مخازن TES: یک مرجع سریع برای ذخیره‌سازی حرارتی در خنک‌سازی مراکز داده
ساخته شده در امروز
مخازن TES: یک مرجع سریع برای ذخیره‌سازی حرارتی در خنک‌سازی مراکز داده
مخزن TES سرمایش را به صورت گرمای محسوس در آب سرد لایه‌ای، گرمای نهان در یخ، یا گرمای نهان در یک ماده تغییر فاز ذخیره می‌کند و به نیروگاه چیلر اجازه می‌دهد اوج تقاضا را کاهش دهد یا از یک رویداد عبور کند؛ معماری مناسب بر اساس اختلاف دمای موجود، فضا و وظیفه‌ای که ذخیره‌سازی باید انجام دهد انتخاب می‌شود.
مقدمه
ذخیره‌سازی انرژی حرارتی (TES) در نیروگاه سرمایش مرکز داده، مخزنی است که سرمایش را زمانی که ارزان یا فراوان است ذخیره می‌کند و زمانی که بار یا تعرفه آن را می‌طلبد بازمی‌گرداند. این بزرگ‌ترین اهرم موجود برای بیشتر نیروگاه‌های سرمایش جهت کاهش تقاضای برق اوج و عبور از یک رویداد شبکه بدون سوخت ژنراتور است و با چیلرهایی که از قبل دارید کار می‌کند نه اینکه جایگزین آن‌ها شود.
این یک مرجع مختصر است، نه یک راهنمای طراحی. به شما می‌گوید مخزن TES چیست، سه معماری رایج در استفاده و اعدادی که هر یک را تعریف می‌کنند، چگونه ذخیره‌سازی نیروگاه چیلر را بازشکل می‌دهد، چه هزینه‌ای دارد و چه بازدهی دارد، مواردی که ارزش انجام دادن ندارند، و پرسش‌هایی که باید پیش از تعهد سرمایه به یک متخصص ببرید. مبنای فیزیکی، کتاب راهنمای ASHRAE است؛ آزمون عملکرد مخازن ذخیره‌سازی از رویه‌های آزمون یکنواخت منتشرشده توسط IAPMO پیروی می‌کند.
این را نخست هنگام آشنایی بخوانید، سپس پرسش‌های انتهای متن را به مهندسی ببرید که مخزن واقعی را اندازه‌گذاری خواهد کرد.
مخزن TES در یک پاراگراف چیست
مخزن TES ذخیره‌ای از ظرفیت خنک‌سازی است، نه تولیدکننده آن. حجمی از سیال را در دمایی نگه می‌دارد که برای تأسیسات مفید است، توسط چیلرها زمانی که ظرفیت مازاد یا برق ارزان وجود دارد شارژ می‌شود و زمانی که بار یا تعرفه ایجاب کند به کویل خنک‌سازی یا سیستم توزیع تخلیه می‌شود. خود مخزن هیچ خنک‌سازی انجام نمی‌دهد؛ زمان تولید خنک‌سازی را از زمان مصرف آن جدا می‌کند.
برای یک مرکز داده این ارزش دوچندان است. از نظر عملیاتی، تأسیسات را در طول یک اختلال شبکه یا توقف چیلر برای دقایق یا ساعاتی که جرم حرارتی می‌تواند پوشش دهد، حفظ می‌کند، و از نظر اقتصادی اجازه می‌دهد چیلرها در شب یا در طول تعرفه خارج از اوج کار کنند تا مخزن را پر کنند، سپس تقاضای برق اوج را در طول روز کاهش دهند یا از آن اجتناب کنند. مخزن بافر بین چیلرها و بار در زمان است، نه فقط در جریان مانند آنچه یک مخزن بافر انجام می‌دهد.
سه معماری
سه معماری غالب هستند. ذخیره‌سازی آب سرد لایه‌بندی‌شده ساده‌ترین است: یک مخزن بلند آب که در پایین با آب سرد و در بالا با آب گرم پر می‌شود، که توسط یک ترموکلاین از هم جدا می‌شوند، بنابراین نیروگاه آب سرد را از پایین می‌کشد و آب گرم را به بالا برمی‌گرداند. این سیستم در یک اختلاف دمای متوسط چند درجه‌ای کار می‌کند و از آب معمولی به عنوان محیط استفاده می‌کند.
ذخیره‌سازی یخ از گرمای نهان ذوب استفاده می‌کند: چگالی انرژی بسیار بیشتری در هر حجم نسبت به آب، که به صورت یخ-روی-کویل ساخته می‌شود جایی که یخ حول لوله‌هایی که آب نمک از آن‌ها جریان دارد تشکیل می‌شود، یا به صورت یک برداشت‌کننده پویا که یخ را جداگانه می‌سازد و ذخیره می‌کند. ذخیره‌سازی مواد تغییر فاز دهنده بین این دو قرار می‌گیرد و از یک نمک یا یوتکتیک استفاده می‌کند که در دمای انتخابی ذوب و منجمد می‌شود و ذخیره‌سازی نهان را در یک نقطه تنظیم بدون دمای بسیار پایین آب نمک که یخ نیاز دارد فراهم می‌کند.
اعدادی که هر معماری را تعریف می‌کنند
اعدادی که هر معماری را تعریف می‌کنند، چگالی انرژی و اختلاف دمایی است که نیاز دارد. آب سرد لایه‌بندی‌شده تقریباً ۱٫۱۶ کیلووات‌ساعت بر متر مکعب بر درجه سلسیوس دلتا-T (rho x cp x delta-T) ذخیره می‌کند، بنابراین یک نوسان ۵ درجه سلسیوس (۹ درجه فارنهایت) حدود ۵٫۸ کیلووات‌ساعت بر متر مکعب می‌دهد، و مخزن بزرگ است اما چیلرها در دماهای عادی آب سرد باقی می‌مانند.
یخ حدود ۹۳ کیلووات‌ساعت بر مترمکعب گرمای نهان را در نقطه انجماد ذخیره می‌کند، بنابراین برای همان مقدار انرژی، مخزن بسیار کوچک‌تر است، اما چیلرها باید آب‌نمک را نزدیک به ۰ درجه سانتی‌گراد (۳۲ درجه فارنهایت) یا کمتر تولید کنند که این امر به قیمت افزایش لیفت و کاهش راندمان تمام می‌شود. مواد تغییر فاز دهنده در دمای ذوب خود، معمولاً ده‌ها کیلووات‌ساعت بر مترمکعب، بین این دو حالت حد وسط را ذخیره می‌کنند. انتخاب، معامله‌ای میان حجم مخزن، لیفت چیلر و دمایی است که سیستم توزیع می‌تواند بپذیرد. این انتخاب به‌ندرت درباره این است که کدام یک انرژی بیشتری در هر مترمکعب ذخیره می‌کند، زیرا نیروگاه معمولاً می‌تواند فضایی برای یک مخزن فراهم کند؛ بلکه درباره لیفت چیلری است که معماری انتخاب‌شده می‌طلبد و دمای توزیعی است که کویل‌های موجود واقعاً خواهند پذیرفت.
چگونه نیروگاه چیلر را تغییر می‌دهد
ذخیره‌سازی نیروگاه چیلر را با اجازه دادن به آن برای کار در برابر مخزن به جای بار لحظه‌ای تغییر می‌دهد. در حالت شارژ، چیلرها مخزن را پر می‌کنند، که برای بار متوسط در طول پنجره شارژ به جای پیک اندازه‌گیری شده است، بنابراین یک نیروگاه چیلر کوچک‌تر یا کندتر می‌تواند بار پیک بزرگ‌تری را نسبت به آنچه بدون ذخیره‌سازی می‌توانست، سرویس دهد.
در حالت تخلیه، مخزن بخشی یا تمام خنک‌سازی را تأمین می‌کند، بنابراین چیلرها می‌توانند در طول اوج بار یا رویداد محدود یا متوقف شوند. کنترل نیروگاه یک درجه آزادی به دست می‌آورد: چه زمانی خنک‌سازی تولید شود در مقابل چه زمانی از آن استفاده شود، که توسط تعرفه، سیگنال شبکه یا برنامه تاب‌آوری تصمیم‌گیری می‌شود نه توسط تقاضای زنده کویل. آن آزادی دارایی است؛ مخزن سخت‌افزاری است که آن را نگه می‌دارد.
هزینه آن و آنچه صرفه‌جویی می‌کند
هزینه آن مخزن، پمپ و توزیع اضافی، و کنترل‌های شارژ و تخلیه آن است؛ آنچه صرفه‌جویی می‌کند تقاضای برق اوج، هزینه تقاضای مرتبط، و در برخی بازارها توانایی اجتناب از یک ژنراتور یا کاهش سوخت آن است. بازده تابعی از ساختار تعرفه و اینکه اوج بار واقعاً چند وقت یکبار کاهش می‌یابد است، نه یک درصد ثابت.
گزاره صادقانه این است که صرفه‌جویی به وظیفه بستگی دارد: گیاهی که به‌شدت در برابر هزینه تقاضای پرشیب اوج می‌گیرد، مخزن را سریع‌تر از گیاهی با پروفایل مسطح بازیابی می‌کند، و پردیسی که به تاب‌آوری در برابر رویدادهای شبکه نیاز دارد، برای گذر از آن‌ها بدون توجه به تعرفه، برای مخزن ارزش قائل است. هم کاهش تقاضا و هم ارزش تاب‌آوری را پیش از تعهد سرمایه کمی کنید، زیرا معمولاً یکی از این دو، پرونده را پیش می‌برد.
وقتی منطقی نیست
ذخیره‌سازی حرارتی زمانی که پروفایل بار از قبل مسطح است، تعرفه هیچ هزینه تقاضای قابل کاهشی ندارد، یا سایت فضایی ندارد و تحملی برای افزایش بار چیلر که معماری انتخاب‌شده نیاز دارد ندارد، ارزش انجام دادن ندارد. کارخانه‌ای که هرگز در برابر یک هزینه اوج نمی‌گیرد، چیزی برای هموارسازی مخزن ندارد و سرمایه بیکار می‌ماند.
همچنین زمانی شکست می‌خورد که سیستم توزیع نتواند از دمای ذخیره‌سازی استفاده کند: آب سرد شده لایه‌ای به اختلاف دمایی نیاز دارد که کویل‌ها می‌پذیرند، یخ به نیروگاه آب نمک نیاز دارد که مالک آن را راه‌اندازی نمی‌کند، و مواد تغییر فاز به نقطه تنظیمی نیاز دارند که سیستم واقعاً از آن عبور کند. اگر تنها راه استفاده از سرمایش ذخیره‌شده بازسازی سیستم توزیع باشد، ذخیره‌سازی اولین سرمایه‌گذاری اشتباه است. قبل از تعیین اندازه مخزن، معماری را با نیروگاهی که دارید تطبیق دهید.
سؤالاتی که باید به یک متخصص ارائه شود
فهرست کوتاه و مشخصی را به متخصص ببرید تا گفتگو درباره اعداد باشد، نه دسته‌بندی‌ها. پرسش‌ها درباره وظیفه، دما، فضا و هزینه هستند و هر یک معماری‌ای را که دوام می‌آورد محدود می‌کند.
· مخزن باید چه وظیفه‌ای را انجام دهد: کاهش تقاضا، تحمل گذر، یا هر دو، و برای چه مدت؟
· توزیع واقعاً چه دلتا-T را می‌تواند استفاده کند، و چه ارتفاع چیلر برای ساخت ذخیره‌سازی قابل قبول است؟
· چه حجم و ردپایی در سایت موجود است، و رتبه بار دال یا کف چقدر است؟
· ساختار تعرفه چیست، و چه هزینه تقاضا یا ارزش تاب‌آوری را مخزن بازیابی می‌کند؟
· کدام معماری با دما و فضا سازگار است، و هزینه نصب در مقابل ارزش بازیابی‌شده در طول عمر کارخانه چقدر است؟
اصطلاحات و استانداردهای کلیدی
چند اصطلاح و استاندارد چارچوب هر بحث TES را تشکیل می‌دهند. ترموکلاین مرز تدریجی بین آب گرم و سرد در یک مخزن لایه‌بندی‌شده است؛ شارژ کامل آن را تیز نگه می‌دارد. گرمای نهان ذوب انرژی‌ای است که یخ یا یک ماده تغییر فاز در دمای ثابت هنگام انجماد یا ذوب ذخیره می‌کند، که متمایز از گرمای محسوس ذخیره‌شده توسط تغییر دما است.
مراجع مهندسی عبارتند از کتاب راهنمای ASHRAE - سیستم‌ها و تجهیزات HVAC برای فیزیک نیروگاه و رویه‌های تست یکنواخت IAPMO برای مخازن ذخیره‌سازی حرارتی برای نحوه اندازه‌گیری عملکرد. یک مخزن با ظرفیت انرژی آن بر حسب kWh خنک‌سازی، دلتا-T عملیاتی آن، نرخ‌های شارژ و دشارژ آن، و دمایی که توزیع می‌پذیرد مشخص می‌شود؛ این چهار مورد را روی هر نقشه نگه دارید و انتخاب معماری صادقانه باقی می‌ماند.
مقایسه معماری TES: محیط، چگالی انرژی، اختلاف دمای چیلر
واتس‌اپ