مخازن ذخیره‌سازی انرژی حرارتی برای مراکز داده: مقایسه آب، یخ و مواد تغییر فازدهنده
ساخته شده در امروز
مخازن ذخیره‌سازی انرژی حرارتی برای مراکز داده: مقایسه آب، یخ و PCM
آب سرد کم‌ریسک‌ترین مسیر برای بیشتر سایت‌ها است. مخازن ذخیره‌سازی انرژی حرارتی برای مراکز داده که آب را نگه می‌دارند، حدود ۱٫۱۶ کیلووات‌ساعت بر متر مکعب بر کلوین ذخیره می‌کنند، تقریباً ۷ کیلووات‌ساعت بر متر مکعب در اختلاف ۶ کلوین پیش از تلفات. یخ چند برابر این چگالی را در حجم برابر ارائه می‌دهد اما برداشت، یخ‌زدایی و یک حلقه غیرمستقیم را اضافه می‌کند. مواد تغییر فاز بین این دو قرار می‌گیرد و معمولاً هزینه بیشتری به ازای هر کیلووات‌ساعت قابل استفاده دارد. مخازن آب نزدیک فشار اتمسفر با عایق‌بندی بالغ، کنترل لایه‌بندی و رویه ساخت قرار دارند. مخازن ذخیره‌سازی انرژی حرارتی برای مراکز داده در سه محیط مشخص می‌شوند - آب سرد، یخ و مواد تغییر فاز - و هر محیط پوسته را تغییر می‌دهد، نه فقط تعداد مخزن را.
چگالی رک‌ها همچنان در حال افزایش است و با آن سهم انرژی سایت که صرف دور کردن گرما از بار IT می‌شود نیز بیشتر می‌شود. چیلرها برای بدترین ساعت اندازه‌بندی می‌شوند، نه ساعت متوسط، و همان ساعت هم صورت‌حساب تجهیزات و هم هزینه تقاضا را تعیین می‌کند. ذخیره‌سازی انرژی حرارتی سرمایش را به ساعات ارزان منتقل می‌کند: تأسیسات در خارج از ساعات اوج مصرف با تمام ظرفیت کار می‌کند، یک مخزن را پر می‌کند و اوج بعدازظهر را با سرمای ذخیره‌شده سپری می‌کند.
سه رسانه آن سرما را نگه می‌دارند. آب سرد در یک مخزن عایق‌بندی‌شده لایه‌بندی‌شده طرح مرجع است. یخ، که روی کویل‌ها تشکیل می‌شود یا توسط ماشین در داخل مخزن آب برداشت می‌شود، انرژی به ازای هر متر مکعب را افزایش می‌دهد. مواد تغییر فاز دهنده کپسوله‌شده همان هدف را با گذار جامد به مایع دنبال می‌کنند. هر سه تناژ اوج چیلر را کاهش می‌دهند؛ هیچ‌کدام کل کیلووات-ساعت سایت را کاهش نمی‌دهند، و هرکدام چیدمان، کنترل‌ها و برنامه نگهداری را تغییر می‌دهند.
این مقایسه از طریق ارقامی که تأمین مخازن ذخیره‌سازی انرژی حرارتی برای مراکز داده را تعیین می‌کنند، کار می‌کند: ظرفیت به ازای هر متر مکعب، هزینه به ازای هر کیلووات-ساعت قابل استفاده، چه کسری از سرمای ذخیره‌شده قابل برداشت است، و هر مسیر تحت قابلیت نگهداری همزمان چگونه رفتار می‌کند.
آنچه سه مسیر واقعاً ذخیره می‌کنند
چگالی ذخیره‌سازی اندازه مخزن را تعیین می‌کند. برای یک مخزن مایع، ظرفیت از رابطه `Q = V x rho x cp x dT` پیروی می‌کند. آب با چگالی حدود 1000 kg/m3 و گرمای ویژه 4.186 kJ/kg.K، حدود 4.186 مگاژول بر متر مکعب بر کلوین ذخیره می‌کند، تقریباً 1.163 kWh/m3.K. در بازه معمول 6 کلوینی از 6 درجه سانتی‌گراد تا 12 درجه سانتی‌گراد، این مقدار حدود 7 kWh/m3 است.
یخ تغییر جرم را با گرمای نهان معاوضه می‌کند. انجماد در 334 kJ/kg بسیار بیشتر از سرمایش محسوس بر واحد جرم ذخیره می‌کند، بنابراین یک مخزن کویل‌پیچ یا مخزن برداشت با ردپای برابر، چندین برابر سرمای یک مخزن آب را در خود جای می‌دهد. اتصال کوتاه حرارتی از طریق لایه یخ، بی‌سروصدا این مزیت را بین چرخه‌ها از بین می‌برد.
PCM بین این دو قرار می‌گیرد، پشت یک مبدل حرارتی. نمک‌ها یا پارافین‌های کپسوله‌شده در دمای ثابت تغییر فاز می‌دهند و معمولاً پشت یک حلقه واسط نگه داشته می‌شوند، که پس از محاسبه پوسته و سطح انتقال، کسری از گرمای نهان بر متر مکعب را در خود جای می‌دهد.
این سه چگالی اندازه مخزن را برای مخازن ذخیره‌سازی انرژی حرارتی مراکز داده تعیین می‌کنند. آب برای همان وظیفه به بیشترین متر مکعب نیاز دارد، یخ کمترین، و مواد تغییر فازدهنده در میان این دو قرار می‌گیرد.
۱. آب: کمترین هزینه به ازای هر کیلووات‌ساعت، بزرگ‌ترین مخزن، اتصال مستقیم چیلر در بسیاری از طراحی‌ها.
۲. یخ: فشرده، غیرمستقیم، و دمای نزدیک‌شدن بالاتر در کویل.
۳. مواد تغییر فاز دهنده (PCM): فشرده تا متوسط، با موارد کپسوله‌سازی و جداسازی فاز که باید مراقب آن‌ها بود.
هزینه سرمایه، ردپا و چیدمان نیروگاه
حجم مخزن هزینه قابل مشاهده است؛ تعادل نیروگاه هزینه پنهان است. یک مخزن آب به پوسته عایق‌بندی‌شده، نازل‌های ورودی و خروجی، یک دیفیوزر، یک پمپ و کنترل‌ها نیاز دارد. یخ و PCM یک بسته مبدل حرارتی، یک حلقه سیال ثانویه، و در مورد یخ یک توالی یخ‌زدایی که در حین کار از مخزن تخلیه می‌کند، اضافه می‌کنند.
ردپا مسیر را در محوطه‌های فشرده تعیین می‌کند. جایی که یک مخزن‌خانه یدکی وجود دارد، ذخیره‌سازی آب در هر دسته عملیاتی از نظر هزینه به ازای هر کیلووات‌ساعت ذخیره‌شده برنده است. جایی که مساحت دال ثابت است اما ارتفاع اتاق ماشین وجود دارد، یخ یا PCM حتی با هزینه بالاتر به ازای هر کیلووات‌ساعت توجیه‌پذیر است، زیرا جایگزین آن یک ساختمان چیلر دوم است.
تغییر شرایط فشار، محدوده ساختاری را تغییر می‌دهد. یک مخزن آب نزدیک به فشار اتمسفر خارج از مرز فشار قرار دارد، بنابراین نازل‌ها و دهانه‌ها فقط برای بار هیدرولیکی طراحی می‌شوند. یخ‌سازهای تحت فشار در فشار گیج مثبت قرار دارند و مخزن، تقویت‌کننده و رژیم بازرسی آن را با خود می‌آورند.
· آب سرد: کمترین سرمایه به ازای هر کیلووات‌ساعت قابل استفاده، بزرگ‌ترین ردپا، بدون حلقه غیرمستقیم در بسیاری از طراحی‌ها.
· یخ: دو تا چهار برابر سرمایه یک مخزن آب، ردپای فشرده، همیشه حلقه غیرمستقیم.
· PCM: سرمایه متوسط تا بالا، ردپای فشرده تا متوسط، همیشه حلقه غیرمستقیم.
بازدهی قابل استفاده، تلفات و تخلیه
بازدهی شارژ و دشارژ متفاوت است. یک مخزن آب سهم کوچکی از محتوا را در هر روز از طریق عایق‌بندی و اختلاط از دست می‌دهد، و طراحان ۷۰ تا ۹۰ درصد مقدار نظری را برای ظرفیت قابل استفاده پس از تلفات لایه‌بندی، اتصال کوتاه حرارتی و اختلاط اعمال می‌کنند.
یخ به دلیل اتصال کوتاه حرارتی تلف می‌شود. گرمای عبوری از پوشش، یخی را ذوب می‌کند که هرگز برای استفاده شارژ نشده بود، بنابراین نیروگاه باید بیش از حد شارژ کند. کیفیت عایق‌بندی و هندسه مخزن این نرخ را تعیین می‌کنند.
مواد تغییر فازدهنده در سمت انتقال تلف می‌شوند. رسانایی پایین در لایه تغییر فاز، توان شارژ و دشارژ را بر اساس سطح مقطع به جای حجم محدود می‌کند، بنابراین اندازه‌گذاری برای نرخ اوج، مخزن را بزرگ‌تر کرده و افزایش چگالی را تضعیف می‌کند.
مسیر | چگالی نظری | سهم قابل استفاده | مکانیزم اصلی تلفات |
آب سرد | ~۱.۱۶ کیلووات‌ساعت/مترمکعب.کلوین | ۷۰-۹۰ درصد | فروپاشی لایه‌بندی، نشت محیطی |
یخ | چندین برابر آب | ۶۰-۸۵ درصد شارژ | اتصال کوتاه حرارتی، خروج یخ‌زدایی |
مواد تغییر فاز دهنده | محدوده میانی | ۶۰-۸۰ درصد نهان | انتقال محدود به هدایت، جداسازی |
عملکرد، نگهداری و رفتار خرابی
سیستم‌های آب به کندی و به‌طور قابل مشاهده خراب می‌شوند. لایه‌بندی فرسایش می‌یابد، دیفیوزرها رسوب می‌گیرند و بازگشت دمای بیش از حد، مخزن را مخلوط می‌کند. شیمی آن همان چیزی است که نیروگاه از قبل اجرا می‌کند: بیوساید، بازدارنده، کنترل رسوب و تمیزکاری دوره‌ای.
نیروگاه‌های یخ دارای فهرست مکانیکی هستند. رسوب‌گیری کویل، پل‌زنی یخ، چسبندگی شیر یخ‌زدایی و نشت حلقه به‌طور مکرر رخ می‌دهند، همه در داخل یک مخزن عایق‌شده، که دسترسی را دشوار می‌کند.
PCM موارد مربوط به پایداری مواد را اضافه می‌کند. آسیب کپسوله‌کننده، جداسازی در هیدرات‌های نمکی و رسوب‌گرفتگی مبدل، هر کدام از روز اول به یک نقطه پایش زنده نیاز دارند. در عمل، دمای ورودی و خروجی، سطح و سرعت دیفیوزر برای مخزن آب، فرکانس دیفراست و کسر یخ برای کارخانه یخ، و توان شارژ و دشارژ همراه با رانش باند فاز برای اسکید PCM را ثبت کنید.
مشخصات فنی
آیتم | TES آب سرد | TES یخ | TES PCM |
محیط ذخیره‌سازی | آب، ۵-۷ تا ۱۲-۱۴ درجه سانتی‌گراد | یخ در آب، کویل یا برداشت | نمک یا پارافین کپسوله‌شده |
فرمول ظرفیت | Q = V x rho x cp x dT | m x 334 kJ/kg، منهای اتصال کوتاه | m x گرمای نهان، منهای جریمه HX |
باند قابل استفاده | دلتا ۵-۷ کلوین | نقطه ذوب نزدیک ۰ درجه سانتی‌گراد | دمای تغییر فاز ثابت |
شرایط فشار | نزدیک اتمسفر | گیج مثبت پایین | اتمسفر تا گیج پایین |
عایق‌کاری | پشم معدنی، روکش آلومینیومی | دیوار سنگین‌تر، عایق بخار | پشم معدنی، عایق بخار |
مبدل حرارتی | همیشه لازم نیست | همیشه | همیشه |
توان تخلیه اوج | نازل، پمپ و دیفیوزر | مساحت سطح کویل | مسیر و سطح هدایت |
محدوده پوسته | مخازن ذخیره انرژی حرارتی برای مراکز داده از همان محدوده پوسته، پوشش و عایق‌کاری هر مخزن آب اتمسفریک بزرگ استفاده می‌کنند | ||
مراجع طراحی | رویه AWWA D103، راهنمای ASHRAE DC9 | رویه مخزن، مشخصات ماشین | رویه مخزن، مشخصات مواد |
مطالعه موردی پروژه
فیلد | مقدار |
پروژه | ذخیره‌سازی آب آشامیدنی نامیبیا (P-A) |
محصول | 01 مخزن شیشه-ذوب-فولاد |
ظرفیت | ۴۴,۹۰۰ متر مکعب مجموع |
ابعاد | ۴ مخزن، قطر ۴۱.۲۶ متر، ارتفاع ۸.۴ متر |
تکمیل | سپتامبر ۲۰۲۲ |
در حالی که پروژه‌های مرجع تحویل‌شده ما در بخش آب و فاضلاب شامل این محدوده آب آشامیدنی می‌شوند، محدوده TES مرکز داده با همان استانداردها مهندسی شده است. چهار مخزن پیچ‌ومهره‌ای با قطر ۴۱.۲۶ متر، تعداد پانل، قطر پوسته و توالی مونتاژ در محل را که یک مخزن بزرگ آب اتمسفریک نیاز دارد، نشان می‌دهند. مخازن ذخیره‌سازی انرژی حرارتی برای مراکز داده زمانی که سیال آب باشد و مخزن نزدیک فشار اتمسفریک باقی بماند، همان محدوده پوسته را به ارث می‌برند.
قابلیت مهندسی Center Enamel
سنتر انامل (شرکت فناوری شيجياژوانگ ژنگژونگ) از سال ۲۰۰۸ مخازن ذخیره‌سازی پیچ‌ومهره‌ای را طراحی و تولید کرده است. این شرکت به‌عنوان نخستین تولیدکننده مخازن شیشه-ذوب‌شده-به-فولاد (GFS) در چین، نزدیک به ۲۰۰ اختراع مرتبط با انامل دارد، سالانه حدود ۳۰۰,۰۰۰ ورق فولادی پوشش‌داده‌شده با انامل تولید می‌کند، بیش از ۳۰,۰۰۰ پروژه نصب‌شده را تکمیل کرده و مخازن خود را به بیش از ۱۰۰ کشور عرضه می‌کند. پایگاه تولید جدید به مساحت ۱۵۰,۰۰۰ مترمربع برای افزایش ظرفیت تولید اضافه شد و مخازن تک‌واحدی تا ظرفیت ۶۰,۰۰۰ مترمکعب 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 و NFPA در مواردی که کاربرد ایجاب می‌کند.
نیاز متوسط در مقابل پوسته
· آب، یخ و PCM هر کدام نیاز متفاوتی به پوسته تحمیل می‌کنند: آب به حجم و عایق‌کاری نیاز دارد، یخ به یک کویل یا هدر داخلی نیاز دارد، PCM به یک بسته کپسولی نیاز دارد که مخزن باید از نظر هندسی آن را جای دهد.
· کم‌ریسک‌ترین گام اول یک پوسته پر از آب اتمسفریک است که بر اساس منحنی بار سرمایشی اندازه‌گذاری شده باشد، زیرا طراحی هیدرولیکی و کنترلی را نسبت به نیروگاه پایه بدون تغییر باقی می‌گذارد.
· تحویل‌های مخزن آب ما، به رهبری طرح ۴۴٬۹۰۰ مترمکعبی نامیبیا، سابقه مستقیم برای یک ذخیره‌ساز مبتنی بر آب هستند.
پرسش‌های متداول
پ۱: آیا ذخیره‌سازی یخ همیشه از نظر هزینه بر آب سردشده غلبه می‌کند؟
پ۱: خیر. یخ سرمای بیشتری در هر مترمکعب نگه می‌دارد، بنابراین مخزن کوچک‌تر است، اما بسته ماشین، توالی یخ‌زدایی و حلقه غیرمستقیم هزینه نصب‌شده به ازای هر کیلووات‌ساعت قابل‌استفاده را افزایش می‌دهند. با وجود زمین در دسترس، آب بازگشت سرمایه کوتاه‌تری ارائه می‌دهد.
پ۲: برای هشت ساعت پیک‌سایی به چه حجم مخزنی نیاز دارم؟
پ۲: ابتدا کیلووات‌ساعت ذخیره‌شده را اندازه‌گیری کنید: بار بر حسب کیلووات ضربدر ساعات جابه‌جایی، تقسیم بر ضریب قابل‌استفاده، سپس تقسیم بر چگالی محیط انتخاب‌شده. در ۶ کلوین، آب قبل از ضریب ۷۰ تا ۹۰ درصد حدود ۷ کیلووات‌ساعت بر مترمکعب ارائه می‌دهد.
پ۳: آیا مخزن TES آب در هنگام قطع برق کمک می‌کند؟
A3: کمک می‌کند. پوشش ذخیره‌شده سرد، گیاه را در حین راه‌اندازی ژنراتورها و واحدهای UPS پوشش می‌دهد، و یک مخزن اتمسفریک جریان را بدون منبع تحت فشار تحویل می‌دهد. طراحان آن را با زمان اجرای خودمختار تعریف‌شده می‌شناسند، نه زمان اجرای نامحدود.
س4: آیا یک مخزن یخ یا PCM می‌تواند به یک نیروگاه آب سرد موجود متصل شود؟
پ4: بله، به عنوان یک جزیره غیرمستقیم با مبدل و حلقه اختصاصی خود. رابط شامل یک جفت اتصال و یک سیگنال کنترل است، بنابراین چیلرهای موجود رابط نیروگاه خود را پشت ذخیره‌سازی جدید حفظ می‌کنند.
س5: کدام محیط بهترین عملکرد را در برابر کیفیت پایین آب دارد؟
پ5: یک پوشش داخلی مینا یا اپوکسی ذوب‌شده که در کارخانه اعمال می‌شود، پوسته را از تماس با آب ذخیره‌شده دور نگه می‌دارد، بنابراین شیمی آب بر سمت آب تأثیر می‌گذارد نه بر فولاد. هر دو برای مخزنی که هر چند سال یک بار برای بازرسی باز می‌شود، قابل تعمیر در محل هستند.
س6: تلفات آماده‌به‌کار در یک مخزن عایق‌شده چقدر است؟
پ6: یک مخزن اتمسفریک با عایق‌بندی خوب، کسر کوچکی از شارژ را در روز از دست می‌دهد که در چرخه بعدی جبران می‌شود. ضخامت عایق، آب‌بندی بخار و جزئیات پشتیبانی مهم‌تر از جنس پوسته هستند.
س7: آیا اجرای آزمایشی PCM ارزش دارد که ابتدا انجام شود؟
A7: بیشتر اپراتورها یک مخزن را روی یک سالن غیربحرانی آزمایش می‌کنند تا توان شارژ و دشارژ، رانش باند فاز و رسوب‌گذاری را ثبت کنند، که به این پرسش پاسخ می‌دهد که آیا دمای تغییر فاز با آب برگشتی مطابقت دارد یا خیر.
سه مسیر، سرما را به شکل‌های متفاوتی ذخیره می‌کنند و تنها یکی از آن‌ها به ازای هر کیلووات‌ساعت ارزان است. آب کمترین هزینه سرمایه‌ای، ساده‌ترین رابط هیدرولیکی و عمیق‌ترین سابقه نگهداری را دارد که بهای آن با حجم پرداخت می‌شود. یخ فشردگی را با هزینه بالاتر و قطعات متحرک می‌خرد. PCM باند دمایی قابل تنظیم ارائه می‌دهد و بهای آن را با سطح انتقال و مدیریت مواد می‌پردازد. جایی که زمین در دسترس باشد و پنجره زمانی طولانی باشد، مخزن آب پاسخ مرجع است و دو گزینه دیگر نه با ترمودینامیک، بلکه با ردپای اشغال فضا توجیه می‌شوند.
با یک مهندس صحبت کنید
بار سالن را بر حسب کیلووات، پنجره ذخیره‌سازی را بر حسب ساعت، دمای رفت و برگشت چیلر و چیدمان تأسیسات موجود برای یک مخزن ارسال کنید. ما یک محاسبه اندازه‌بندی بر حسب متر مکعب، کیلووات‌ساعت قابل استفاده پس از ضریب لایه‌بندی و تلفات، و مشخصات نازل، دیفیوزر و عایق‌بندی را بازمی‌گردانیم. برای مقایسه محیط‌ها، همان محاسبه را برای یخ و PCM درخواست کنید تا انتخاب بر اساس ظرفیت قابل استفاده باشد، نه چگالی پلاک.
واتس‌اپ