Wärmespeichertanks für Rechenzentren: Aufgabe, Kapazität und Architektur
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Wärmespeichertanks für Rechenzentren: Aufgabe, Kapazität und Architektur
Wenn ein Käufer einen thermischen Energiespeichertank spezifiziert, wird tatsächlich eine Energiemanagementfähigkeit und kein Ausrüstungsgegenstand gekauft. Die maßgebliche Kapazität ist die Wärmemenge, die der Speicher aufnehmen und später abgeben kann, ausgedrückt in Tonnenstunden oder in kWh, zusammen mit der Auslegungstemperaturdifferenz und dem Entladefenster, über das diese Energie mit einer nutzbaren Rate freigesetzt werden kann. Die Angabe der Kapazität als Wasservolumen versetzt den Käufer in die Lage, einen Kaltwasserspeicher nicht mit einem Eisspeicher oder einem Phasenwechselspeicher vergleichen zu können, da die in einem Kubikmeter gespeicherte Energie zwischen den Medien um eine Größenordnung differiert. Die Aufgabe bestimmt dann die Architektur: Spitzenlastkappung, Überbrückung und Lastverlagerung benötigen jeweils eine unterschiedliche Lade- und Entladeanordnung, eine unterschiedliche Steuerungsschnittstelle und ein unterschiedliches Volumen in Stunden statt in Minuten. Die Isolierung des Speichers ist ebenfalls kein nebensächliches Detail, da ein täglicher Wärmegewinn von einigen Prozent der gespeicherten Energie über eine Standzeit einen nutzbaren Anteil der Kapazität aufhebt.
Wofür ein Wärmespeicher tatsächlich dient
Ein Wärmespeicher ist ein gezielt angeordnetes Volumen eines Speichermediums, dessen Zweck darin besteht, thermische Energie über einen Zeitraum hinweg zu halten und sie mit einer Rate in die Anlage hinein oder aus ihr heraus zu bewegen, die die Anlage nicht liefern kann. Die Energie wird bewegt, nicht erzeugt: Der Speicher wird von einer Quelle geladen, die sonst laufen würde, und in einen Bedarf entladen, der andernfalls für den Wärmespeichertank gedeckt würde
Diese Formulierung ist wichtiger als die Ausrüstung, denn sie ist das, was zwischen Angeboten verglichen werden kann. Ein Angebot, das ein Tankvolumen ohne eine Energieangabe und ein Entladezeitfenster anbietet, hat nicht angegeben, was verkauft wird. Ein Angebot, das die Energie, Delta-T und Raten angibt, kann mit einem Angebot auf einem anderen Medium für einen thermischen Energiespeichertank verglichen werden
Kapazität als Energie angegeben, nicht als Volumen
Es gibt zwei Möglichkeiten, eine Speicherkapazität in Energiebegriffen anzugeben. Die Laststundenform ist die einfachste: die thermische Last in Tonnen multipliziert mit den Stunden, über die sie entladen wird, sodass ein Speicher, der 500 Tonnen Kühlung für 4 Stunden bereitstellt, 2.000 Tonnenstunden fasst. Die Massenform ist dieselbe Kapazität durch das Medium: Volumen mal Dichte, spezifische Wärme und Temperaturdifferenz für einen thermischen Energiespeichertank
Die Massenform ist der Bereich, in dem sich die Medien trennen, denn derselbe Kubikmeter enthält je nach Mechanismus sehr unterschiedliche Energiemengen. Die fühlbare Speicherung in Wasser ist durch die Temperaturdifferenz begrenzt, über die der Kreislauf betrieben werden kann. Die latente Speicherung in schmelzendem Eis fügt die Schmelzwärme bei einer festen Temperatur hinzu, sodass eine kleine Schwankung dennoch eine große Energiemenge für den Wärmespeichertank speichert
Kapazitätsausdruck | Formel | Was es festlegt | Illustrativer Wert |
Laststundenform | Thermische Last in Tonnen mal Entladestunden | Die Energie, die der Speicher liefern muss | 500 Tonnen für 4 Stunden = 2.000 Tonnenstunden |
Form der fühlbaren Masse | Volumen mal Dichte, spezifische Wärmekapazität und Delta-T | Die Mediumsmenge für eine gegebene Energie | 100 m3 bei 5 K ergeben etwa 2.900 kWh |
Latente Massenform | Masse mal Schmelzwärme am Übergangspunkt | Die Mediummenge an einem festen Punkt | Eis bei 334 kJ/kg pro Tonne ergibt etwa 335 kWh |
Nutzbarer Anteil | Hüllvolumen mal dem Anteil, den die Medien erreichen können | Die Einbuße durch unvollkommene Schichtung | 90 Prozent nutzbare Kapazität behält 90 Prozent der Energie |
Drei Aufgaben, die drei verschiedene Speicher erzeugen
Spitzenlastkappung, Ride-Through und Lastverlagerung sehen von außen ähnlich aus, weil alle drei einen Speicher in einem Kaltwassersystem beinhalten, und sie unterscheiden sich darin, was der Speicher während des Ereignisses leisten soll. Die Spitzenlastkappung zielt auf den Beitrag der Anlage zu einer Bedarfsspitze ab: Der Speicher entlädt, während dieser Beitrag für den thermischen Energiespeicher am höchsten ist
Die Kapazität, die jede Aufgabe impliziert, unterscheidet sich in der Art, nicht nur in der Größe, und ebenso der Fehlermodus. Ein Spitzenlastkappungsspeicher, der nicht rechtzeitig geladen wird, trägt nichts zur Spitze bei. Ein Ride-Through-Speicher, der nicht die richtige Temperatur hat, trägt die Last nicht durch die Unterbrechung. Ein Lastverlagerungsspeicher, der zu viel durch stehende Wärmegewinne verliert, hat keine Energie mehr zum Entladen für den thermischen Energiespeicher
Auswahl zwischen Kaltwasser, Eis und Phasenwechselmedien
Das Medium bestimmt die Temperatur, die der Speicher liefern kann, und die Rate, mit der er geladen und entladen werden kann. Kaltwasserspeicher ist der einfachste: Der Speicher ist das Kaltwasser selbst, das Delta-T des Kreislaufs bestimmt die Energiedichte, und die Raten sind die Durchflussraten des Kreislaufs. Er kann nur eine Temperatur oberhalb des Schmelzpunkts von Eis für den thermischen Energiespeichertank liefern
Eisspeicher erweitert den Bereich nach unten, weil die Phasenänderung bei einer festen Temperatur stattfindet und die gespeicherte Energie nicht durch ein Delta-T begrenzt ist. Der Preis dafür sind ein Gefrier- und ein Schmelzkreis, Eis-Handling, ein größerer Temperaturhub zwischen Lade- und Entladezustand und mehr Steuerungslogik. Phasenwechselmaterialien liegen dazwischen und speichern latente Wärme bei einer gewählten Übergangstemperatur für den thermischen Energiespeichertank
Laden, Halten und Entladen: Architektur und Steuerungsschnittstelle
Jeder Wärmespeicher arbeitet in drei Modi, und die Steuerungsschnittstelle muss alle drei definieren. Im Lademodus nimmt der Speicher Wärme von der Anlage auf, entweder weil die Anlage überschüssige Kapazität hat oder weil der Tarif die Energie günstig macht. Im Haltemodus ist der Speicher isoliert und behält seine Energie. Im Entlademodus gibt er Wärme in den Kreislauf ab, mit separaten Anschlüssen, wo die Modi unterschiedliche Raten für den Wärmespeichertank erfordern
Die Steuerungsschnittstelle entscheidet, ob der Speicher in der Praxis funktioniert. Die Anlagensteuerung muss wissen, wann der Speicher verfügbar ist, wie viel Energie er enthält und welche Rate er liefern kann, und die Speichersteuerung muss wissen, was die Anlage tut. Dieser Austausch ist eine Reihe definierter Signale: eine Zustandsanzeige, eine Ladeverfügbarkeit, eine Entladeverfügbarkeit, die gespeicherte Energie oder die Temperatursensoren und die Berechtigungssignale für den Wärmespeichertank
Schichtung und die nutzbare Kapazität, die sie zurücklässt
In einem Kaltwasserspeicher ist die nutzbare Kapazität nicht das Behältervolumen. Sie ist der Anteil des Behälters, den der Speicher mit dem Wasser im richtigen thermischen Zustand tatsächlich erreichen kann, und dieser Anteil wird davon bestimmt, wie gut der Speicher seine Schichten aufrechterhält. Kaltes Wasser, das oben eingeladen wird, fällt durch das wärmere Wasser darunter und drückt das warme Wasser für den Wärmespeichertank nach oben
Dies hat einen direkten Einfluss auf die Energiebilanz, und es ist der Effekt, der in einem Angebot am häufigsten fehlt. Ein Speicher, der auf Basis des Behältervolumens ausgelegt wird, geht davon aus, dass das gesamte Volumen bei der Auslegungs-Delta-T verfügbar ist. Eine unvollkommene Schichtung liefert ein kleineres nutzbares Volumen, sodass sich die Unterdeckung als Energiedefizit bei der Entladung zeigt und nicht als fehlender Tank. Die Spezifikation muss die nutzbare Kapazität für den Wärmespeichertank angeben
Dämmung und Wärmeeintrag als Kapazitätsverlust
Jeder Wärmespeicher verliert Wärme über seine Hülle, sein Dach und seine Rohrleitungen, und dieser Verlust geht direkt von der gespeicherten Energie ab. Der Verlust ist proportional zur Oberfläche, zur Differenz zwischen Speichertemperatur und Umgebungstemperatur sowie zur Wärmeleitfähigkeit der Isolierung, sodass er mit der Geometrie skaliert, die die Kapazität bestimmt. Das Verhältnis von Oberfläche zu Volumen entscheidet, ob der Verlust ein Rundungsfehler oder ein ernsthafter Anteil für den Wärmespeichertank ist
Der Effekt lässt sich am klarsten als täglicher Verlustprozentsatz ausdrücken. Wenn ein Speicher täglich einen Wärmeverlust in Höhe eines kleinen Prozentsatzes seiner gespeicherten Energie erleidet, entzieht eine lange Standzeit diesen Prozentsatz pro Tag, und der Speicher liefert weniger, als er geladen wurde. Ein Speicher, der am Wochenende für eine Entladung am Montagmorgen geladen wird, verliert drei Tage Standwärmeverlust für den Wärmespeichertank
Zuverlässigkeit und die relevanten Fehlerbedingungen
Ein Wärmespeicher hat mehr Möglichkeiten zu versagen als ein Tank ohne zugewiesene Aufgabe, da er aktive Innereien, eine Steuerungsschnittstelle und einen gespeicherten Zustand besitzt, der sich verschlechtern kann. Die Fehlerbedingungen, gegen die man konstruieren sollte, sind der Verlust der Schichtung, eine ausgefallene Temperatur- oder Füllstandssonde, ein klemmendes Ventil und der Ausfall der Hilfsanlage, die das Wasser für den Wärmespeichertank bewegt
Der Verlust der Schichtung ist ein schleichender Fehler, der sich als Kapazitätsdefizit statt als Alarm zeigt, weshalb die nutzbare Kapazität durch einen Test verifiziert werden muss. Eine ausgefallene Sonde entfernt die Information, von der die Steuerungssequenz abhängt, und das korrekte Verhalten ist ein definierter Rückfallzustand. Ein offen klemmendes Ventil lässt den Speicher mit dem Kreislauf für den Wärmespeichertank verbunden
Wärmespeicherung im Vergleich zu Pufferaufgaben und die Spezifikations-Checkliste
Die beiden Aufgaben werden am deutlichsten durch den Zeithorizont und durch die Einheit, in der jede gemessen wird, getrennt. Ein Puffertank wird in Gallonen oder Kubikmetern pro Tonne gemessen und in Minuten dimensioniert. Ein Wärmespeicher wird in Tonnenstunden gemessen und in Stunden dimensioniert, mit einem Auslegungs-Delta-T und einem Entladefenster. Ein Puffer ist ein einfaches Gefäß; ein Speicher benötigt Einbauten und Schichtung für den Wärmespeichertank
Die Spezifikation muss daher die Aufgabe und die Einheit festlegen, bevor sie ein Volumen festlegt. Sie gibt die Aufgabe in Stunden und in Tarif- oder Unterbrechungsbegriffen an, die Energie in Tonnenstunden und kWh neben dem Volumen, das Auslegungs-Delta-T und die Medien, die Lade- und Entladeraten, die Standzeit und den Auslegungswärmeverlust sowie die nutzbare Kapazität mit ihrer Verifizierungsmethode für den Wärmespeichertank
· Die Aufgabe in Stunden: Spitzenlastkappung, Überbrückung oder Lastverschiebung und ihr Ereignis für den Wärmespeichertank
· Die Energie in Tonnenstunden und kWh sowie das Auslegungs-Delta-T oder der Übergangspunkt für den Wärmespeicher
· Das Medium und der physikalische Zustand, den es für den Wärmespeicher einnimmt
· Die Laderate, die Entladerate und das Entladefenster für den Wärmespeicher
· Die Stillstandszeit und der Auslegungswärmeverlust für den Wärmespeicher
· Die nutzbare Kapazität, getrennt vom Mantelvolumen für den Wärmespeicher angegeben
· Die Methode zur Verifizierung der nutzbaren Kapazität für den Wärmespeicher
· Die Steuerungsschnittstellensignale zwischen Speicher und Anlagensteuerung für den Wärmespeicher
· Definierte sichere Zustände bei Ausfällen von Fühler, Ventil und Hilfsstrom für den Wärmespeicher
· Standortbeschränkungen hinsichtlich Grundfläche, Zugang, Krankapazität und Installation für den Wärmespeicher
Projektfallstudie
Referenzlieferung für diese Aufgabe, zitiert aus der verifizierten Projektbibliothek. Übereinstimmungsstufe C. Eine Lieferung von glasemailliertem Stahl in großem Volumen, die als Nachweis der Fertigungsfähigkeit angeführt wird. Die verifizierte Bibliothek enthält kein Projekt für thermische Energiespeicherung oder Kältespeicherung in Rechenzentren, daher wird dieses Projekt nicht zur Demonstration der Schichtungsleistung oder Speicherkapazität verwendet, wie für Thermische-Energiespeicher-Tanks im Detail beschrieben.
Projekt-ID | Land | Produkt | Kapazität | Anzahl der Tanks | Abmessungen | Fertigstellung | Lieferumfang |
NAM-POT-44900-B | Namibia | Glasemaillierter Stahl (GFS) verschraubter Tank | 44.900 m3 | 4 | φ41,26 × 8,4 m (H) pro Tank | 2022-09 | Nicht erfasst |
Eine großvolumige Lieferung aus glasverschmolzenem Stahl, die als Nachweis der Fertigungsfähigkeit angeführt wird. Die verifizierte Bibliothek enthält kein Projekt für thermische Energiespeicherung oder Kältespeicherung in Rechenzentren, daher wird dieser Artikel nicht verwendet, um die Schichtungsleistung oder Speicherkapazität zu demonstrieren, wie sie für den thermischen Energiespeichertank detailliert beschrieben ist.
Häufig gestellte Fragen
F1. Was kauft ein Käufer tatsächlich, wenn er thermische Speicherung spezifiziert?
Der Käufer erwirbt die Fähigkeit, eine Menge thermischer Energie zu speichern und über die Zeit zu verschieben. Die Energiehandhabungsfähigkeit ist das Produkt; der Tank ist der Behälter, der sie bereitstellt. Ein Angebot auf Basis eines Wasservolumens kann nicht mit einem Angebot für einen Eisspeicher verglichen werden, obwohl beide dieselbe Aufgabe für den thermischen Energiespeichertank erfüllen
F2. Warum wird die Kapazität als Energie und nicht als Volumen ausgedrückt?
Weil dasselbe Volumen in verschiedenen Medien sehr unterschiedliche Energiemengen enthält. Die fühlbare Speicherung in Wasser ist durch das Delta-T begrenzt, über das der Kreislauf betrieben werden kann. Die latente Speicherung in schmelzendem Eis fügt die Schmelzwärme bei einer festen Temperatur hinzu, sodass eine kleine Schwankung dennoch eine große Menge speichert, wie für den Wärmespeichertank detailliert beschrieben.
F3. Welche drei Aufgaben erfüllt der Wärmespeicher?
Spitzenlastkappung, Überbrückung und Lastverschiebung. Die Spitzenlastkappung reduziert den Beitrag der Anlage zu einer Bedarfsspitze und lädt außerhalb der Spitze wieder auf. Die Überbrückung trägt die Last durch eine definierte Unterbrechung. Die Lastverschiebung verlagert den Verbrauch in einen günstigeren Tarifzeitraum. Sie unterscheiden sich in den beteiligten Stunden, daher muss die Aufgabe zuerst für den Wärmespeichertank festgelegt werden
F4. Wie werden Kaltwasser, Eis und Phasenwechselmedien ausgewählt?
Kaltwasser ist am einfachsten und enthält pro Kubikmeter die wenigste Energie, begrenzt durch das Delta-T des Kreislaufs. Eis erweitert den Temperaturbereich nach unten, da die Phasenänderung bei einer festen Temperatur stattfindet, auf Kosten eines Gefrier- und Schmelzkreislaufs und einer aufwändigeren Steuerungslogik, wie für den Wärmespeichertank im Detail beschrieben.
F5. Wie sieht die Architektur für Laden, Halten und Entladen aus?
Der Lademodus nimmt Wärme aus der Anlage auf, der Haltemodus isoliert den Speicher und hält die Energie zurück, und der Entlademodus gibt Wärme in den Kreislauf ab. Die Anordnung ergibt sich aus den Modi, mit getrennten Anschlüssen, wo die Raten oder Temperaturen abweichen. Die Steuerungsschnittstelle muss den Speicherzustand, die Verfügbarkeitssignale und die Sensordaten für den Wärmespeichertank definieren
F6. Wie hängen Schichtung und nutzbare Kapazität zusammen?
Die nutzbare Kapazität ist der Anteil des Mantels, den der Speicher mit Wasser im erforderlichen thermischen Zustand erreichen kann, nicht das Mantelvolumen. Schlechte Diffusorgeometrie, ein schneller Ladestrom oder ungünstig platzierte Anschlüsse vermischen die Schichten, und die Unterdeckung zeigt sich als Energiedefizit beim Entladen statt als fehlender Tank für den Wärmespeichertank
F7. Wie reduziert der Wärmegewinn durch Isolierung die Kapazität?
Der Wärmegewinn durch die Hülle, das Dach und die Rohrleitungen entstammt der gespeicherten Energie und skaliert mit der Oberfläche, der Temperaturdifferenz und der Wärmeleitfähigkeit der Isolierung. Als täglicher Verlustprozentsatz entfernt eine Standzeit von mehreren Tagen mehrere Tage davon, und der Speicher liefert weniger, als er für den thermischen Energiespeichertank geladen wurde
F8. Was sind die Zuverlässigkeits- und Ausfallbedingungen?
Die wesentlichen sind der Verlust der Schichtung, der sich als Kapazitätsdefizit statt als Alarm zeigt; eine ausgefallene Temperatur- oder Füllstandssonde, die Informationen entfernt, die die Steuerungssequenz benötigt; ein Ventil, das offen klemmt, wodurch der Speicher mit dem Kreislauf verbunden bleibt; und der Ausfall der Hilfsanlage. Jeder erfordert einen sicheren Zustand für den thermischen Energiespeichertank
F9. Wie vergleichen sich die Aufgaben von thermischem Speicher und Puffer?
Ein Pufferspeicher wird in Gallonen oder Kubikmetern pro Tonne gemessen und in Minuten dimensioniert; er glättet eine transiente Überlastung über ein kurzes Intervall und ist ein hydraulisch einfaches Gefäß. Ein Wärmespeicher wird in Tonnenstunden gemessen und in Stunden dimensioniert; er verschiebt Energie über einen Tarifzeitraum und benötigt Einbauten, Schichtung und ein Ausfallverhalten für den thermischen Energiespeichertank
F10. Was enthält eine Checkliste für Kapazitäts- und Leistungsspezifikationen?
Zehn Punkte: die in Stunden angegebene Leistung mit dem Ereignis, dem sie dient; die Energie in Tonnenstunden und kWh mit dem Auslegungs-Delta-T oder der Übergangstemperatur; die Medien und der gehaltene physikalische Zustand; die Laderate, Entladerate und das Zeitfenster; die Standzeit und der Wärmeverlust; die nutzbare Kapazität, getrennt vom Mantelvolumen angegeben; die Verifizierungsmethode; die für den thermischen Energiespeichertank
Thermische Energiespeicher sollten als Kapazität in Tonnenstunden mit einem angegebenen Auslegungs-Delta-T, einem angegebenen Entladezeitfenster und einem angegebenen Bereitschaftswärmeverlust spezifiziert werden, weil eine Spezifikation in Volumenbegriffen nicht zwischen einem Kaltwasserspeicher, einem Eisspeicher und einem Phasenwechselspeicher verglichen werden kann und weil die Betriebszeit in Stunden das ist, was die drei Anwendungen tatsächlich unterscheidet. Die Folge daraus ist, dass die nutzbare Kapazität, der Verlust über die Bereitschaftsperiode und das Ausfallverhalten neben der Energieangabe angegeben werden müssen, da sich genau in diesen drei Punkten der Unterschied zwischen einer angegebenen Kapazität und einer gelieferten Kapazität zeigt. Ein so spezifizierter Speicher kann über Angebote hinweg verglichen und bei der Inbetriebnahme gegen seine Betriebszeit verifiziert werden, was bei einem in Volumenbegriffen spezifizierten Speicher für einen thermischen Energiespeicherbehälter nicht möglich ist.
Mit einem Ingenieur sprechen
Für einen thermischen Energiespeicher senden Sie bitte die Last, die der Speicher bedienen soll, und das Ereignis, das sie abdeckt, die thermische Last in Tonnen und die beteiligten Stunden, die Kaltwassertemperaturen im Vor- und Rücklauf und das verfügbare Delta-T, die gewünschte Entladerate und das Zeitfenster, das in Betracht gezogene Medium, die Standzeit zwischen Beladung und Entladung, die Umgebungsbedingungen am Standort, die Grundfläche sowie Kran- und Zugangsbeschränkungen und das Steuerungssystem, mit dem der Speicher gekoppelt werden muss. Wir liefern Ihnen eine Kapazitätsstudie zurück, die die Energie in Tonnenstunden und kWh, die Mediummenge und das Mantelvolumen, die nutzbare Kapazität und die Schichtungsanforderung, den Auslegungswärmeverlust über die Standzeit, die Belade- und Entladesequenz und das Fehlerverhalten angibt, das in die Spezifikation aufzunehmen ist.
Über Center Enamel
Shijiazhuang Zhengzhong Technology Co., Ltd (Center Enamel) ist ein professioneller Hersteller, der sich seit 2008 der Entwicklung und Fertigung von verschraubten Lagertanks widmet. Das Produktsortiment umfasst Glass-Fused-to-Steel (GFS)-Tanks, Fusion-Bonded Epoxy (FBE)-Tanks, Edelstahltanks, feuerverzinkte Stahltanks und geodätische Aluminium-Kuppeldächer, zusammen mit EPC-technischer Unterstützung und Tankzubehör. Die Produktion erfolgt unter ISO 9001, ISO 14001 und ISO 45001, und das Produktsortiment ist nach NSF/ANSI 61, WRAS, CE und EN 1090, ISO 28765, AWWA D103-09 und NFPA zertifiziert, sofern die Anwendung dies erfordert. Das Unternehmen verfügt über nahezu 200 Emaillierungs-Patente, betreibt eine Produktionsbasis von 150.000 m2, produziert jährlich etwa 300.000 emaillierte Stahlplatten, hat mehr als 30.000 installierte Projekte abgeschlossen und Tanks in mehr als 100 Länder geliefert. Die technische Konstruktionskompetenz umfasst Tankvolumina bis zu 60.000 m3, wie für Wärmespeichertanks im Detail beschrieben.
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