Tanque de almacenamiento de hielo para centro de datos: almacenamiento térmico con hielo y PCM
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Tanque de almacenamiento de hielo para centros de datos: almacenamiento térmico con hielo y PCM
Un tanque de almacenamiento de hielo para un centro de datos es un recipiente de almacenamiento de energía térmica que almacena frío como calor latente en hielo o en un material de cambio de fase (PCM), liberándolo durante la demanda eléctrica máxima o los picos de refrigeración para recortar la carga y reducir costos. En comparación con el almacenamiento térmico de agua enfriada, el hielo y el PCM almacenan mucho más frío por unidad de volumen porque utilizan el calor latente de fusión, pero operan a una temperatura más baja e imponen una mayor elevación térmica a la planta de refrigeración. El tanque es un recipiente revestido, atornillado o fabricado, referenciado a AWWA D103-09 e ISO 28765, que contiene ya sea bolas de hielo encapsuladas, un sistema de hielo en placas o una suspensión de PCM — elegido según el objetivo de recorte de picos del sitio y la temperatura que el circuito de refrigeración puede aceptar.
El almacenamiento de energía térmica permite a un centro de datos producir refrigeración cuando es barata o abundante y utilizarla cuando es costosa o limitada. El almacenamiento de agua enfriada es la forma habitual, pero consume mucho volumen porque solo almacena calor sensible. El almacenamiento de hielo y de cambio de fase comprime ese volumen drásticamente al almacenar calor latente, a costa de un ciclo de refrigeración más frío y de mayor esfuerzo. Para un centro de datos que busca el recorte de picos, la reducción de cargos por demanda o una menor huella, el hielo o los PCM pueden ser la mejor opción. Los errores consisten en especificar hielo donde el agua enfriada sería suficiente, ignorar el efecto de la menor temperatura sobre la elevación de la planta, o construir un tanque cuya revestimiento no pueda tolerar las condiciones de congelación-descongelación y de suspensión de sólidos.
Esta guía aborda el tanque de almacenamiento de hielo para un centro de datos, desde las opciones de hielo/PCM hasta la comparación con agua enfriada, el dimensionamiento y el material.
Opciones de almacenamiento de hielo y PCM
El almacenamiento de hielo y PCM se presenta en varias formas físicas, y el diseño del tanque sigue la forma elegida. Los tres enfoques comunes difieren en cómo se produce, almacena y derrite el hielo.
1. Hielo encapsulado. Bolas o cápsulas selladas llenas de una solución con punto de congelación reducido se colocan en un tanque de agua; la planta de refrigeración las congela por la noche y el agua circulante las derrite durante el día. El tanque es un volumen contenido simple de cápsulas y agua.
2. Hielo en placas o estático. El hielo se forma sobre placas o serpentines dentro del tanque; el refrigerante o la salmuera construyen y liberan directamente el hielo. El tanque alberga la pila de placas y el circuito de agua de deshielo.
3. Material de cambio de fase (PCM). Un material formulado con una temperatura de fusión ajustada almacena calor latente en una banda más estrecha que el hielo de agua, lo que permite diseñar un tanque en torno al rango de temperatura útil del centro de datos en lugar de 0 °C.
Cada forma cambia el interior del tanque, la trayectoria de fusión/descarga y la temperatura a la que se entrega el enfriamiento almacenado.
Hielo y PCM frente a TES de agua enfriada
El hielo y el PCM almacenan aproximadamente un orden de magnitud más de refrigeración por metro cúbico que el agua enfriada, pero a una temperatura más baja y con una mayor elevación de la planta. La comparación es la cuestión central de selección.
· Densidad de almacenamiento. El agua enfriada almacena calor sensible en unos pocos grados de salto térmico; el hielo almacena el calor latente de fusión, por lo que una capacidad de refrigeración dada necesita mucho menos volumen de tanque.
· Penalización de temperatura. El hielo y los PCM descargan a menor temperatura que el TES de agua enfriada, por lo que la planta de refrigeración trabaja más (mayor salto térmico) para producir el hielo, intercambiando volumen por energía y tamaño del equipo.
· Ajuste para la reducción de picos. Cuando el objetivo es reducir el cargo por demanda o desplazar la refrigeración fuera de una ventana de pico, el almacenamiento compacto de hielo/PCM a menudo se amortiza a pesar de la penalización.
· Cuándo gana el agua enfriada. Cuando el volumen no está restringido y la temperatura del circuito es moderada, el TES de agua enfriada evita la elevación de baja temperatura y es más sencillo.
La decisión es una disyuntiva entre huella y elevación, no una opción por defecto hacia la alternativa más densa.
Atributo | TES de agua enfriada | Almacenamiento de hielo / PCM |
Mecanismo de almacenamiento | Calor sensible | Calor latente (fusión) |
Volumen por unidad de refrigeración | Alto | Bajo (mucho más denso) |
Temperatura de descarga | Moderada (p. ej., 4–7 °C) | Baja (cerca de 0 °C o del punto del PCM) |
Salto de la planta | Inferior | Superior |
Mejor uso | Sitios con volumen disponible | Recorte de picos, espacio limitado |
Material del tanque y servicio de congelación-descongelación
Un tanque de almacenamiento de hielo o PCM debe soportar ciclos continuos de congelación-descongelación y, en formas de lechada, abrasión, por lo que el revestimiento y la carcasa se especifican para ese servicio. Esto es más exigente que el almacenamiento estático de agua.
· GFS (vidrio fundido al acero). El esmalte cocido a 820–930 °C proporciona una piel lisa y dura (Ra < 0,8 µm, adherencia superior a 3.450 N/cm²) que resiste los ciclos de congelación-descongelación y la abrasión de cápsulas/lechada; cada panel se somete a prueba de chispa a 1.500 V CC.
· Atornillado con revestimiento FBE. Un revestimiento epoxi documentado (estilo AWWA C550) validado para la banda de congelación-descongelación y temperatura.
· Recipientes fabricados. Para unidades de hielo en placas o PCM compactos, los tanques fabricados de acero inoxidable o con revestimiento FBE son adecuados para el serpentín interno o el conjunto de placas.
· Envolvente térmica. Debido a que el almacén es frío, el aislamiento externo y un techo sellado limitan la ganancia de calor que derretiría prematuramente el inventario.
El revestimiento se elige de modo que la congelación repetida y cualquier abrasión por pods/lechada no degraden el confinamiento durante las décadas que opera la planta.
Forma | Interiores del tanque | Temperatura de descarga |
Hielo encapsulado | Cápsulas en agua | Fusión cerca de 0 °C |
Hielo en placas / estático | Pila de serpentines o placas | Fusión cerca de 0 °C |
PCM | Material de fusión ajustado | Punto de fusión del PCM |
Dimensionamiento para reducción de picos
Un tanque de almacenamiento de hielo se dimensiona a partir de la capacidad de refrigeración que se va a desplazar y la ventana de descarga, expresada como volumen de almacenamiento latente en lugar de toneladas sensibles. Tres entradas establecen la capacidad.
4. Refrigeración que se va a desplazar. La capacidad de refrigeración de demanda pico u objetivo fuera de pico, en toneladas de refrigeración o kWh, que el sitio quiere almacenar en lugar de generar en el pico.
5. Ventana de descarga. Las horas durante las cuales el almacén debe descargar durante el período pico, lo que establece la tasa de almacenamiento requerida así como el volumen total.
6. Límite de temperatura y de elevación. La temperatura de descarga útil más baja y la elevación de refrigeración que la planta puede aceptar, lo que delimita si el hielo o un PCM de mayor temperatura es la opción correcta.
El resultado es un almacenamiento latente compacto dimensionado para la carga y la ventana desplazadas, referenciado a los límites de temperatura del circuito, no un volumen de agua enfriada mal aplicado a un servicio de hielo.
Integración con la planta de enfriamiento
El almacén de hielo o PCM se conecta a la planta de enfriamiento del centro de datos mediante un circuito de carga/descarga que el sistema de control programa en torno a la ventana de máxima demanda. La disciplina de integración es importante.
· Carga en horas valle. La planta de refrigeración congela el almacén (o ajusta el PCM) cuando la electricidad es más barata o la planta central tiene capacidad disponible.
· Descarga en horas punta. Durante la ventana de máxima demanda, el almacén alimenta el circuito de enfriamiento, reduciendo la carga de los enfriadores y los cargos por demanda.
· Mézclalo con agua fría. Muchas instalaciones utilizan una solución híbrida: TES de agua fría para desplazamientos moderados y hielo/PCM para el pico más pronunciado, programados conjuntamente.
Esta programación convierte el almacenamiento denso en una reducción medible de la demanda eléctrica máxima.
Caso de proyecto
Aún no se dispone de una referencia dedicada de almacenamiento de hielo para centros de datos dentro del portafolio entregado, por lo que este artículo se redacta como una guía de ingeniería y no como una cita de proyecto. La capacidad de la empresa para suministrar grandes tanques atornillados de almacenamiento térmico y de agua se demuestra en sectores adyacentes: programas internacionales de protección contra incendios han entregado tanques GFS de hasta 12.261 m³ (India, 3 tanques, 2024-06) y 1.666 m³ (Singapur, 2 tanques, 2026-01), construidos conforme a los mismos estándares de tanques atornillados. Esas referencias evidencian el suministro y el aseguramiento de la calidad de tanques atornillados de gran volumen para revestimientos aptos para ciclos de congelación-descongelación; son proyectos de protección contra incendios, no instalaciones de almacenamiento de hielo para centros de datos, y se citan aquí únicamente como contexto de capacidad.
Capacidad de ingeniería de Center Enamel
Center Enamel (Shijiazhuang Zhengzhong Technology Co., Ltd) ha diseñado y fabricado tanques de almacenamiento atornillados desde 2008. Como el primer fabricante de tanques de vidrio fundido a acero (GFS) en China, la empresa posee cerca de 200 patentes relacionadas con el esmalte, produce aproximadamente 300.000 placas de acero recubiertas de esmalte al año, ha completado más de 30.000 proyectos instalados y suministra sus tanques a más de 100 países. Se añadió la nueva base de producción de 150.000 m² para aumentar la capacidad de producción, y se suministran tanques individuales de hasta 60.000 m³. La fabricación se realiza bajo ISO 9001 e ISO 45001, con certificación de producto que incluye NSF/ANSI 61, WRAS, FDA, LFGB, CE (EN 1090), ISO 28765, FM, BSCI y EUROCODE, y diseño referenciado a AWWA D103-09, AWWA C550, ISO 28765 y NSF/ANSI 61 cuando la aplicación lo requiere.
Para el almacenamiento de hielo y PCM, la empresa suministra tanques atornillados GFS y FBE con revestimientos resistentes a los ciclos de congelación-descongelación y a la abrasión, cubiertas aisladas selladas y documentación de recubrimiento/pruebas de chispa para su revisión.
Preguntas frecuentes
P1: ¿En qué se diferencia el almacenamiento de hielo del TES de agua fría?
A1: El hielo y los PCM almacenan calor latente de fusión, lo que proporciona una densidad de refrigeración por volumen mucho mayor que el calor sensible del agua enfriada, pero a una temperatura de descarga más baja y una elevación de refrigeración más alta.
P2: ¿Qué es mejor para el recorte de picos?
R2: El hielo o los PCM son adecuados para sitios con espacio limitado y ventanas de demanda máxima pronunciadas donde el almacenamiento denso se amortiza a pesar de la temperatura más baja y la elevación más alta; el agua enfriada es adecuada para sitios con volumen disponible y temperaturas moderadas.
P3: ¿Cuáles son las principales formas de hielo/PCM?
R3: Hielo encapsulado (cápsulas en agua), hielo en placas o estático (hielo sobre serpentines/placas) y material de cambio de fase ajustado a una temperatura de fusión útil; cada uno modifica el interior del tanque y la trayectoria de descarga.
P4: ¿Cómo afecta el ciclo de congelación-descongelación al tanque?
A4: La congelación repetida y cualquier abrasión de cápsulas/lechada exigen un revestimiento duro y resistente; se especifica esmalte GFS (Ra < 0,8 µm, prueba de chispa a 1.500 V CC) o un grado FBE documentado, con aislamiento para limitar la ganancia de calor.
P5: ¿Cómo se dimensiona el tanque?
A5: Desde la capacidad de enfriamiento que se va a desplazar, la ventana de descarga y la temperatura/elevación útil más baja que acepta la planta — dimensionada como volumen de almacenamiento latente, no como volumen de agua enfriada.
Q6: ¿Puede el almacenamiento de hielo combinarse con TES de agua enfriada?
A6: Sí. Muchas instalaciones operan un sistema híbrido, usando TES de agua enfriada para desplazamientos moderados y hielo/PCM para el pico más pronunciado, programados conjuntamente por el sistema de control.
Q7: ¿Qué normas se aplican?
A7: AWWA D103-09 para construcción atornillada e ISO 28765 para diseño con esmalte vítreo cuando se requiera; NSF/ANSI 61 y WRAS se aplican cuando el agua del circuito entra en contacto con un revestimiento adyacente a agua potable.
Un tanque de almacenamiento de hielo para un centro de datos cambia el salto térmico de la planta por la densidad de almacenamiento, almacenando el enfriamiento como calor latente en hielo o PCM para recortar los picos y reducir los cargos por demanda donde la huella o los picos pronunciados hacen que el agua enfriada no sea práctica. Elija la forma —encapsulada, de placas o PCM— según los límites de temperatura del sitio, especifique un revestimiento GFS o FBE resistente a los ciclos de congelación-descongelación y a la abrasión, dimensione el almacén para la carga y la ventana desplazadas, y haga referencia a la fabricación según AWWA D103-09 e ISO 28765. Hecho de esa manera, el almacenamiento térmico se gana su lugar compacto en la estrategia de enfriamiento.
Hable con un ingeniero
Para un tanque de almacenamiento de hielo para un centro de datos, envíenos la capacidad de refrigeración que desea desplazar, la ventana de descarga máxima, la temperatura útil más baja de su circuito y el límite de elevación de refrigeración, y la forma de hielo/PCM que prefiere. Le devolveremos una recomendación de forma de almacenamiento, una especificación de tanque atornillado GFS o FBE con revestimiento resistente a ciclos de congelación-descongelación y techo aislado, y un estudio de dimensionamiento de almacenamiento latente referenciado a AWWA D103-09 e ISO 28765 con documentación de revestimiento y prueba de chispa.
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