Tanques de Almacenamiento de Energía Térmica para Centros de Datos: Función, Capacidad y Arquitectura
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Depósitos de almacenamiento de energía térmica para centros de datos: función, capacidad y arquitectura
Cuando un comprador especifica un tanque de almacenamiento de energía térmica, lo que realmente está adquiriendo es una capacidad de gestión de energía más que un equipo. La capacidad que importa es la cantidad de calor que el almacén puede absorber y posteriormente entregar, expresada en toneladas-hora o en kWh, junto con el salto térmico de diseño y la ventana de descarga durante la cual esa energía puede liberarse a una tasa útil. Informar la capacidad como un volumen de agua deja al comprador incapaz de comparar un almacén de agua enfriada con un almacén de hielo o un almacén de cambio de fase, porque la energía contenida en un metro cúbico difiere en un orden de magnitud entre los medios. El servicio determina entonces la arquitectura: el recorte de picos, la continuidad operativa y el desplazamiento de carga necesitan cada uno una disposición de carga y descarga diferente, una interfaz de control diferente y un volumen diferente en términos de horas en lugar de minutos. Aislar el almacén tampoco es un detalle secundario, ya que una ganancia de calor diaria de unos pocos por ciento de la energía almacenada elimina una fracción utilizable de la capacidad durante un periodo de reposo.
Para qué sirve realmente un almacén de energía térmica
Un almacén de energía térmica es un volumen de medio de almacenamiento dispuesto deliberadamente cuyo propósito es retener energía térmica durante un período de tiempo y transferirla hacia o desde la instalación a una velocidad que la instalación no puede entregar. La energía se transfiere, no se crea: el almacén se carga desde una fuente que de otro modo estaría en funcionamiento, y se descarga en una demanda cubierta de otro modo para el depósito de almacenamiento de energía térmica
Ese planteamiento importa más que el equipo, porque es lo que se puede comparar entre propuestas. Una propuesta que ofrece un volumen de tanque sin una declaración de energía y una ventana de descarga no ha indicado qué se está vendiendo. Una propuesta que indica la energía, el delta-T y los caudales se puede comparar con otra sobre un medio diferente para el tanque de almacenamiento de energía térmica
Capacidad expresada como energía, no como volumen
Hay dos formas de expresar una capacidad de almacenamiento en términos de energía. La forma de horas de carga es la más sencilla: la carga térmica en toneladas multiplicada por las horas durante las cuales se descarga, de modo que un almacén que transporta 500 toneladas de refrigeración durante 4 horas contiene 2.000 toneladas-hora. La forma másica es la misma capacidad a través del medio: volumen por densidad, calor específico y diferencia de temperatura para el tanque de almacenamiento de energía térmica
La forma másica es donde los medios se separan, porque el mismo metro cúbico contiene cantidades muy diferentes de energía según el mecanismo. El almacenamiento sensible en agua está limitado por la diferencia de temperatura a la que puede operar el circuito. El almacenamiento latente en hielo en fusión añade el calor de fusión a una temperatura fija, por lo que una pequeña variación sigue almacenando una gran cantidad de energía para el tanque de almacenamiento de energía térmica
Expresión de capacidad | Fórmula | Qué fija | Valor ilustrativo |
Forma de horas de carga | Carga térmica en toneladas multiplicada por las horas de descarga | La energía que el almacén debe entregar | 500 toneladas durante 4 horas = 2.000 toneladas-hora |
Forma de masa sensible | Volumen por densidad, calor específico y delta-T | La cantidad de medio para una energía dada | 100 m3 a 5 K dan aproximadamente 2.900 kWh |
Forma másica latente | Masa por calor de fusión en el punto de transición | La cantidad de medio en un punto fijo | El hielo a 334 kJ/kg por tonelada proporciona unos 335 kWh |
Fracción utilizable | Volumen del recipiente por la fracción que el medio puede alcanzar | La penalización por una estratificación imperfecta | Una capacidad utilizable del 90 por ciento conserva el 90 por ciento de la energía |
Tres funciones que producen tres almacenes diferentes
El recorte de picos, la continuidad operativa y el desplazamiento de carga se parecen desde fuera porque los tres implican un tanque en un sistema de agua enfriada, y difieren en lo que se le pide al tanque hacer durante el evento. El recorte de picos se dirige a la contribución de la planta a un pico de demanda: el almacenamiento se descarga mientras esa contribución es más alta para el tanque de almacenamiento de energía térmica
La capacidad que implica cada función difiere en tipo, no solo en tamaño, y también lo hace el modo de fallo. Un almacenamiento de recorte de picos que no se carga a tiempo no contribuye nada en el pico. Un almacenamiento de continuidad operativa que no está a la temperatura correcta no sostiene la carga durante la interrupción. Un almacenamiento de desplazamiento de carga que pierde demasiado por ganancia de calor en reposo no tiene energía restante para descargar para el tanque de almacenamiento de energía térmica
Elegir entre agua enfriada, hielo y medios de cambio de fase
El medio determina la temperatura que el almacén puede entregar y la velocidad a la que se puede cargar y descargar. El almacenamiento de agua enfriada es el más sencillo: el almacén es el propio agua enfriada, el delta-T del circuito establece la densidad energética y las velocidades son los caudales del circuito. Solo puede entregar una temperatura superior al punto de fusión del hielo para el tanque de almacenamiento de energía térmica
El almacenamiento de hielo amplía el rango hacia abajo porque el cambio de fase ocurre a una temperatura fija y la energía almacenada no está limitada por un delta-T. El costo es un circuito de congelación y otro de fusión, la manipulación del hielo, una mayor oscilación de temperatura entre los estados de carga y descarga y una lógica de control más compleja. Los materiales de cambio de fase se sitúan entre ambos, almacenando calor latente a una temperatura de transición elegida para el tanque de almacenamiento de energía térmica
Carga, mantenimiento y descarga: arquitectura e interfaz de control
Todo acumulador térmico opera en tres modos, y la interfaz de control tiene que definir los tres. En el modo de carga, el acumulador acepta calor de la planta, ya sea porque la planta tiene capacidad excedente o porque la tarifa hace que la energía sea barata. En el modo de mantenimiento, el acumulador está aislado y retiene su energía. En el modo de descarga, entrega calor al circuito, con conexiones separadas donde los modos requieren diferentes caudales para el tanque de almacenamiento de energía térmica
La interfaz de control decide si el acumulador funciona en la práctica. El controlador de la planta tiene que saber cuándo está disponible el acumulador, cuánta energía contiene y qué caudal puede entregar, y el controlador del acumulador tiene que saber qué está haciendo la planta. Ese intercambio es un conjunto de señales definidas: una indicación de estado, una disponibilidad de carga, una disponibilidad de descarga, la energía almacenada o los sensores de temperatura, y las señales de permiso para el tanque de almacenamiento de energía térmica
La estratificación y la capacidad utilizable que deja tras de sí
En un almacén de agua enfriada, la capacidad utilizable no es el volumen del tanque. Es la fracción del tanque que el almacén puede alcanzar realmente con el agua en el estado térmico correcto, y esa fracción está determinada por la eficacia con la que el almacén mantiene sus capas. El agua fría cargada por la parte superior cae a través del agua más cálida que hay debajo y empuja el agua cálida hacia arriba para el tanque de almacenamiento de energía térmica
Esto tiene un efecto directo en la aritmética energética, y es el efecto que con mayor frecuencia falta en una propuesta. Un almacén especificado según el volumen del tanque supone que todo el volumen está disponible con el delta-T de diseño. Una estratificación imperfecta proporciona un volumen utilizable menor, por lo que el déficit aparece como un déficit de energía en la descarga en lugar de como un tanque faltante. La especificación debe indicar la capacidad utilizable para el tanque de almacenamiento de energía térmica
El aislamiento y la ganancia de calor como pérdida de capacidad
Todo acumulador térmico pierde calor a través de su envolvente, su cubierta y su red de tuberías, y esa pérdida procede directamente de la energía almacenada. La pérdida es proporcional al área superficial, a la diferencia entre la temperatura del acumulador y la ambiente, y a la conductancia del aislamiento, por lo que escala con la geometría que determina la capacidad. La relación entre superficie y volumen decide si la pérdida es un error de redondeo o una fracción importante para el depósito de almacenamiento de energía térmica
El efecto se expresa con mayor claridad como porcentaje de pérdida diaria. Si un acumulador pierde una ganancia de calor diaria igual a un pequeño porcentaje de su energía almacenada, un periodo prolongado de reposo elimina ese porcentaje cada día, y el acumulador entrega menos de lo que se le cargó. Un acumulador cargado durante el fin de semana para una descarga el lunes por la mañana pierde tres días de ganancia de calor en reposo para el depósito de almacenamiento de energía térmica
Fiabilidad y las condiciones de fallo que importan
Un acumulador térmico tiene más formas de fallar que un tanque sin función asignada, porque tiene componentes internos activos, una interfaz de control y un estado almacenado que puede degradarse. Las condiciones de fallo que conviene tener en cuenta en el diseño son la pérdida de estratificación, el fallo de una sonda de temperatura o de nivel, una válvula que se agarrota y el fallo de la planta auxiliar que mueve el agua para el tanque de almacenamiento de energía térmica
La pérdida de estratificación es un fallo gradual que se manifiesta como un déficit de capacidad en lugar de una alarma, por lo que la capacidad utilizable debe verificarse mediante una prueba. Una sonda defectuosa elimina la información de la que depende la secuencia de control, y el comportamiento correcto es un estado de reserva definido. Una válvula atascada en posición abierta deja el acumulador conectado al circuito para el tanque de almacenamiento de energía térmica
Almacenamiento térmico en comparación con funciones de amortiguación, y la lista de verificación de especificaciones
Los dos cometidos se separan con mayor claridad por la escala temporal y por la unidad en la que se mide cada uno. Un tanque de amortiguación se mide en galones o metros cúbicos por tonelada y se dimensiona en minutos. Un acumulador térmico se mide en toneladas-hora y se dimensiona en horas, con un delta-T de diseño y una ventana de descarga. Un amortiguador es un recipiente simple; un acumulador necesita elementos internos y estratificación para el tanque de almacenamiento de energía térmica
Por lo tanto, la especificación debe fijar el cometido y la unidad antes de fijar un volumen. Establece el cometido en horas y en términos de tarifa o interrupción, la energía en toneladas-hora y kWh junto con el volumen, el delta-T de diseño y los medios, las tasas de carga y descarga, el periodo de reposo y la pérdida de calor de diseño, y la capacidad utilizable con su método de verificación para el tanque de almacenamiento de energía térmica
· El cometido en horas: reducción de picos, continuidad o desplazamiento de carga, y su evento para el tanque de almacenamiento de energía térmica
· La energía en toneladas-hora y kWh, y el delta-T de diseño o punto de transición para el tanque de almacenamiento de energía térmica
· El medio y el estado físico que contiene para el tanque de almacenamiento de energía térmica
· La tasa de carga, la tasa de descarga y la ventana de descarga para el tanque de almacenamiento de energía térmica
· El período de reposo y la pérdida de calor de diseño para el tanque de almacenamiento de energía térmica
· La capacidad utilizable, indicada por separado del volumen del tanque para el tanque de almacenamiento de energía térmica
· El método de verificación de la capacidad utilizable para el tanque de almacenamiento de energía térmica
· Las señales de interfaz de control entre el almacenamiento y el controlador de la planta para el tanque de almacenamiento de energía térmica
· Estados seguros definidos para fallos de sonda, válvula y alimentación auxiliar para el tanque de almacenamiento de energía térmica
· Restricciones del sitio en cuanto a huella, acceso, capacidad de grúa e instalación para el tanque de almacenamiento de energía térmica
Estudio de caso del proyecto
Referencia de entrega para este cometido, citada de la biblioteca de proyectos verificados. Nivel de coincidencia C. Una entrega de vidrio fundido a acero de gran volumen citada como evidencia de capacidad de fabricación. La biblioteca verificada no contiene ningún proyecto de almacenamiento de energía térmica ni de almacenamiento refrigerado para centros de datos, por lo que este artículo no lo utiliza para demostrar el rendimiento de estratificación ni la capacidad de almacenamiento, como se detalla para el tanque de almacenamiento de energía térmica.
ID del proyecto | País | Producto | Capacidad | Número de tanques | Dimensiones | Finalización | Alcance del suministro |
NAM-POT-44900-B | Namibia | Tanque atornillado de vidrio fundido a acero (GFS) | 44.900 m3 | 4 | φ41,26 × 8,4 m (H) por tanque | 2022-09 | No registrado |
Una entrega de vidrio fundido a acero de gran volumen citada como evidencia de capacidad de fabricación. La biblioteca verificada no contiene ningún proyecto de almacenamiento de energía térmica ni de almacenamiento refrigerado para centros de datos, por lo que este artículo no lo utiliza para demostrar el rendimiento de estratificación ni la capacidad de almacenamiento, como se detalla para el tanque de almacenamiento de energía térmica.
Preguntas frecuentes
P1. ¿Qué compra realmente un comprador al especificar almacenamiento térmico?
El comprador adquiere la capacidad de retener una cantidad de energía térmica y desplazarla en el tiempo. La capacidad de manejo de energía es el producto; el tanque es el contenedor que la entrega. Una propuesta de volumen de agua no puede compararse con una propuesta de almacenamiento de hielo, aunque ambas satisfagan la misma función para el tanque de almacenamiento de energía térmica
P2. ¿Por qué se expresa la capacidad como energía en lugar de volumen?
Porque el mismo volumen contiene cantidades muy diferentes de energía en distintos medios. El almacenamiento sensible en agua está limitado por el delta-T en el que puede operar el circuito. El almacenamiento latente en hielo en fusión añade el calor de fusión a una temperatura fija, por lo que una pequeña variación sigue almacenando una gran cantidad, como se detalla para el tanque de almacenamiento de energía térmica.
P3. ¿Qué tres funciones cumple el almacenamiento térmico?
Reducción de picos, continuidad y desplazamiento de carga. La reducción de picos disminuye la contribución de la planta a un pico de demanda y recarga fuera del pico. La continuidad mantiene la carga durante una interrupción definida. El desplazamiento de carga traslada el consumo a un periodo tarifario más económico. Difieren en las horas implicadas, por lo que la función debe fijarse primero para el tanque de almacenamiento de energía térmica.
P4. ¿Cómo se eligen el agua enfriada, el hielo y los medios de cambio de fase?
El agua enfriada es la más sencilla y contiene la menor energía por metro cúbico, limitada por el delta-T del circuito. El hielo amplía el rango de temperatura hacia abajo porque el cambio de fase ocurre a una temperatura fija, a costa de un circuito de congelación y descongelación y una mayor lógica de control, como se detalla para el tanque de almacenamiento de energía térmica.
P5. ¿Cómo es la arquitectura de carga, mantenimiento y descarga?
El modo de carga acepta calor de la planta, el modo de mantenimiento aísla el almacén y retiene la energía, y el modo de descarga entrega calor al circuito. La disposición se deriva de los modos, con conexiones separadas donde los caudales o las temperaturas difieren. La interfaz de control debe definir el estado del almacén, las señales de disponibilidad y los datos de los sensores para el tanque de almacenamiento de energía térmica
P6. ¿Cómo se relacionan la estratificación y la capacidad utilizable?
La capacidad utilizable es la fracción de la envolvente que el almacén puede alcanzar con agua en el estado térmico requerido, no el volumen de la envolvente. Una geometría deficiente del difusor, un caudal de carga rápido o conexiones mal ubicadas mezclan las capas, y la deficiencia aparece como un déficit de energía en la descarga en lugar de un tanque faltante para el tanque de almacenamiento de energía térmica
P7. ¿Cómo reduce la capacidad la ganancia de calor por aislamiento?
La ganancia de calor a través de la envolvente, el techo y las tuberías se descuenta de la energía almacenada, y escala con la superficie, la diferencia de temperatura y la conductancia del aislamiento. Como porcentaje de pérdida diaria, un periodo de reposo de varios días elimina varios días de esa pérdida, y el acumulador entrega menos energía de la que se le cargó para el tanque de almacenamiento de energía térmica
P8. ¿Cuáles son las condiciones de fiabilidad y de fallo?
Las significativas son la pérdida de estratificación, que se manifiesta como un déficit de capacidad en lugar de una alarma; una sonda de temperatura o de nivel averiada, que elimina información que necesita la secuencia de control; una válvula atascada en posición abierta, que deja el acumulador conectado al circuito; y la pérdida de la planta auxiliar. Cada una necesita un estado seguro para el tanque de almacenamiento de energía térmica
P9. ¿Cómo se comparan las funciones de almacenamiento térmico y de amortiguación?
Un tanque de amortiguación se mide en galones o metros cúbicos por tonelada y se dimensiona en minutos; suaviza un transitorio durante un intervalo corto y es un recipiente hidráulicamente simple. Un almacén térmico se mide en toneladas-hora y se dimensiona en horas; desplaza energía a lo largo de un período tarifario y necesita componentes internos, estratificación y un comportamiento ante fallos para el tanque de almacenamiento de energía térmica
P10. ¿Qué contiene una lista de verificación de especificaciones de capacidad y servicio?
Diez elementos: el servicio indicado en horas con el evento al que sirve; la energía en toneladas-hora y kWh con el delta-T de diseño o la temperatura de transición; los medios y el estado físico retenido; la tasa de carga, la tasa de descarga y la ventana; el período de reposo y la pérdida de calor; la capacidad utilizable indicada por separado del volumen del recipiente; el método de verificación; el del tanque de almacenamiento de energía térmica
El almacenamiento de energía térmica debe especificarse como una capacidad en toneladas-hora con un delta-T de diseño declarado, una ventana de descarga declarada y una pérdida de calor en reposo declarada, porque una especificación en términos de volumen no puede compararse entre un almacén de agua enfriada, un almacén de hielo y un almacén de cambio de fase, y porque el servicio en horas es lo que realmente distingue las tres aplicaciones. El corolario es que la capacidad utilizable, la pérdida durante el período de reposo y el comportamiento ante fallos deben declararse junto con la cifra de energía, ya que en esos tres aspectos es donde se encuentra la diferencia entre una capacidad cotizada y una capacidad entregada. Un almacén especificado de esta manera puede compararse entre propuestas y verificarse contra su servicio en la puesta en marcha, lo que un almacén especificado en términos de volumen no puede para un tanque de almacenamiento de energía térmica.
Hable con un ingeniero
Para un tanque de almacenamiento de energía térmica, envíe la carga que el almacenamiento debe servir y el evento que cubre, la carga térmica en toneladas y las horas involucradas, las temperaturas del agua enfriada en el suministro y el retorno y el delta-T disponible, la tasa de descarga y la ventana deseadas, el medio bajo consideración, el período de reposo entre carga y descarga, las condiciones ambientales del sitio, la huella y las restricciones de grúa y acceso, y el sistema de control con el que el almacenamiento debe interconectarse. Devolveremos un estudio de capacidad que indique la energía en toneladas-hora y kWh, la cantidad de medio y el volumen de la envolvente, la capacidad utilizable y el requisito de estratificación, la pérdida de calor de diseño durante el período de reposo, la secuencia de carga y descarga, y el comportamiento ante fallas que debe escribirse en la especificación.
Acerca de Center Enamel
Shijiazhuang Zhengzhong Technology Co., Ltd (Center Enamel) es un fabricante profesional dedicado al diseño y fabricación de tanques de almacenamiento atornillados desde 2008. La gama de productos incluye tanques de vidrio fundido a acero (GFS), tanques de epoxi unido por fusión (FBE), tanques de acero inoxidable, tanques de acero galvanizado y cúpulas geodésicas de aluminio, junto con soporte técnico EPC y accesorios para tanques. La producción se realiza bajo ISO 9001, ISO 14001 e ISO 45001, y la gama de productos está certificada según NSF/ANSI 61, WRAS, CE y EN 1090, ISO 28765, AWWA D103-09 y NFPA donde la aplicación lo requiera. La empresa posee cerca de 200 patentes de esmaltado, opera una base de producción de 150.000 m2, produce aproximadamente 300.000 placas de acero recubiertas de esmalte al año, ha completado más de 30.000 proyectos instalados y ha enviado tanques a más de 100 países. La capacidad de diseño de ingeniería cubre volúmenes de tanques de hasta 60.000 m3, según se detalla para tanques de almacenamiento de energía térmica.
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