TES-Tanks: Eine Kurzreferenz für thermische Speicherung in der Kühlung von Rechenzentren
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TES-Tanks: Eine Kurzreferenz für thermische Speicherung in der Kühlung von Rechenzentren
Ein TES-Tank speichert Kühlung entweder als fühlbare Wärme in geschichtetem Kaltwasser, als latente Wärme in Eis oder als latente Wärme in einem Phasenwechselmaterial, und er ermöglicht es der Kälteanlage, die Spitzenlast zu senken oder ein Ereignis zu überbrücken; die richtige Architektur wird anhand der verfügbaren Temperaturdifferenz, des Platzangebots und der Aufgabe, die der Speicher erfüllen muss, gewählt.
Einleitung
Thermische Energiespeicherung (TES) in einer Kühlanlage eines Rechenzentrums ist ein Tank, der Kühlung speichert, wenn sie günstig oder reichlich vorhanden ist, und sie zurückgibt, wenn die Last oder der Tarif es erfordert. Sie ist der größte einzelne Hebel, den die meisten Kühlanlagen haben, um die elektrische Spitzenlast zu senken und ein Netzereignis ohne Generatorbrennstoff zu überbrücken, und sie arbeitet mit den Kältemaschinen, die Sie bereits besitzen, anstatt sie zu ersetzen.
Dies ist eine kompakte Referenz, kein Designhandbuch. Sie erklärt, was ein TES-Tank ist, die drei gebräuchlichen Architekturen und die Zahlen, die jede definieren, wie die Speicherung die Kälteanlage umgestaltet, was sie kostet und was sie einbringt, die Fälle, in denen sie sich nicht lohnt, und die Fragen, die Sie einem Spezialisten stellen sollten, bevor Sie Kapital binden. Die physikalische Grundlage ist das ASHRAE Handbook; die Leistungsprüfung von Speichertanks folgt den einheitlichen Prüfverfahren, die von IAPMO veröffentlicht wurden.
Lesen Sie dies zuerst, wenn Sie sich orientieren, und bringen Sie dann die Fragen am Ende zu dem Ingenieur, der den tatsächlichen Tank dimensioniert.
Was ein TES-Tank ist, in einem Absatz
Ein TES-Tank ist ein Speicher für Kühlkapazität, kein Erzeuger davon. Er enthält ein Fluidvolumen bei einer Temperatur, die für die Anlage nutzbar ist, geladen von den Kältemaschinen, wenn überschüssige Kapazität oder günstiger Strom verfügbar ist, und entladen an die Kühlschlange oder die Verteilung, wenn die Last oder der Tarif es erfordert. Der Tank selbst kühlt nicht; er entkoppelt den Zeitpunkt der Kälteerzeugung vom Zeitpunkt der Nutzung.
Für ein Rechenzentrum ist der Wert zweifach. Operativ überbrückt er für die Anlage eine Netzstörung oder einen Ausfall einer Kältemaschine für die Minuten oder Stunden, die die thermische Masse abdecken kann, und wirtschaftlich ermöglicht er den Kältemaschinen, nachts oder während eines Schwachlasttarifs zu laufen, um den Tank zu füllen, und dann die elektrische Spitzenlast tagsüber zu reduzieren oder zu vermeiden. Der Tank ist der Puffer zwischen den Kältemaschinen und der Last in der Zeit, nicht nur im Durchfluss, wie es ein Puffertank tut.
Die drei Architekturen
Drei Architekturen dominieren. Geschichtete Kaltwasserspeicher sind die einfachste: ein hoher Wassertank, der unten kalt beladen und oben warm gehalten wird, getrennt durch eine Thermokline, sodass die Anlage kaltes Wasser von unten entnimmt und warmes oben zurückführt. Sie arbeitet über eine bescheidene Temperaturdifferenz von wenigen Grad und nutzt gewöhnliches Wasser als Medium.
Die Eisspeicherung nutzt die latente Schmelzwärme: eine viel größere Energiedichte pro Volumen als Wasser, gebaut als Ice-on-Coil, bei dem das Eis um Rohre herum entsteht, die von der Sole durchströmt werden, oder als dynamischer Harvester, der Eis getrennt erzeugt und speichert. Die Speicherung mit Phasenwechselmaterial liegt zwischen den beiden und verwendet ein Salz oder Eutektikum, das bei einer gewählten Temperatur schmilzt und gefriert, was latente Speicherung bei einem festgelegten Sollwert ermöglicht, ohne die sehr niedrigen Sole-temperaturen, die Eis erfordert.
Die Zahlen, die jede Architektur definieren
Die Zahlen, die jede Architektur definieren, sind die Energiedichte und der benötigte Temperaturhub. Geschichtetes Kaltwasser speichert etwa 1,16 kWh pro Kubikmeter pro Grad Celsius Delta-T (rho x cp x delta-T), sodass eine Schwankung von 5 °C (9 °F) etwa 5,8 kWh/m3 ergibt, und der Tank ist groß, aber die Kältemaschinen bleiben bei normalen Kaltwassertemperaturen.
Eis speichert am Gefrierpunkt etwa 93 kWh/m3 latente Wärme, daher ist der Tank für dieselbe Energiemenge deutlich kleiner, aber die Kältemaschinen müssen Sole nahe 0 °C (32 °F) oder darunter erzeugen, was Hub und Effizienz kostet. Phasenwechselmaterial speichert bei seiner Schmelztemperatur, typischerweise einige zehn kWh/m3, zwischen den beiden Extremen. Die Auswahl ist ein Kompromiss aus Tankvolumen, Kältemaschinenhub und der Temperatur, die die Verteilung akzeptieren kann. Bei der Wahl geht es selten darum, welcher Speicher pro Kubikmeter die meiste Energie speichert, denn die Anlage kann normalerweise Platz für einen Tank schaffen; es geht um den Kältemaschinenhub, den die gewählte Architektur erfordert, und die Verteilungstemperatur, die die vorhandenen Register tatsächlich akzeptieren.
Wie sich die Kältemaschinenanlage verändert
Die Speicherung verändert die Kältemaschinenanlage, indem sie diese gegen den Tank statt gegen die momentane Last laufen lässt. Im Lademodus füllen die Kältemaschinen den Tank, dimensioniert auf die durchschnittliche Last über das Ladefenster statt auf die Spitzenlast, sodass eine kleinere oder langsamer laufende Kältemaschinenanlage eine größere Spitzenlast bedienen kann, als sie ohne Speicherung könnte.
Im Entlademodus liefert der Tank einen Teil oder die gesamte Kühlung, sodass die Kältemaschinen während der Spitzenlast oder des Ereignisses gedrosselt oder abgeschaltet werden können. Die Anlagensteuerung gewinnt einen Freiheitsgrad: wann Kühlung erzeugt und wann sie genutzt wird, entschieden durch Tarif, Nettsignal oder Resilienzplan statt durch den aktuellen Kühlregisterbedarf. Diese Freiheit ist der Vermögenswert; der Tank ist die Hardware, die sie bereitstellt.
Was es kostet und was es einspart
Was es kostet, sind der Tank, die zusätzliche Pumpe und Verteilung sowie die Steuerung zum Be- und Entladen; was es einspart, ist die elektrische Spitzenlast, die damit verbundene Leistungsspitzengebühr und in einigen Märkten die Möglichkeit, einen Generator zu vermeiden oder dessen Brennstoffverbrauch zu reduzieren. Die Rendite ist eine Funktion der Tarifstruktur und davon, wie oft die Spitze tatsächlich gekappt wird, nicht ein fester Prozentsatz.
Die ehrliche Aussage ist, dass die Einsparung von der Abgabe abhängt: Eine Anlage, die stark gegen eine steile Leistungsspitzengebühr ausschlägt, amortisiert den Speicher schneller als eine mit einem flachen Profil, und ein Campus, der Widerstandsfähigkeit bei Netzereignissen benötigt, schätzt den Speicher für die Überbrückung, die er bietet, unabhängig vom Tarif. Quantifizieren Sie sowohl die Nachfragereduktion als auch den Resilienzwert, bevor das Kapital gebunden wird, denn eines von beiden trägt in der Regel den Fall.
Wenn es keinen Sinn ergibt
Thermalspeicher lohnt sich nicht, wenn das Lastprofil bereits flach ist, der Tarif keine nennenswerte Leistungsspitze aufweist, die es zu glätten gilt, oder der Standort weder Platz noch Toleranz für die Kältemaschinenanhebung bietet, die die gewählte Architektur erfordert. Eine Anlage, die nie gegen eine Gebühr spitzt, hat nichts, was der Speicher glätten könnte, und das Kapital liegt brach.
Er versagt auch, wenn die Verteilung die Speichertemperatur nicht nutzen kann: geschichtetes Kaltwasser benötigt ein Delta-T, das die Register akzeptieren, Eis benötigt eine Soleanlage, die der Betreiber nicht betreiben will, und Phasenwechsel benötigt einen Sollwert, den das System tatsächlich durchläuft. Wenn der einzige Weg, die gespeicherte Kühlung zu nutzen, der Umbau der Verteilung ist, ist der Speicher die falsche erste Investition. Passen Sie die Architektur an die vorhandene Anlage an, bevor Sie den Speicher dimensionieren.
Fragen, die Sie einem Spezialisten stellen sollten
Bringen Sie eine kurze, spezifische Liste zum Spezialisten, damit das Gespräch über Zahlen und nicht über Kategorien geht. Die Fragen betreffen die Aufgabe, die Temperatur, den Raum und das Geld, und jede einzelne schränkt die Architektur ein, die überlebt.
· Welche Aufgabe muss der Tank erfüllen: Lastspitzenkappung, Überbrückung oder beides, und für wie lange?
· Welches Delta-T kann die Verteilung tatsächlich nutzen, und welche Kältemaschinen-Hubarbeit ist akzeptabel, um den Speicher zu realisieren?
· Welches Volumen und welcher Platzbedarf sind auf dem Standort verfügbar, und wie hoch ist die Bodenplatten- oder Bodenbelastbarkeit?
· Wie ist die Tarifstruktur, und welcher Leistungspreis- oder Resilienzwert würde durch den Tank zurückgewonnen?
· Welche Architektur passt zu Temperatur und Raum, und wie hoch sind die Installationskosten im Vergleich zum zurückgewonnenen Wert über die Lebensdauer der Anlage?
Schlüsselbegriffe und Normen
Einige Begriffe und Normen rahmen jede TES-Diskussion ein. Thermokline ist die abgestufte Grenze zwischen warmem und kaltem Wasser in einem geschichteten Tank; vollständiges Laden hält sie scharf. Die Schmelzwärme ist die Energie, die Eis oder ein Phasenwechselmaterial bei konstanter Temperatur beim Gefrieren oder Schmelzen speichert, im Unterschied zur sensiblen Wärme, die durch eine Temperaturänderung gespeichert wird.
Die technischen Referenzen sind das ASHRAE Handbook - HVAC Systems and Equipment für die Anlagenphysik und die IAPMO-einheitlichen Prüfverfahren für Wärmespeichertanks für die Art und Weise, wie die Leistung gemessen wird. Ein Tank wird durch seine Energiekapazität in kWh Kühlung, sein Betriebs-Delta-T, seine Lade- und Entladeraten und die Temperatur, die die Verteilung akzeptiert, spezifiziert; halten Sie diese vier auf jeder Zeichnung fest, und die Architekturwahl bleibt ehrlich.
TES-Architekturvergleich: Medium, Energiedichte, Kältemaschinen-Hub
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