خزانات تخزين الطاقة الحرارية لمراكز البيانات: مقارنة بين الماء والجليد ومواد تغيير الطور
تم إنشاؤها اليوم
خزانات الطاقة الحرارية لمراكز البيانات: مقارنة بين الماء والجليد ومواد تغيير الطور
المياه المبردة هي المسار الأقل مخاطرة لمعظم المواقع. تخزن خزانات الطاقة الحرارية لمراكز البيانات التي تحتوي على الماء حوالي 1.16 كيلوواط ساعة لكل متر مكعب لكل كلفن، أي ما يقارب 7 كيلوواط ساعة/م3 عند فرق 6 كلفن قبل الفواقد. يمنح الجليد كثافة تعادل عدة أضعاف ذلك عند الحجم نفسه، لكنه يضيف عمليات الحصاد وإزالة الصقيع وحلقة غير مباشرة. يقع الطور المتغير (PCM) بين الاثنين وعادةً ما يكلف أكثر لكل كيلوواط ساعة قابل للاستخدام. تعمل خزانات المياه عند ضغط قريب من الضغط الجوي مع عزل ناضج وتحكم في الطبقات وممارسات تصنيع راسخة. تُحدد خزانات الطاقة الحرارية لمراكز البيانات بثلاث وسائط - المياه المبردة والجليد والمواد متغيرة الطور - وكل وسيط يغيّر الغلاف، وليس فقط عدد الأوعية.
تستمر كثافات الرفوف في الارتفاع، ومعها ترتفع حصة طاقة الموقع المستهلكة في نقل الحرارة بعيدًا عن حمل تقنية المعلومات. تُحدَّد سعة المبردات لأسوأ ساعة، لا للمتوسط، وتلك الساعة تحدد كلاً من فاتورة المعدات ورسوم الطلب. تنقل أنظمة تخزين الطاقة الحرارية التبريد إلى الساعات الرخيصة: تعمل المحطة بكامل طاقتها خارج ساعات الذروة، وتملأ خزانًا، ثم تعتمد على البرودة المخزنة خلال ذروة بعد الظهر.
تتبنى ثلاث وسائط تخزين البرودة. الماء المبرد في خزان معزول طبقياً هو التصميم المرجعي. الجليد، المتكوّن على ملفات أو المحصود بواسطة آلة داخل خزان ماء، يرفع الطاقة لكل متر مكعب. تهدف مواد تغيير الطور المُغلَّفة إلى الهدف نفسه عبر انتقال من الحالة الصلبة إلى السائلة. الثلاثة جميعاً تقلل من سعة المبردات القصوى؛ ولا أي منها يقلل من إجمالي الكيلوواط-ساعات للموقع، وكل منها يغيّر التخطيط والتحكم وخطة الصيانة.
تعمل هذه المقارنة من خلال الأرقام التي تحسم المشتريات لخزانات الطاقة الحرارية لمراكز البيانات: السعة لكل متر مكعب، والتكلفة لكل كيلوواط-ساعة قابلة للاستخدام، وما نسبة البرودة المخزنة التي يمكن سحبها، وكيف يتصرف كل مسار في ظل قابلية الصيانة المتزامنة.
ما تخزنه المسارات الثلاثة فعلياً
كثافة التخزين تحدد حجم الخزان. بالنسبة لخزان سائل، تتبع السعة العلاقة `Q = V x rho x cp x dT`. الماء عند حوالي 1000 كجم/م3 و4.186 كيلوجول/كجم.كلفن يخزن 4.186 ميجاجول لكل متر مكعب لكل كلفن، أي حوالي 1.163 كيلوواط ساعي/م3.كلفن. عند النطاق الشائع 6 كلفن من 6 درجات مئوية إلى 12 درجة مئوية، يكون ذلك حوالي 7 كيلوواط ساعي/م3.
الجليد يقايض تغير الكتلة بالحرارة الكامنة. التجمد عند 334 كيلوجول/كجم يخزن أكثر بكثير لكل وحدة كتلة من التبريد المحسوس، لذا فإن خزان ملفوف أو حصاد بنفس البصمة يحتوي على عدة أضعاف برودة خزان الماء. القصر الحراري عبر طبقة الجليد يلتهم هذا التفوق بصمت بين الدورات.
تقع مواد تغيير الطور بين الاثنين، خلف مبادل حراري. الأملاح أو البارافينات المغلفة تغير الطور عند درجة حرارة ثابتة وعادة ما تكون محتجزة خلف حلقة وسيطة، والتي تحتفظ بجزء من الحرارة الكامنة لكل متر مكعب عند حساب الغلاف ومساحة النقل.
تحدد هذه الكثافات الثلاث حجم الوعاء لخزانات الطاقة الحرارية لمراكز البيانات. يحتاج الماء إلى أكبر عدد من الأمتار المكعبة لنفس المهمة، والجليد الأقل، ومواد تغيير الطور في المنتصف.
1. الماء: أقل تكلفة لكل كيلووات ساعة، أكبر خزان، توصيل مباشر بالمبرد في العديد من التصاميم.
2. الجليد: مُدمج، غير مباشر، ودرجة حرارة نهج أعلى عند الملف.
3. مواد تغيير الطور: من مُدمج إلى متوسط، مع عناصر التغليف والفصل الطوري التي يجب مراقبتها.
التكلفة الرأسمالية، البصمة، وتخطيط المحطة
حجم الخزان هو التكلفة الظاهرة؛ أما باقي المنشأة فهو التكلفة الخفية. يحتاج خزان المياه إلى غلاف عازل، وفوهات دخول وخروج، وناشر، ومضخة، وأدوات تحكم. يضيف الجليد ومواد تغيير الطور حزمة مبادل حراري، وحلقة سائل ثانوية، وفي حالة الجليد تسلسل إذابة الجليد الذي يسحب من الخزان أثناء تشغيله.
تختار البصمة المسار في الحرم الجامعي الضيق. حيث يوجد مزرعة خزانات احتياطية، يفوز تخزين المياه من حيث التكلفة لكل كيلوواط ساعة مخزنة في كل فئة تشغيلية. وحيث تكون مساحة البلاطة ثابتة ولكن يوجد ارتفاع في غرفة الماكينات، يُبرر استخدام الجليد أو مواد تغيير الطور حتى بتكلفة أعلى لكل كيلوواط ساعة، لأن البديل هو مبنى مبرد ثانٍ.
تغيّر حالة الضغط النطاق الإنشائي. خزان المياه القريب من الضغط الجوي يقع خارج حدود الضغط، لذا تُصمَّم الفوهات والفتحات لتحمّل الأحمال الهيدروليكية فقط. أما آلات الثلج المضغوطة فتعمل عند ضغط قياسي موجب، وتستلزم معها الوعاء وتقويته ونظام التفتيش الخاص به.
· المياه المبردة: أقل تكلفة رأسمالية لكل كيلوواط-ساعة قابلة للاستخدام، أكبر مساحة إشغال، لا حلقة غير مباشرة في كثير من التصاميم.
· الثلج: ضعف إلى أربعة أضعاف التكلفة الرأسمالية لخزان المياه، مساحة إشغال مدمجة، حلقة غير مباشرة دائمًا.
· مواد تغيير الطور (PCM): تكلفة رأسمالية متوسطة إلى مرتفعة، مساحة إشغال من مدمجة إلى متوسطة، حلقة غير مباشرة دائمًا.
الكفاءة القابلة للاستخدام والخسائر والسحب
تختلف كفاءة الشحن والتفريغ. يفقد خزان الماء نسبة صغيرة من محتواه يوميًا عبر العزل والخلط، ويطبق المصممون 70-90 بالمئة من القيمة النظرية للسعة القابلة للاستخدام بعد فقدان التقسيم الطبقي والقصر والخلط.
يخسر الجليد بسبب القصر الحراري. الحرارة التي تعبر الغلاف تذيب جليدًا لم يُشحن للاستخدام، لذا يجب على المحطة الشحن الزائد. تحدد جودة العزل وهندسة الوعاء هذا المعدل.
تخسر مواد تغيير الطور على جانب النقل. تحد الموصلية المنخفضة في طبقة تغيير الطور من قدرة الشحن والتفريغ حسب مساحة السطح بدلاً من الحجم، لذا يؤدي التحجيم لمعدل الذروة إلى تضخيم الوعاء وتآكل مكسب الكثافة.
المسار | الكثافة النظرية | الحصة القابلة للاستخدام | آلية الفقدان الرئيسية |
الماء المبرد | ~1.16 kWh/m3.K | 70-90 بالمائة | انهيار الطبقات، تسرب محيطي |
جليد | عدة أضعاف الماء | 60-85 بالمائة من الشحنة | قصر حراري، سحب إذابة الجليد |
مواد تغيير الطور | نطاق متوسط | 60-80 بالمائة من الكامن | نقل محدود بالتوصيل، فصل |
التشغيل والصيانة وسلوك الأعطال
تفشل أنظمة المياه ببطء وبشكل مرئي. تتآكل الطبقات، وتتسخ الموزعات، ويختلط الخزان بسبب عودة درجة حرارة زائدة. الكيمياء هي نفسها التي يشغلها المصنع بالفعل: مبيد حيوي، مثبط، التحكم في القشور والتنظيف الدوري.
تحمل مصانع الجليد قائمة ميكانيكية. يتكرر تكون القشور على الملفات، وتجسر الجليد، والتصاق صمام إذابة الجليد، وتسرب الحلقة، وكلها داخل وعاء معزول، مما يجعل الوصول صعبًا.
تضيف PCM عناصر استقرار المواد. يحتاج تلف مادة التغليف، والانفصال في الهيدرات الملحية، وانسداد المبادل الحراري، كل منها إلى نقطة مراقبة حية منذ اليوم الأول. عملياً، سجّل درجة حرارة الدخول والخروج، والمستوى وسرعة الناشر لخزان المياه، وتكرار إذابة الجليد ونسبة الجليد لمصنع الجليد، وقدرة الشحن والتفريغ مع انحراف نطاق الطور لوحدة PCM.
المواصفات الفنية
البند | تخزين الطاقة الحرارية بالماء المبرد | تخزين الطاقة الحرارية بالجليد | تخزين الطاقة الحرارية بمواد تغيير الطور |
وسط التخزين | ماء، 5-7 إلى 12-14 درجة مئوية | جليد في الماء، ملف أو حصاد | ملح مغلف أو بارافين |
معادلة السعة | Q = V x rho x cp x dT | m x 334 kJ/kg، مع خصم الفقد | m x الحرارة الكامنة، مع خصم عقوبة المبادل الحراري |
النطاق القابل للاستخدام | فرق 5-7 كلفن | نقطة انصهار قريبة من 0 درجة مئوية | درجة حرارة تغيير طور ثابتة |
شرط الضغط | قريب من الضغط الجوي | ضغط قياسي موجب منخفض | من الضغط الجوي إلى ضغط قياسي منخفض |
العزل | صوف معدني، تكسية ألومنيوم | جدار أثقل، حاجز بخار | صوف معدني، حاجز بخار |
مبادل حراري | غير مطلوب دائمًا | دائمًا | دائمًا |
طاقة التفريغ القصوى | فوهة ومضخة وناشر | مساحة سطح الملف | مسار التوصيل ومساحته |
نطاق الغلاف | تستخدم خزانات تخزين الطاقة الحرارية لمراكز البيانات نفس نطاق الغلاف والطلاء والعزل المستخدم في أي وعاء مياه جوي كبير | ||
المراجع التصميمية | ممارسة AWWA D103، إرشادات ASHRAE DC9 | ممارسة الوعاء، مواصفات الآلة | ممارسة الوعاء، مواصفات المواد |
حالة المشروع
الحقل | القيمة |
المشروع | تخزين مياه الشرب في ناميبيا (P-A) |
المنتج | 01 خزان زجاجي مطلي بالصلب المدمج |
السعة | إجمالي 44,900 م3 |
الأبعاد | 4 خزانات، قطر 41.26 م، ارتفاع 8.4 م |
الإنجاز | سبتمبر 2022 |
بينما تشمل مشاريعنا المرجعية المسلّمة في قطاع المياه ومياه الصرف هذا النطاق الصالح للشرب، فإن نطاق تخزين الطاقة الحرارية لمراكز البيانات مصمم وفقًا للمعايير نفسها. أربعة خزانات مثبتة بمسامير بقطر 41.26 م تُظهر عدد الألواح وقطر الغلاف وتسلسل التجميع في الموقع الذي يتطلبه وعاء مياه جوي كبير. ترث خزانات تخزين الطاقة الحرارية لمراكز البيانات نطاق الغلاف نفسه عندما يكون الوسط ماءً ويبقى الوعاء قريبًا من الضغط الجوي.
القدرة الهندسية لـ Center Enamel
سنتر إنامل (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 مُركّب 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 المنتج التي تشمل 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.
المتوسط مقابل متطلبات الغلاف
· يفرض كل من الماء والجليد ومواد تغيير الطور (PCM) متطلبًا مختلفًا للغلاف: يحتاج الماء إلى حجم وعزل، ويحتاج الجليد إلى ملف داخلي أو مشعب، وتحتاج مواد تغيير الطور إلى حزمة كبسولات يجب أن يستوعبها الخزان هندسيًا.
· الخطوة الأولى الأقل مخاطرة هي غلاف جوي مملوء بالماء مُحدَّد الحجم من منحنى حمل التبريد، لأنه يترك تصميم النظام الهيدروليكي والتحكم دون تغيير عن المحطة الأساسية.
· عمليات تسليم خزانات المياه لدينا، بقيادة مشروع ناميبيا بسعة 44,900 م³، هي السابقة المباشرة لمخزن قائم على المياه.
الأسئلة الشائعة
س1: هل يتفوق تخزين الجليد دائماً على الماء المبرد من حيث التكلفة؟
ج1: لا. يحتفظ الجليد ببرودة أكبر لكل متر مكعب، لذا تكون الوعاء أصغر، لكن حزمة الآلة وتسلسل إذابة الجليد والحلقة غير المباشرة ترفع التكلفة المركبة لكل كيلوواط-ساعة قابلة للاستخدام. عند توفر الأرض، يحقق الماء فترة استرداد أقصر.
س2: ما حجم الخزان الذي أحتاجه لثماني ساعات من تقليص ذروة الطلب؟
ج2: حدد أولاً الكيلوواط-ساعات المخزنة: الحمل بالكيلوواط مضروباً في ساعات الإزاحة، مقسوماً على العامل القابل للاستخدام، ثم مقسوماً على كثافة الوسط المختار. عند 6 كلفن، يوفر الماء حوالي 7 كيلوواط-ساعة/م³ قبل عامل 70-90 بالمئة.
س3: هل يساعد خزان TES المائي أثناء انقطاع التيار الكهربائي؟
A3: إنه يساعد. يغطي الغطاء البارد المخزن النبات بينما تبدأ المولدات ووحدات UPS، ويوفر خزان الضغط الجوي التدفق دون إمداد مضغوط. يعزو المصممون إليه وقت تشغيل مستقل محدد، وليس وقت تشغيل غير محدود.
س4: هل يمكن لخزان الجليد أو مواد تغيير الطور (PCM) الانضمام إلى محطة مياه مبردة موجودة؟
ج4: نعم، كجزيرة غير مباشرة بمبادل حراري وحلقة خاصة بها. الواجهة عبارة عن زوج من التوصيلات وإشارة تحكم، لذا تحتفظ المبردات الموجودة بواجهة محطتها خلف التخزين الجديد.
س5: أي وسيط يتعامل بشكل أفضل مع جودة المياه الرديئة؟
ج5: يحافظ الطلاء المينا المطبق في المصنع أو الإيبوكسي المدمج بالانصهار على الغلاف بعيدًا عن ملامسة المياه المخزنة، لذا تؤثر الكيمياء على جانب المياه بدلاً من الفولاذ. كلاهما قابل للإصلاح الميداني لخزان يُفتح للتفتيش كل بضع سنوات.
س6: ما هو فقدان الاستعداد في خزان معزول؟
ج6: يفقد الخزان الجوي المعزول جيدًا جزءًا صغيرًا من الشحنة يوميًا، يُعوَّض في الدورة التالية. سماكة العزل وإحكام البخار وتفاصيل الدعم أهم من مادة الغلاف.
س7: هل يستحق تشغيل نموذج تجريبي لمواد تغيير الطور (PCM) أولاً؟
A7: تختبر معظم الشركات المشغلة وعاءً واحدًا في قاعة غير حرجة لتسجيل قدرة الشحن والتفريغ، وانحراف نطاق الطور والاتساخ، مما يجيب عما إذا كانت درجة حرارة تغير الطور تتوافق مع ماء الإرجاع.
تخزّن المسارات الثلاثة البرودة بطرق مختلفة، وواحد فقط منها رخيص لكل كيلوواط-ساعة. الماء هو الأقل في التكلفة الرأسمالية، والأبسط في الواجهة الهيدروليكية، والأعمق في سجل الصيانة، ويُدفع ثمنه بالحجم. يشتري الجليد الاكتناز بتكلفة أعلى وأجزاء متحركة. يوفّر PCM نطاق درجة حرارة قابلاً للضبط ويدفع ثمنه بمساحة النقل وإدارة المواد. حيث تتوفر الأرض وتكون النافذة طويلة، يكون خزان الماء هو الإجابة المرجعية، ويُبرَّر الآخران بالبصمة المكانية لا بالديناميكا الحرارية.
تحدث إلى مهندس
أرسل حمل القاعة بالكيلوواط، ونافذة التخزين بالساعات، ودرجات حرارة الإمداد والعودة للمبرد، وتخطيط المحطة المتاح للخزان. سنعيد حسابًا للأبعاد بالمتر المكعب، والكيلوواط/ساعة القابلة للاستخدام بعد معامل التقسيم الطبقي والفقد، ومواصفات الفوهة والموزع والعزل. لمقارنة الوسائط، اطلب الحساب نفسه للجليد ومواد تغيير الطور (PCM) بحيث يعتمد الاختيار على السعة القابلة للاستخدام، لا على كثافة اللوحة الاسمية.
واتساب