مخزن ذخیره‌سازی یخ برای مرکز داده: ذخیره‌سازی حرارتی با یخ و PCM
ساخته شده در امروز
مخزن ذخیره یخ برای مرکز داده: ذخیره‌سازی حرارتی با یخ و PCM
مخزن ذخیره یخ برای یک مرکز داده، یک ظرف ذخیره‌سازی انرژی حرارتی است که سرمایش را به صورت گرمای نهان در یخ یا یک ماده تغییر فاز دهنده (PCM) ذخیره می‌کند و در زمان اوج تقاضای برق یا جهش‌های سرمایش، آن را تخلیه می‌کند تا بار را کاهش داده و هزینه را کم کند. در مقایسه با ذخیره‌سازی حرارتی آب سرد، یخ و PCM به دلیل استفاده از گرمای نهان ذوب، سرمایش بسیار بیشتری در واحد حجم ذخیره می‌کنند، اما در دمای پایین‌تری کار می‌کنند و بار بیشتری بر روی سیستم تبرید اعمال می‌کنند. این مخزن یک ظرف پوشش‌دار پیچ‌ومهره‌ای یا ساخته‌شده است که مطابق با AWWA D103-09 و ISO 28765 طراحی شده و شامل گلوله‌های یخ کپسوله‌شده، یک سیستم یخ صفحه‌ای، یا یک دوغاب PCM است — که بر اساس هدف کاهش پیک سایت و دمایی که حلقه سرمایش می‌تواند بپذیرد انتخاب می‌شود.
ذخیره‌سازی انرژی حرارتی به مرکز داده این امکان را می‌دهد که وقتی انرژی ارزان یا فراوان است سرمایش تولید کند و زمانی که گران یا محدود است از آن استفاده کند. ذخیره‌سازی آب سرد شکل آشنای آن است، اما به فضای زیادی نیاز دارد زیرا تنها گرمای محسوس را ذخیره می‌کند. ذخیره‌سازی یخ و مواد تغییر فاز دهنده این حجم را به‌طور چشمگیری با ذخیره گرمای نهان فشرده می‌کنند، به قیمت چرخه تبرید سردتر و پرکارتر. برای مرکز داده‌ای که به دنبال کاهش پیک بار، کاهش هزینه تقاضا یا ردپای کوچک‌تر است، یخ یا مواد تغییر فاز دهنده می‌تواند معامله بهتری باشد. خطاها عبارتند از: تعیین یخ در جایی که آب سرد کافی بود، نادیده گرفتن تأثیر دمای پایین‌تر بر لیفت چیلر، یا ساخت مخزنی که پوشش داخلی آن نمی‌تواند چرخه انجماد و ذوب و شرایط دوغاب را تحمل کند.
این راهنما مخزن ذخیره‌سازی یخ را برای یک مرکز داده از گزینه‌های یخ/PCM تا مقایسه با آب سرد شده و سپس تعیین ابعاد و متریال پوشش می‌دهد.
گزینه‌های ذخیره‌سازی یخ و PCM
ذخیره‌سازی یخ و PCM در چندین شکل فیزیکی موجود است و طراحی مخزن بر اساس شکل انتخاب‌شده انجام می‌شود. سه رویکرد رایج در نحوه ساخت، ذخیره و ذوب یخ با یکدیگر تفاوت دارند.
۱. یخ کپسوله‌شده. توپ‌ها یا محفظه‌های مهر و موم‌شده پر از محلول با نقطه انجماد کاهش‌یافته در مخزنی از آب قرار می‌گیرند؛ تأسیسات تبرید آن‌ها را در شب منجمد می‌کند و آب در گردش در روز آن‌ها را ذوب می‌کند. مخزن حجم ساده‌ای محتوی محفظه‌ها و آب است.
۲. یخ صفحه‌ای یا ساکن. یخ روی صفحات یا کویل‌های داخل مخزن تشکیل می‌شود؛ مبرد یا آب نمک به طور مستقیم یخ را می‌سازد و آزاد می‌کند. مخزن مجموعه صفحات و مدار آب ذوب را در خود جای می‌دهد.
۳. ماده تغییر فاز (PCM). یک ماده فرموله‌شده با دمای ذوب تنظیم‌شده که گرمای نهان را در محدوده‌ای باریک‌تر از یخ-آب ذخیره می‌کند و امکان طراحی مخزنی بر اساس محدوده دمای مفید مرکز داده به‌جای ۰ درجه سانتی‌گراد را فراهم می‌آورد.
هر شکل، اجزای داخلی مخزن، مسیر ذوب/تخلیه و دمایی که در آن سرمای ذخیره‌شده تحویل داده می‌شود را تغییر می‌دهد.
یخ و PCM در برابر TES آب سرد
یخ و PCM تقریباً یک مرتبه بزرگی سرمایش بیشتر در هر متر مکعب نسبت به آب سرد ذخیره می‌کنند، اما در دمای پایین‌تر و با افزایش فشار بیشتر در نیروگاه. این مقایسه، پرسش اصلی انتخاب است.
· چگالی ذخیره‌سازی. آب سرد شده گرمای محسوس را در چند درجه اختلاف دما ذخیره می‌کند؛ یخ گرمای نهان ذوب را ذخیره می‌کند، بنابراین یک ظرفیت سرمایشی معین به حجم مخزن بسیار کمتری نیاز دارد.
· جریمه دما. یخ و PCM سردتر از TES آب سرد شده تخلیه می‌شوند، بنابراین نیروگاه تبرید برای ساخت یخ سخت‌تر کار می‌کند (اختلاف دمای بیشتر)، و حجم را با انرژی و اندازه تجهیزات مبادله می‌کند.
· تناسب با کاهش پیک. جایی که هدف کاهش هزینه تقاضا یا انتقال بار سرمایش از یک بازه پیک است، ذخیره‌ساز فشرده یخ/PCM اغلب با وجود جریمه، هزینه خود را بازمی‌گرداند.
· زمانی که آب سرد برنده است. جایی که حجم محدود نیست و دمای حلقه متوسط است، TES آب سرد از لیفت دمای پایین اجتناب می‌کند و ساده‌تر است.
این تصمیم یک معاوضه میان ردپا و لیفت است، نه انتخاب پیش‌فرض گزینه چگال‌تر.
ویژگی | TES آب سرد | ذخیره‌سازی یخ / PCM |
سازوکار ذخیره‌سازی | گرمای محسوس | گرمای نهان (ذوب) |
حجم به ازای هر واحد خنک‌کننده | بالا | پایین (بسیار متراکم‌تر) |
دمای تخلیه | متوسط (مثلاً ۴–۷ درجه سانتی‌گراد) | پایین (نزدیک ۰ درجه سانتی‌گراد یا نقطه PCM) |
لیفت نیروگاه | پایین‌تر | بالاتر |
بهترین کاربرد | سایت‌های دارای فضای کافی | کاهش پیک، محدود از نظر فضا |
جنس مخزن و وظیفه انجماد-ذوب
مخزن ذخیره یخ یا PCM باید در برابر چرخه‌های پیوسته انجماد-ذوب و در مورد فرم‌های دوغابی، در برابر سایش مقاومت کند، بنابراین پوشش داخلی و پوسته برای این کار مشخص می‌شوند. این سخت‌تر از ذخیره‌سازی آب ساکن است.
· GFS (شیشه ذوب‌شده به فولاد). لعابی که در دمای 820–930 °C پخته می‌شود، پوسته‌ای صاف و سخت (Ra < 0.8 µm، چسبندگی بالای 3,450 N/cm²) ایجاد می‌کند که در برابر چرخه‌های انجماد-ذوب و سایش پودر/دوغاب مقاومت می‌کند؛ هر پنل با آزمون جرقه در 1,500 V DC آزمایش می‌شود.
· پیچ‌ومهره‌ای با پوشش FBE. یک پوشش اپوکسی مستندشده (به سبک AWWA C550) که برای چرخه انجماد-ذوب و بازه دمایی اعتبارسنجی شده است.
· مخازن ساخته‌شده. برای واحدهای یخ صفحه‌ای یا PCM فشرده، مخازن ساخته‌شده از فولاد ضدزنگ یا با پوشش FBE برای کویل داخلی یا دسته صفحات مناسب هستند.
· پوشش حرارتی. چون مخزن سرد است، عایق‌بندی خارجی و سقف آب‌بندی‌شده، افزایش حرارتی را که باعث ذوب زودرس موجودی می‌شود محدود می‌کند.
پوشش داخلی به‌گونه‌ای انتخاب می‌شود که انجماد مکرر و هرگونه سایش ناشی از پود/دوغاب، محفظه را در طول دهه‌هایی که نیروگاه کار می‌کند تخریب نکند.
فرم | اجزای داخلی مخزن | دمای تخلیه |
یخ کپسوله‌شده | غلاف‌ها در آب | ذوب نزدیک ۰ درجه سانتی‌گراد |
یخ صفحه‌ای / ساکن | پشته کویل یا صفحه | ذوب نزدیک ۰ درجه سانتی‌گراد |
PCM | مواد با نقطه ذوب تنظیم‌شده | نقطه ذوب PCM |
اندازه‌بندی برای کاهش اوج مصرف
مخزن ذخیره یخ بر اساس ظرفیت سرمایشی که باید جابه‌جا شود و پنجره تخلیه، به‌صورت حجم ذخیره نهان و نه تن تبریدی محسوس، اندازه‌گذاری می‌شود. سه ورودی ظرفیت را تعیین می‌کنند.
۴. سرمایشی که باید جابه‌جا شود. ظرفیت سرمایشی اوج تقاضا یا هدف خارج از اوج، بر حسب تن تبریدی یا کیلووات‌ساعت، که سایت می‌خواهد ذخیره شود نه اینکه در اوج تولید شود.
۵. پنجره تخلیه. ساعاتی که مخزن باید در طول دوره اوج تخلیه شود، که هم نرخ ذخیره‌سازی مورد نیاز و هم حجم کل را تعیین می‌کند.
6. محدودیت دما و لیفت. کمترین دمای تخلیه مفید و لیفت تبریدی که تأسیسات می‌تواند بپذیرد، تعیین‌کننده این است که یخ یا یک PCM با دمای بالاتر انتخاب درست است یا نه.
نتیجه یک ذخیره‌ساز نهان فشرده است که برای بار و بازه انتقال‌یافته اندازه‌گیری شده و به محدودیت‌های دمایی حلقه ارجاع داده شده است — نه یک حجم آب سرد که به اشتباه برای وظیفه یخ به کار رفته باشد.
یکپارچه‌سازی با تأسیسات سرمایش
مخزن یخ یا PCM از طریق مدار شارژ/دشارژ به تأسیسات سرمایش مرکز داده متصل می‌شود که سیستم کنترل آن را حول پنجره اوج مصرف زمان‌بندی می‌کند. رعایت اصول یکپارچه‌سازی اهمیت دارد.
· شارژ در ساعات کم‌باری. تأسیسات تبرید زمانی که برق ارزان‌تر است یا تأسیسات مرکزی ظرفیت مازاد دارد، مخزن را منجمد می‌کند (یا PCM را تنظیم می‌کند).
· دشارژ در ساعات اوج. در طول پنجره اوج، مخزن حلقه سرمایش را تغذیه می‌کند و بار چیلر و هزینه‌های تقاضا را کاهش می‌دهد.
· با آب سرد مخلوط کنید. بسیاری از سایت‌ها از یک سیستم ترکیبی استفاده می‌کنند: TES آب سرد برای جابه‌جایی متوسط و یخ/PCM برای تیزترین اوج، که با هم زمان‌بندی می‌شوند.
این زمان‌بندی ذخیره‌سازی متراکم را به کاهش قابل اندازه‌گیری در تقاضای برق اوج تبدیل می‌کند.
مطالعه موردی
یک مرجع اختصاصی ذخیره‌سازی یخ برای مراکز داده هنوز بخشی از نمونه‌کارهای ارائه‌شده نیست، بنابراین این مقاله به‌عنوان راهنمای مهندسی نوشته شده است نه استناد به یک پروژه. توانایی شرکت در تأمین مخازن بزرگ حرارتی و ذخیره‌سازی آب از نوع پیچ‌ومهره‌ای در بخش‌های مجاور نشان داده شده است: برنامه‌های حفاظت از آتش در خارج از کشور مخازن GFS تا ظرفیت ۱۲,۲۶۱ متر مکعب (هند، ۳ مخزن، ۲۰۲۴-۰۶) و ۱,۶۶۶ متر مکعب (سنگاپور، ۲ مخزن، ۲۰۲۶-۰۱) را تحویل داده‌اند که بر اساس همان استانداردهای مخازن پیچ‌ومهره‌ای ساخته شده‌اند. این مراجع، گواهی بر تأمین مخازن پیچ‌ومهره‌ای با حجم بالا و تضمین کیفیت برای پوشش‌های مقاوم به چرخه انجماد-ذوب هستند؛ آن‌ها پروژه‌های حفاظت از آتش هستند، نه تأسیسات ذخیره‌سازی یخ مراکز داده، و در اینجا تنها به‌عنوان زمینه‌ای از توانمندی ذکر شده‌اند.
قابلیت مهندسی Center Enamel
سنتر انامل (شرکت فناوری شوجیاژوانگ ژنگژونگ، با مسئولیت محدود) از سال ۲۰۰۸ مخازن ذخیره‌سازی پیچ‌ومهره‌ای را طراحی و تولید کرده است. این شرکت به عنوان نخستین تولیدکننده مخازن شیشه‌ذوب‌شده به فولاد (GFS) در چین، نزدیک به ۲۰۰ اختراع مرتبط با انامل را در اختیار دارد، سالانه حدود ۳۰۰,۰۰۰ ورق فولادی پوشش‌داده‌شده با انامل تولید می‌کند، بیش از ۳۰,۰۰۰ پروژه نصب‌شده را به انجام رسانده و مخازن خود را به بیش از ۱۰۰ کشور عرضه می‌کند. پایگاه تولید جدید به مساحت ۱۵۰,۰۰۰ متر مربع برای افزایش ظرفیت تولید افزوده شده است و مخازن تک‌واحدی تا ظرفیت ۶۰,۰۰۰ متر مکعب عرضه می‌شوند. تولید تحت استانداردهای ISO 9001 و ISO 45001 انجام می‌شود، با گواهینامه‌های محصول شامل NSF/ANSI 61، WRAS، FDA، LFGB، CE (EN 1090)، ISO 28765، FM، BSCI و EUROCODE، و طراحی با ارجاع به AWWA D103-09، AWWA C550، ISO 28765 و NSF/ANSI 61 در مواردی که کاربرد آن را ایجاب کند.
برای ذخیره‌سازی یخ و PCM، این شرکت مخازن پیچ‌ومهره‌ای GFS و FBE را با پوشش‌های مقاوم در برابر چرخه انجماد-ذوب و سایش، سقف‌های عایق‌بندی‌شده آب‌بندی‌شده، و مستندات پوشش/آزمون جرقه برای بازبینی ارائه می‌دهد.
سؤالات متداول
س۱: ذخیره‌سازی یخ چه تفاوتی با TES آب سرد دارد؟
A1: یخ و PCM گرمای نهان ذوب را ذخیره می‌کنند و چگالی سرمایش بسیار بالاتری در واحد حجم نسبت به گرمای محسوس آب سرد دارند، اما در دمای تخلیه پایین‌تر و با اختلاف دمای تبرید بالاتر.
Q2: کدام برای کاهش پیک مصرف بهتر است؟
A2: یخ یا PCM برای سایت‌های محدود از نظر فضا و بازه‌های تقاضای پیک تیز مناسب است، جایی که ذخیره‌ساز چگال با وجود دمای پایین‌تر و اختلاف دمای بالاتر، هزینه خود را جبران می‌کند؛ آب سرد برای سایت‌های دارای فضای کافی و دمای متوسط مناسب است.
Q3: اشکال اصلی یخ/PCM چیست؟
A3: یخ کپسوله‌شده (کیسه‌ها در آب)، یخ صفحه‌ای یا ساکن (یخ روی کویل‌ها/صفحات)، و مواد تغییر فاز تنظیم‌شده برای دمای ذوب مفید؛ هر یک ساختار داخلی مخزن و مسیر تخلیه را تغییر می‌دهد.
Q4: چرخه انجماد-ذوب چگونه بر مخزن تأثیر می‌گذارد؟
A4: یخ‌زدن مکرر و هرگونه سایش ناشی از پودر/دوغاب، نیازمند پوشش داخلی سخت و مقاوم است؛ لعاب GFS (Ra < 0.8 µm، آزمون جرقه 1,500 V DC) یا گرید FBE مستندشده مشخص می‌شود، همراه با عایق‌بندی برای محدود کردن افزایش حرارت.
Q5: مخزن چگونه اندازه‌گذاری می‌شود؟
A5: از ظرفیت سرمایشی که باید جابه‌جا شود، پنجره تخلیه، و کمترین دمای مفید/بالا بردن دمایی که نیروگاه می‌پذیرد — به‌صورت حجم ذخیره‌سازی نهان اندازه‌گیری می‌شود، نه حجم آب سرد.
Q6: آیا ذخیره‌سازی یخ می‌تواند با TES آب سرد ترکیب شود؟
A6: بله. بسیاری از سایت‌ها به‌صورت هیبریدی کار می‌کنند و از TES آب سرد برای جابه‌جایی متوسط و از یخ/PCM برای تیزترین پیک استفاده می‌کنند که توسط سیستم کنترل با هم زمان‌بندی می‌شوند.
Q7: کدام استانداردها اعمال می‌شوند؟
A7: AWWA D103-09 برای ساخت پیچ‌ومهره‌ای و ISO 28765 برای طراحی با مینای شیشه‌ای در صورت نیاز؛ NSF/ANSI 61 و WRAS در جایی که آب حلقه با پوشش داخلی مجاور آب آشامیدنی تماس دارد اعمال می‌شوند.
مخزن ذخیره‌سازی یخ برای یک مرکز داده، افزایش دمای چیلر را با چگالی ذخیره‌سازی مبادله می‌کند و سرمایش را به‌صورت گرمای نهان در یخ یا مواد تغییر فازدهنده (PCM) ذخیره می‌کند تا پیک‌ها را هموار سازد و هزینه‌های تقاضا را در جاهایی که محدودیت فضا یا پیک‌های تند، استفاده از آب سرد را غیرعملی می‌کند، کاهش دهد. شکل مخزن — کپسولی، صفحه‌ای یا PCM — را بر اساس محدودیت‌های دمایی سایت انتخاب کنید، پوشش GFS یا FBE مقاوم در برابر چرخه انجماد-ذوب و سایش را مشخص کنید، ظرفیت مخزن را بر اساس بار و بازه زمانی جابه‌جاشده تعیین کنید، و ساخت را با AWWA D103-09 و ISO 28765 ارجاع دهید. با این روش، ذخیره‌سازی حرارتی جایگاه فشرده خود را در استراتژی سرمایش به دست می‌آورد.
با یک مهندس صحبت کنید
برای یک مخزن ذخیره‌سازی یخ برای یک مرکز داده، ظرفیت سرمایشی که می‌خواهید جابه‌جا کنید، بازه اوج تخلیه، کمترین دمای مفید حلقه شما و حد افزایش فشار تبرید، و فرم یخ/PCM مورد ترجیح خود را برای ما ارسال کنید. ما یک توصیه درباره فرم ذخیره‌سازی، یک مشخصات مخزن پیچ‌ومهره‌ای GFS یا FBE با پوشش مقاوم در برابر چرخه انجماد-ذوب و سقف عایق‌شده، و یک مطالعه اندازه‌بندی ذخیره‌سازی نهان با ارجاع به AWWA D103-09 و ISO 28765 همراه با مستندات پوشش و آزمون جرقه بازمی‌گردانیم.
واتس‌اپ