثلاثة مدخلات السعة.
4. التبريد المطلوب نقله. سعة التبريد عند ذروة الطلب أو الهدف خارج الذروة، بالأطنان التبريدية أو بالكيلوواط ساعة، التي ترغب المنشأة في تخزينها بدلاً من توليدها عند الذروة.
5. نافذة التفريغ. عدد الساعات التي يجب أن يُفرِّغ خلالها المخزن أثناء فترة الذروة، وهو ما يحدد معدل التخزين المطلوب بالإضافة إلى الحجم الإجمالي.
6. حد درجة الحرارة والرفع. أدنى درجة حرارة تفريغ مفيدة والرفع التبريدي الذي يمكن للمنشأة قبوله، مما يحدد ما إذا كان الجليد أو PCM بدرجة حرارة أعلى هو الخيار الصحيح.
النتيجة هي مخزن كامن مدمج مُقاس وفق الحمل والنافذة المنقولة، مُرجع إلى حدود درجة حرارة الحلقة — وليس حجم ماء مبرد يُساء تطبيقه على واجب الجليد.
التكامل مع محطة التبريد
يتصل مخزن الجليد أو PCM بمحطة تبريد مركز البيانات عبر دائرة شحن/تفريغ يجدولها نظام التحكم حول نافذة الذروة. انتظام التكامل مهم.
· الشحن خارج أوقات الذروة. تقوم محطة التبريد بتجميد المخزن (أو ضبط PCM) عندما تكون الكهرباء أرخص أو عندما تكون لدى المحطة المركزية قدرة فائضة.
· التفريغ في وقت الذروة. خلال نافذة الذروة يغذّي المخزن حلقة التبريد، مما يقلل حمل المبردات ورسوم الطلب.
· امزج مع الماء المبرد. تعتمد العديد من المواقع نظامًا هجينًا: تخزين الطاقة الحرارية بالماء المبرد للإزاحة المعتدلة، والجليد/المواد متغيرة الطور لأشد الذروات، ويتم جدولتهما معًا.
يحوّل هذا الجدولة المخزن الكثيف إلى انخفاض قابل للقياس في الطلب الكهربائي الأقصى.
حالة مشروع
لا يوجد حتى الآن مرجع مخصص لتخزين الجليد في مراكز البيانات ضمن المحفظة المسلَّمة، لذا كُتب هذا المقال كإرشاد هندسي بدلاً من الاستشهاد بمشروع. وتتجلى قدرة الشركة على توريد خزانات حرارية وخزانات تخزين مياه كبيرة مثبتة بالبراغي في قطاعات مجاورة: فقد نُفِّذت برامج مكافحة الحرائق في الخارج بخزانات GFS بسعة تصل إلى 12,261 م³ (الهند، 3 خزانات، 2024-06) و1,666 م³ (سنغافورة، خزانان، 2026-01)، مصنَّعة وفق المعايير ذاتها الخاصة بالخزانات المثبتة بالبراغي. وتُثبت تلك المراجع توريد الخزانات المثبتة بالبراغي كبيرة الحجم وضمان الجودة لبطانات قادرة على تحمل دورات التجمد والذوبان؛ وهي مشاريع مكافحة حرائق وليست منشآت تخزين جليد في مراكز بيانات، ولا يُستشهد بها هنا إلا بوصفها سياقاً لقدرات الشركة.
القدرة الهندسية لشركة Center Enamel
مركز المينا (شركة شيجياتشوانغ تشنغتشونغ للتكنولوجيا المحدودة) تصمم وتصنع صهاريج تخزين مثبتة بمسامير منذ عام 2008. بصفتها أول شركة مصنعة لصهاريج الفولاذ المكسو بالزجاج (GFS) في الصين، تمتلك الشركة ما يقرب من 200 براءة اختراع متعلقة بالمينا، وتنتج حوالي 300,000 لوح فولاذي مكسو بالمينا سنويًا، وأكملت أكثر من 30,000 مشروع مركب وتورد صهاريجها إلى أكثر من 100 دولة. تمت إضافة قاعدة الإنتاج الجديدة التي تبلغ مساحتها 150,000 متر مربع لرفع الطاقة الإنتاجية، ويتم توريد صهاريج فردية بسعة تصل إلى 60,000 متر مكعب. 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، ويتم التصميم بالرجوع إلى AWWA D103-09 وAWWA C550 وISO 28765 وNSF/ANSI 61 حيثما يتطلب التطبيق ذلك.
بالنسبة لتخزين الجليد والمواد متغيرة الطور، توفر الشركة خزانات GFS وFBE المثبتة بمسامير مع بطانات مقاومة للتجمد والذوبان والتآكل، وأسقف معزولة محكمة الإغلاق، ووثائق الطلاء/اختبار الشرر للمراجعة.
الأسئلة الشائعة
س1: كيف يختلف تخزين الجليد عن تخزين الطاقة الحرارية بالماء المبرد؟
A1: يخزن الجليد ومواد تغيير الطور الحرارة الكامنة للانصهار، مما يوفر كثافة تبريد أعلى بكثير لكل وحدة حجم مقارنة بالحرارة المحسوسة للماء المبرد، ولكن عند درجة حرارة تفريغ أقل ورفع تبريد أعلى.
س2: أيهما أفضل لتقليص ذروة الطلب؟
ج2: يناسب الجليد أو مواد تغيير الطور المواقع المحدودة المساحة ونوافذ الطلب الذروي الحادة حيث يسترد المخزن الكثيف تكلفته رغم انخفاض درجة الحرارة وارتفاع الرفع؛ بينما يناسب الماء المبرد المواقع المتوفرة المساحة والمعتدلة الحرارة.
س3: ما هي الأشكال الرئيسية للجليد/مواد تغيير الطور؟
ج3: الجليد المغلف (كبسولات في الماء)، والجليد الصفائحي أو الساكن (جليد على الملفات/الألواح)، ومواد تغيير الطور المضبوطة على درجة حرارة انصهار مفيدة؛ كل منها يغير الأجزاء الداخلية للخزان ومسار التفريغ.
س4: كيف يؤثر التجمد والذوبان على الخزان؟
A4: يتطلب التجميد المتكرر وأي تآكل ناتج عن الحبيبات/الملاط بطانة صلبة ومقاومة؛ يتم تحديد مينا GFS (Ra < 0.8 ميكرومتر، اختبار شرارة 1,500 فولت تيار مستمر) أو درجة FBE موثقة، مع عزل للحد من اكتساب الحرارة.
س5: كيف يتم تحديد حجم الخزان؟
A5: من سعة التبريد المطلوب نقلها، ونافذة التصريف، وأدنى درجة حرارة/رفع مفيد تقبله المحطة — محسوبة كحجم تخزين كامن، وليس كحجم ماء مبرد.
Q6: هل يمكن دمج تخزين الجليد مع TES الماء المبرد؟
A6: نعم. تشغّل العديد من المواقع نظامًا هجينًا، باستخدام TES الماء المبرد للنقل المعتدل والجليد/PCM لأشد ذروة، مجدولة معًا بواسطة نظام التحكم.
Q7: ما المعايير المطبقة؟
A7: AWWA D103-09 للبناء المثبت بالبراغي وISO 28765 للتصميم المطلي بالمينا الزجاجية حيثما لزم؛ NSF/ANSI 61 وWRAS ينطبقان حيث تلامس مياه الحلقة تبطينًا مجاورًا لمياه الشرب.
خزان تخزين جليد لمركز بيانات يقايض رفع المحطة بكثافة التخزين، ويخزّن التبريد كحرارة كامنة في الجليد أو المواد متغيرة الطور لتقليص الذروات وخفض رسوم الطلب حيث تجعل المساحة المحدودة أو الذروات الحادة الماء المبرد غير عملي. اختر الشكل — مغلّف أو صفائحي أو مادة متغيرة الطور — وفق حدود درجة حرارة الموقع، وحدّد بطانة GFS أو FBE مقاومة للتجميد والذوبان والتآكل، وحدّد حجم المخزن وفق الحمل المُزاح ونافذة التشغيل، وأحِل التصنيع إلى AWWA D103-09 وISO 28765. بهذه الطريقة، يكتسب التخزين الحراري مكانه المدمج في استراتيجية التبريد.
تحدث إلى مهندس
بالنسبة لخزان تخزين الجليد لمركز بيانات، أرسل لنا سعة التبريد التي ترغب في نقلها، ونافذة التصريف القصوى، وأدنى درجة حرارة مفيدة في دائرتك وحد رفع التبريد، وشكل الجليد/PCM الذي تفضله. سنعيد إليك توصية بشكل التخزين، ومواصفات خزان مثبت بمسامير GFS أو FBE مع بطانة مقاومة للتجمد والذوبان وسقف معزول، ودراسة تحجيم للتخزين الكامن مُستشهد بها وفق AWWA D103-09 وISO 28765 مع وثائق الطلاء واختبار الشرر.
واتساب