Depósitos TES: Una referencia rápida para el almacenamiento térmico en la refrigeración de centros de datos
Creado 11.13
Tanques TES: Una referencia rápida para el almacenamiento térmico en la refrigeración de centros de datos
Un tanque TES almacena refrigeración como calor sensible en agua enfriada estratificada, calor latente en hielo o calor latente en un material de cambio de fase, y permite a la planta de enfriadoras reducir la demanda máxima o superar un evento; la arquitectura correcta se elige a partir del salto térmico disponible, el espacio y la función que debe cumplir el almacenamiento.
Introducción
El almacenamiento de energía térmica (TES) en una planta de refrigeración de un centro de datos es un tanque que almacena refrigeración cuando es barata o abundante y la devuelve cuando la carga o la tarifa lo exigen. Es la palanca más importante que la mayoría de las plantas de refrigeración tienen para reducir la demanda eléctrica máxima y para superar un evento de la red sin combustible de generador, y funciona con las enfriadoras que ya posee en lugar de reemplazarlas.
Esta es una referencia compacta, no un manual de diseño. Le explica qué es un tanque TES, las tres arquitecturas de uso común y los números que definen cada una, cómo el almacenamiento transforma la planta de enfriadoras, cuánto cuesta y qué retorno ofrece, los casos en los que no vale la pena hacerlo, y las preguntas que debe llevar a un especialista antes de comprometer capital. La base física es el Manual de ASHRAE; las pruebas de rendimiento de los tanques de almacenamiento siguen los procedimientos de prueba uniformes publicados por IAPMO.
Lea esto primero cuando esté orientándose, luego lleve las preguntas del final al ingeniero que dimensionará el tanque real.
Qué es un tanque TES en un párrafo
Un tanque TES es un almacén de capacidad de enfriamiento, no un generador de esta. Contiene un volumen de fluido a una temperatura que es útil para la planta, cargado por los enfriadores cuando hay capacidad disponible o energía barata y descargado al serpentín de enfriamiento o a la distribución cuando la carga o la tarifa lo requieren. El tanque en sí no enfría; desacopla el momento en que se produce el enfriamiento del momento en que se utiliza.
Para un centro de datos el valor es doble. Operativamente, lleva a la planta a través de una perturbación de la red o un fallo de un enfriador durante los minutos u horas que la masa térmica puede cubrir, y económicamente permite que los enfriadores funcionen de noche o durante la tarifa fuera de punta para llenar el tanque, y luego recortar o evitar la demanda eléctrica pico durante el día. El tanque es el amortiguador entre los enfriadores y la carga en el tiempo, en lugar de solo en el flujo como lo hace un tanque de amortiguación.
Las tres arquitecturas
Tres arquitecturas dominan. El almacenamiento de agua enfriada estratificado es el más sencillo: un tanque alto de agua cargado frío por la parte inferior y caliente por la superior, separados por una termoclina, de modo que la planta extrae agua fría por la parte inferior y devuelve agua caliente por la superior. Funciona con un salto térmico moderado de unos pocos grados y utiliza agua común como medio.
El almacenamiento de hielo utiliza el calor latente de fusión: una densidad energética por volumen mucho mayor que la del agua, construido como hielo sobre serpentín, donde el hielo se forma alrededor de los tubos por los que fluye la salmuera, o como un recolector dinámico que fabrica y almacena hielo por separado. El almacenamiento con materiales de cambio de fase se sitúa entre ambos, utilizando una sal o un eutéctico que se funde y congela a una temperatura elegida, proporcionando almacenamiento latente a un punto de consigna sin las temperaturas de salmuera tan bajas que exige el hielo.
Los números que definen cada arquitectura
Los números que definen cada arquitectura son la densidad energética y el salto térmico que necesita. El almacenamiento de agua enfriada estratificada almacena aproximadamente 1,16 kWh por metro cúbico por grado Celsius de delta-T (rho x cp x delta-T), por lo que una variación de 5 °C (9 °F) proporciona alrededor de 5,8 kWh/m3, y el tanque es grande pero los enfriadores se mantienen a temperaturas normales de agua enfriada.
El hielo almacena aproximadamente 93 kWh/m3 de calor latente en el punto de congelación, por lo que el tanque es mucho más pequeño para la misma energía, pero los enfriadores deben producir salmuera cerca de 0 °C (32 °F) o por debajo, lo que cuesta elevación y eficiencia. El material de cambio de fase almacena a su temperatura de fusión, típicamente decenas de kWh/m3, entre los dos extremos. La selección es un intercambio entre el volumen del tanque, la elevación del enfriador y la temperatura que la distribución puede aceptar. La elección rara vez se trata de cuál almacena más energía por metro cúbico, porque la planta generalmente puede hacer espacio para un tanque; se trata de la elevación del enfriador que exige la arquitectura elegida y la temperatura de distribución que las bobinas existentes realmente aceptarán.
Cómo cambia la planta de enfriadores
El almacenamiento cambia la planta de enfriadores al permitirle funcionar contra el tanque en lugar de contra la carga instantánea. En modo de carga, los enfriadores llenan el tanque, dimensionado para la carga promedio durante la ventana de carga en lugar del pico, de modo que una planta de enfriadores más pequeña o más lenta puede servir una carga pico mayor de la que podría sin almacenamiento.
En modo de descarga, el tanque suministra parte o la totalidad de la refrigeración, por lo que los enfriadores pueden modularse o detenerse durante el pico o el evento. El control de la planta gana un grado de libertad: cuándo producir refrigeración frente a cuándo utilizarla, decidido por la tarifa, la señal de la red o el plan de resiliencia en lugar de por la demanda instantánea de la bobina. Esa libertad es el activo; el tanque es el hardware que la sostiene.
Cuánto cuesta y cuánto ahorra
Lo que cuesta es el tanque, la bomba y distribución adicionales, y los controles para cargarlo y descargarlo; lo que ahorra es la demanda eléctrica pico, el cargo por demanda asociado y, en algunos mercados, la capacidad de evitar un generador o reducir su combustible. El retorno es función de la estructura tarifaria y de la frecuencia con la que realmente se recorta el pico, no un porcentaje fijo.
La afirmación honesta es que el ahorro depende de la tarifa: una planta que alcanza un pico pronunciado frente a un cargo por demanda elevado recupera la inversión del tanque más rápido que una con un perfil plano, y un campus que necesita resiliencia durante eventos de la red valora el tanque por la continuidad que proporciona, independientemente de la tarifa. Cuantifique tanto la reducción de la demanda como el valor de la resiliencia antes de comprometer el capital, porque uno u otro suele sustentar el caso.
Cuando no tiene sentido
El almacenamiento térmico no vale la pena cuando el perfil de carga ya es plano, la tarifa no conlleva un cargo por demanda que merezca la pena reducir, o el sitio no tiene espacio ni tolerancia para la elevación del enfriador que requiere la arquitectura elegida. Una planta que nunca alcanza un pico frente a un cargo no tiene nada que el tanque pueda suavizar, y el capital queda inactivo.
También falla cuando la distribución no puede utilizar la temperatura de almacenamiento: el agua enfriada estratificada necesita un delta-T que las bobinas acepten, el hielo necesita una planta de salmuera que el propietario no operará, y el cambio de fase necesita un punto de consigna que el sistema realmente cruce. Si la única forma de utilizar el enfriamiento almacenado es reconstruir la distribución, el almacenamiento es la inversión inicial equivocada. Adapte la arquitectura a la planta que tiene antes de dimensionar el tanque.
Preguntas para llevar a un especialista
Lleve una lista breve y específica al especialista para que la conversación gire en torno a números, no a categorías. Las preguntas son sobre el deber, la temperatura, el espacio y el dinero, y cada una condiciona la arquitectura que sobrevive.
· ¿Qué función debe cumplir el tanque: reducción de la demanda, continuidad operativa o ambas, y durante cuánto tiempo?
· ¿Qué delta-T puede utilizar realmente la distribución y qué elevación del enfriador es aceptable para crear el almacenamiento?
· ¿Qué volumen y huella están disponibles en el sitio y cuál es la capacidad de carga de la losa o del suelo?
· ¿Cuál es la estructura tarifaria y cuál es el cargo por demanda o el valor de resiliencia que el tanque recuperaría?
· ¿Qué arquitectura se ajusta a la temperatura y al espacio, y cuál es el costo instalado frente al valor recuperado durante la vida útil de la planta?
Términos y normas clave
Algunos términos y estándares enmarcan toda discusión sobre TES. La termoclina es el límite graduado entre el agua caliente y la fría en un tanque estratificado; una carga completa la mantiene nítida. El calor latente de fusión es la energía que el hielo o un material de cambio de fase almacena a temperatura constante al congelarse o fundirse, distinto del calor sensible almacenado por un cambio de temperatura.
Las referencias de ingeniería son el ASHRAE Handbook - HVAC Systems and Equipment para la física de la planta y los procedimientos de prueba uniformes de IAPMO para tanques de almacenamiento térmico para cómo se mide el rendimiento. Un tanque se especifica por su capacidad energética en kWh de refrigeración, su delta-T de operación, sus tasas de carga y descarga, y la temperatura que acepta la distribución; mantenga esos cuatro en cada plano y la elección de arquitectura se mantiene honesta.
Comparación de arquitecturas TES: medio, densidad energética, salto térmico del enfriador
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