خزانات TES: مرجع سريع للتخزين الحراري في تبريد مراكز البيانات
تم إنشاؤها اليوم
خزانات TES: مرجع سريع للتخزين الحراري في تبريد مراكز البيانات
يخزّن خزان تخزين الطاقة الحرارية (TES) التبريد إما كحرارة محسوسة في مياه مبردة متطبقة، أو كحرارة كامنة في الجليد، أو كحرارة كامنة في مادة تغيير الطور، ويتيح لمحطة المبردات تقليص الطلب في أوقات الذروة أو تجاوز حدث طارئ؛ ويُختار التصميم المناسب بناءً على ارتفاع درجة الحرارة المتاح، والمساحة، والحمل الذي يجب أن تؤديه وحدة التخزين.
مقدمة
تخزين الطاقة الحرارية (TES) في محطة تبريد مركز البيانات هو خزان يخزّن التبريد عندما يكون رخيصًا أو وفيرًا ويعيده عندما يقتضي الحمل أو التعرفة ذلك. وهو أكبر رافعة منفردة تملكها معظم محطات التبريد لخفض الطلب الكهربائي في أوقات الذروة وتجاوز حدث شبكي دون وقود مولدات، ويعمل مع المبردات التي تملكها بالفعل بدلاً من استبدالها.
هذا مرجع موجز، وليس دليل تصميم. يخبرك ما هو خزان TES، والهندسات الثلاث الشائعة الاستخدام والأرقام التي تحدد كلًا منها، وكيف يعيد التخزين تشكيل محطة التبريد، وما تكلفته وما يعود منه، والحالات التي لا يستحق فيها التنفيذ، والأسئلة التي يجب أن تأخذها إلى مختص قبل أن تلتزم برأس المال. الأساس الفيزيائي هو دليل ASHRAE؛ ويتبع الاختبار الأدائي لخزانات التخزين إجراءات الاختبار الموحدة المنشورة من IAPMO.
اقرأ هذا أولًا عندما تكون في مرحلة التوجيه، ثم خذ الأسئلة في النهاية إلى المهندس الذي سيحدد حجم الخزان الفعلي.
ما هو خزان TES في فقرة واحدة
خزان تخزين الطاقة الحرارية (TES) هو مخزن لسعة التبريد، وليس مولّدًا لها. فهو يحتوي على حجم من السائل عند درجة حرارة مفيدة للمنشأة، يُشحن بواسطة المبردات عندما تكون هناك سعة فائضة أو طاقة رخيصة، ويُفرَّغ إلى ملف التبريد أو شبكة التوزيع عندما يتطلب الحمل أو التعرفة ذلك. الخزان نفسه لا يقوم بأي تبريد؛ بل يفصل بين وقت إنتاج التبريد ووقت استخدامه.
بالنسبة لمركز البيانات، القيمة مزدوجة. تشغيليًا، ينقل المنشأة عبر اضطراب في الشبكة أو توقف مفاجئ للمبرد للدقائق أو الساعات التي يمكن أن تغطيها الكتلة الحرارية، واقتصاديًا، يسمح للمبردات بالعمل ليلًا أو خلال تعرفة خارج أوقات الذروة لملء الخزان، ثم تقليص أو تجنب ذروة الطلب الكهربائي خلال النهار. الخزان هو الوسيط بين المبردات والحمل في الزمن، وليس فقط في التدفق كما يفعل خزان الموازنة.
المعماريات الثلاث
تهيمن ثلاث معماريات. تخزين المياه المبردة الطبقية هو الأبسط: خزان مياه مرتفع يُشحن باردًا في القاع ودافئًا في الأعلى، يفصل بينهما طبقة حرارية متدرجة، بحيث تسحب المحطة المياه الباردة من القاع وتعيد المياه الدافئة إلى الأعلى. ويعمل عبر ارتفاع حراري متواضع قدره بضع درجات ويستخدم المياه العادية كوسط.
يستخدم تخزين الجليد الحرارة الكامنة للانصهار: كثافة طاقة لكل حجم أكبر بكثير من الماء، ويُبنى على شكل جليد على ملف حيث يتشكل الجليد حول أنابيب تتدفق عبرها المحلول الملحي، أو على شكل حصّاد ديناميكي يصنع الجليد ويخزنه بشكل منفصل. ويقع تخزين المواد متغيرة الطور بينهما، باستخدام ملح أو مزيج سهل الانصهار ينصهر ويتجمد عند درجة حرارة مختارة، مما يوفر تخزينًا كامنًا عند نقطة ضبط محددة دون درجات حرارة المحلول الملحي المنخفضة جدًا التي يتطلبها الجليد.
الأرقام التي تحدد كل معمارية
الأرقام التي تحدد كل معمارية هي كثافة الطاقة ورفع درجة الحرارة الذي تحتاجه. يخزن الماء المبرد الطبقي حوالي 1.16 كيلوواط ساعة لكل متر مكعب لكل درجة مئوية من دلتا-T (rho x cp x delta-T)، لذا فإن تغييرًا بمقدار 5 درجات مئوية (9 درجات فهرنهايت) يعطي حوالي 5.8 كيلوواط ساعة/م3، والخزان كبير لكن المبردات تبقى عند درجات حرارة الماء المبرد العادية.
يخزن الجليد حوالي 93 كيلوواط ساعة/م3 من الحرارة الكامنة عند نقطة التجمد، لذا تكون الخزان أصغر بكثير لنفس الطاقة، لكن يجب على المبردات إنتاج محلول ملحي قريب من 0 درجة مئوية (32 درجة فهرنهايت) أو أقل، مما يكلف رفعًا وكفاءة. تخزن المواد متغيرة الطور عند درجة حرارة انصهارها، عادةً عشرات الكيلوواط ساعة/م3، بين الطرفين. الاختيار هو مقايضة بين حجم الخزان ورفع المبرد ودرجة الحرارة التي يمكن للتوزيع قبولها. نادرًا ما يكون الاختيار حول أيها يخزن أكبر قدر من الطاقة لكل متر مكعب، لأن المحطة عادةً ما تستطيع توفير مساحة لخزان؛ بل يتعلق برفع المبرد الذي تتطلبه البنية المختارة ودرجة حرارة التوزيع التي ستقبلها الملفات الموجودة فعليًا.
كيف يغير ذلك محطة التبريد
يغير التخزين محطة التبريد من خلال السماح لها بالعمل مقابل الخزان بدلاً من الحمل اللحظي. في وضع الشحن، تملأ المبردات الخزان، بحجم يتناسب مع متوسط الحمل خلال نافذة الشحن بدلاً من الذروة، لذا يمكن لمحطة تبريد أصغر أو أبطأ أن تخدم حمل ذروة أكبر مما تستطيع دون تخزين.
في وضع التفريغ توفّر الخزان جزءاً من التبريد أو كله، لذا يمكن خفض حمولة المبرّدات أو إيقافها خلال فترة الذروة أو الحدث. يكتسب نظام التحكم في المنشأة درجة من الحرية: متى يُنتَج التبريد ومتى يُستخدَم، يُحدِّدها التعرفة أو إشارة الشبكة أو خطة المرونة بدلاً من طلب الملف الحي. تلك الحرية هي الأصل؛ والخزان هو العتاد الذي يحملها.
كم يكلّف وكم يوفّر
ما يكلّفه هو الخزان والمضخة الإضافية والتوزيع وأنظمة التحكم لشحنه وتفريغه؛ وما يوفّره هو الطلب الكهربائي في وقت الذروة، ورسوم الطلب المرتبطة به، وفي بعض الأسواق القدرة على تجنّب مولد أو تقليل وقوده. والعائد دالة على هيكل التعرفة وعلى عدد المرات التي تُقتطع فيها الذروة فعلياً، وليس نسبة ثابتة.
البيان الصادق هو أن التوفير يعتمد على الواجب: فالمصنع الذي يبلغ ذروة استهلاكه بقوة مقابل رسم طلب حاد يستعيد الخزان أسرع من مصنع ذي منحنى استهلاك مستوٍ، والحرم الجامعي الذي يحتاج إلى المرونة خلال أحداث الشبكة يُقدّر الخزان لما يوفره من استمرارية التشغيل بغض النظر عن التعريفة. قم بقياس كل من خفض الطلب وقيمة المرونة قبل الالتزام برأس المال، لأن أحدهما أو الآخر عادةً ما يحمل الحجة.
عندما لا يكون ذلك منطقيًا
لا يستحق التخزين الحراري العناء عندما يكون منحنى الحمل مسطحًا بالفعل، أو عندما لا تحمل التعريفة رسوم طلب جديرة بالتقليص، أو عندما لا يتوفر في الموقع مساحة ولا قدرة على تحمل رفع حمل المبرد الذي تتطلبه البنية المختارة. فالمحطة التي لا تبلغ ذروة مقابل رسم ليس لديها ما يخففه الخزان، ويبقى رأس المال معطلًا.
كما يفشل أيضًا عندما لا يستطيع نظام التوزيع استخدام درجة حرارة التخزين: فالمياه المبردة الطبقية تحتاج إلى فرق درجة حرارة تقبله الملفات، والجليد يحتاج إلى محطة محلول ملحي لا يرغب المالك في تشغيلها، وتغيير الطور يحتاج إلى نقطة ضبط يعبرها النظام فعليًا. وإذا كانت الطريقة الوحيدة لاستخدام التبريد المخزن هي إعادة بناء نظام التوزيع، فإن التخزين هو الاستثمار الأول الخاطئ. طابق البنية مع المحطة التي لديك قبل تحديد حجم الخزان.
أسئلة يجب طرحها على مختص
خذ قائمة قصيرة ومحددة إلى المتخصص حتى يكون الحديث عن الأرقام، لا عن الفئات. الأسئلة تدور حول الواجب، ودرجة الحرارة، والمساحة، والمال، وكل منها يقيّد البنية التي تبقى صالحة.
· ما الواجب الذي يجب أن يؤديه الخزان: تخفيف الطلب، أو الاستمرارية، أو كليهما، ولأي مدة؟
· ما فرق درجة الحرارة (delta-T) الذي يمكن للتوزيع استخدامه فعليًا، وما مقدار رفع المبرد (chiller lift) المقبول لإنتاج التخزين؟
· ما الحجم والمساحة المتاحان في الموقع، وما تصنيف تحمّل البلاطة أو الأرضية؟
· ما هيكل التعريفة، وما قيمة رسوم الطلب أو قيمة المرونة التي سيستعيدها الخزان؟
· أي بنية تناسب درجة الحرارة والمساحة، وما التكلفة المركّبة مقابل القيمة المستعادة على مدى عمر المنشأة؟
المصطلحات والمعايير الرئيسية
تُحدد بعض المصطلحات والمعايير كل نقاش حول تخزين الطاقة الحرارية. الطبقة الحرارية المتدرجة هي الحد المتدرج بين المياه الدافئة والباردة في خزان طبقي؛ ويحافظ الشحن الكامل على حدّتها. الحرارة الكامنة للانصهار هي الطاقة التي يخزنها الجليد أو مادة تغيير الطور عند درجة حرارة ثابتة أثناء تجمدها أو انصهارها، وهي متميزة عن الحرارة المحسوسة المخزنة عبر تغير في درجة الحرارة.
المراجع الهندسية هي دليل ASHRAE - أنظمة ومعدات التدفئة والتهوية وتكييف الهواء لفيزياء المحطة، وإجراءات الاختبار الموحدة IAPMO لخزانات التخزين الحراري لكيفية قياس الأداء. يُحدَّد الخزان بسعته الطاقية بالكيلوواط ساعة من التبريد، وفرق درجة حرارة التشغيل الخاص به، ومعدلات شحنه وتفريغه، ودرجة الحرارة التي تقبلها شبكة التوزيع؛ احتفظ بهذه الأربعة على كل رسم وتبقى خيارات المعمارية صادقة.
مقارنة معمارية TES: الوسيط، كثافة الطاقة، رفع التبريد
واتساب