Réservoirs de stockage d'énergie thermique pour les centres de données : fonction, capacité et architecture
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Réservoirs de stockage d'énergie thermique pour les centres de données : service, capacité et architecture
Lorsqu’un acheteur spécifie un réservoir de stockage d’énergie thermique, ce qu’il achète réellement est une capacité de gestion de l’énergie plutôt qu’un équipement. La capacité qui compte est la quantité de chaleur que le stockage peut absorber puis restituer, exprimée en tonnes-heures ou en kWh, avec l’écart de température de conception et la fenêtre de décharge pendant laquelle cette énergie peut être libérée à un débit utile. Exprimer la capacité en volume d’eau empêche l’acheteur de comparer un stockage d’eau glacée à un stockage de glace ou à un stockage à changement de phase, car l’énergie contenue dans un mètre cube diffère d’un ordre de grandeur selon le milieu. Le régime de fonctionnement détermine ensuite l’architecture : l’écrêtement des pointes, la continuité de service et le déplacement de charge nécessitent chacun un agencement de charge et de décharge différent, une interface de commande différente et un volume différent exprimé en heures plutôt qu’en minutes. L’isolation du stockage n’est pas non plus un détail secondaire, puisqu’un gain de chaleur quotidien de quelques pour cent de l’énergie stockée retire une fraction utilisable de la capacité sur une période de maintien.
À quoi sert réellement un stockage d'énergie thermique
Un stockage d'énergie thermique est un volume délibérément agencé de fluide de stockage dont le but est de conserver de l'énergie thermique sur une période donnée et de la transférer vers ou depuis l'installation à un débit que l'installation ne peut pas fournir. L'énergie est déplacée, non créée : le stockage est chargé à partir d'une source qui fonctionnerait autrement, et déchargé vers une demande satisfaite autrement pour le réservoir de stockage d'énergie thermique
Cette formulation compte plus que l'équipement, car c'est ce qui peut être comparé entre les propositions. Une proposition offrant un volume de réservoir sans déclaration d'énergie et sans fenêtre de décharge n'a pas précisé ce qui est vendu. Une proposition indiquant l'énergie, le delta-T et les débits peut être comparée à une autre portant sur un milieu différent pour un réservoir de stockage d'énergie thermique
Capacité exprimée en énergie, non en volume
Il existe deux façons d'exprimer une capacité de stockage en termes d'énergie. La forme en heures de charge est la plus simple : la charge thermique en tonnes multipliée par le nombre d'heures sur lesquelles elle est déchargée, ainsi un stock portant 500 tonnes de froid pendant 4 heures contient 2 000 tonnes-heures. La forme massique est la même capacité exprimée via le milieu : volume multiplié par la densité, la chaleur spécifique et la différence de température pour un réservoir de stockage d'énergie thermique
La forme massique est l'endroit où les médias se séparent, car le même mètre cube contient des quantités d'énergie très différentes selon le mécanisme. Le stockage sensible dans l'eau est limité par la différence de température sur laquelle la boucle peut fonctionner. Le stockage latent dans la glace fondante ajoute la chaleur de fusion à une température fixe, de sorte qu'une faible variation stocke encore une grande quantité d'énergie pour le réservoir de stockage d'énergie thermique
Expression de la capacité | Formule | Ce qu'il fixe | Valeur illustrative |
Forme heure de charge | Charge thermique en tonnes multipliée par les heures de décharge | L'énergie que le stockage doit fournir | 500 tonnes pendant 4 heures = 2 000 tonnes-heures |
Forme de masse sensible | Volume multiplié par la densité, la chaleur spécifique et le delta-T | La quantité de fluide pour une énergie donnée | 100 m3 à 5 K donne environ 2 900 kWh |
Forme massique latente | Masse fois chaleur de fusion au point de transition | La quantité de médium à un point fixe | La glace à 334 kJ/kg par tonne donne environ 335 kWh |
Fraction utilisable | Volume de l'enveloppe fois la fraction que les médias peuvent atteindre | La pénalité pour une stratification imparfaite | Une capacité utilisable de 90 pour cent conserve 90 pour cent de l'énergie |
Trois fonctions qui produisent trois stockages différents
L'écrêtement des pointes, la tenue de tension et le déplacement de charge se ressemblent de l'extérieur car tous trois impliquent un réservoir sur un système d'eau glacée, et ils diffèrent par ce qu'on demande au réservoir de faire pendant l'événement. L'écrêtement des pointes cible la contribution de l'installation à un pic de demande : le stock se décharge lorsque cette contribution est la plus élevée pour le réservoir de stockage d'énergie thermique
La capacité que chaque fonction implique diffère en nature, pas seulement en taille, et il en va de même pour le mode de défaillance. Un stock d'écrêtement des pointes non chargé à temps ne contribue rien au pic. Un stock de tenue de tension qui n'est pas à la bonne température ne porte pas la charge à travers l'interruption. Un stock de déplacement de charge qui perd trop par gain de chaleur statique n'a plus d'énergie à décharger pour le réservoir de stockage d'énergie thermique
Choisir entre l'eau glacée, la glace et les matériaux à changement de phase
Le fluide caloporteur détermine la température que le stockage peut fournir et la vitesse à laquelle il peut être chargé et déchargé. Le stockage d'eau glacée est le plus simple : le stockage est l'eau glacée elle-même, le delta-T de la boucle fixe la densité énergétique, et les débits sont ceux de la boucle. Il ne peut fournir une température supérieure au point de fusion de la glace pour un réservoir de stockage d'énergie thermique
Le stockage de glace étend la plage vers le bas car le changement de phase se produit à une température fixe et l'énergie stockée n'est pas limitée par un delta-T. Le coût est un circuit de congélation et de fusion, la manutention de la glace, une plus grande variation de température entre les états de charge et de décharge et une logique de contrôle plus complexe. Les matériaux à changement de phase se situent entre les deux, stockant la chaleur latente à une température de transition choisie pour un réservoir de stockage d'énergie thermique
Charge, maintien et décharge : architecture et interface de contrôle
Chaque stockage thermique fonctionne selon trois modes, et l'interface de commande doit définir ces trois modes. En mode charge, le stockage accepte la chaleur de l'installation, soit parce que l'installation dispose d'une capacité excédentaire, soit parce que le tarif rend l'énergie bon marché. En mode maintien, le stockage est isolé et conserve son énergie. En mode décharge, il restitue la chaleur dans la boucle, avec des connexions distinctes lorsque les modes nécessitent des débits différents pour le réservoir de stockage d'énergie thermique
L'interface de commande détermine si le stockage fonctionne en pratique. Le contrôleur de l'installation doit savoir quand le stockage est disponible, quelle quantité d'énergie il contient et à quel débit il peut la restituer, et le contrôleur du stockage doit savoir ce que fait l'installation. Cet échange repose sur un ensemble de signaux définis : une indication d'état, une disponibilité de charge, une disponibilité de décharge, l'énergie stockée ou les capteurs de température, et les signaux d'autorisation pour le réservoir de stockage d'énergie thermique
La stratification et la capacité utile qu'elle permet de conserver
Dans un stockage d'eau glacée, la capacité utile n'est pas le volume de l'enveloppe. C'est la fraction de l'enveloppe que le stockage peut réellement atteindre avec l'eau dans le bon état thermique, et cette fraction est déterminée par la qualité avec laquelle le stockage maintient ses couches. L'eau froide chargée par le haut traverse l'eau plus chaude située en dessous et pousse l'eau chaude vers le haut pour le réservoir de stockage d'énergie thermique
Cela a un effet direct sur le calcul énergétique, et c'est l'effet le plus souvent absent d'une proposition. Un stockage spécifié sur le volume de l'enveloppe suppose que tout le volume est disponible au delta-T de conception. Une stratification imparfaite offre un volume utile plus faible, de sorte que le déficit apparaît comme un manque d'énergie à la décharge plutôt que comme un réservoir manquant. La spécification doit indiquer la capacité utile pour le réservoir de stockage d'énergie thermique
L'isolation et les apports de chaleur comme perte de capacité
Chaque stockage thermique perd de la chaleur par son enveloppe, son toit et sa tuyauterie, et cette perte provient directement de l'énergie stockée. La perte est proportionnelle à la surface, à la différence entre la température du stockage et l'ambiance, et à la conductance de l'isolation, de sorte qu'elle évolue avec la géométrie qui détermine la capacité. Le rapport surface/volume détermine si la perte est une erreur d'arrondi ou une fraction importante pour un réservoir de stockage d'énergie thermique
L'effet s'exprime le plus clairement sous forme de pourcentage de perte journalière. Si un stockage perd un gain de chaleur journalier égal à un faible pourcentage de son énergie stockée, une longue période de maintien retire ce pourcentage chaque jour, et le stockage restitue moins qu'il n'a été chargé. Un stockage chargé le week-end pour une décharge le lundi matin perd trois jours de gain de chaleur de maintien pour un réservoir de stockage d'énergie thermique
Fiabilité et conditions de défaillance importantes
Un stockage thermique a plus de façons de défaillir qu'un réservoir sans fonction assignée, car il possède des composants internes actifs, une interface de contrôle et un état stocké qui peut se dégrader. Les conditions de défaillance contre lesquelles il faut concevoir sont la perte de stratification, une sonde de température ou de niveau défaillante, une vanne qui se bloque et la défaillance de l'installation auxiliaire qui déplace l'eau pour le réservoir de stockage d'énergie thermique
La perte de stratification est une défaillance progressive qui se manifeste par un déficit de capacité plutôt que par une alarme, c'est pourquoi la capacité utilisable doit être vérifiée par un essai. Une sonde défaillante supprime l'information dont dépend la séquence de contrôle, et le comportement correct est un état de repli défini. Une vanne bloquée en position ouverte laisse le stockage connecté à la boucle pour le réservoir de stockage d'énergie thermique
Stockage thermique comparé aux fonctions de tampon, et la liste de contrôle des spécifications
Les deux fonctions se distinguent le plus clairement par l'échelle de temps et par l'unité dans laquelle chacune est mesurée. Un ballon tampon se mesure en gallons ou en mètres cubes par tonne et se dimensionne en minutes. Un stockage thermique se mesure en tonnes-heures et se dimensionne en heures, avec un delta-T de conception et une fenêtre de décharge. Un tampon est un simple réservoir ; un stockage nécessite des internes et une stratification pour le réservoir de stockage d'énergie thermique
La spécification doit donc fixer la fonction et l'unité avant de fixer un volume. Elle énonce la fonction en heures et en termes de tarif ou d'interruption, l'énergie en tonnes-heures et en kWh parallèlement au volume, le delta-T de conception et les fluides, les taux de charge et de décharge, la période de maintien et la perte de chaleur de conception, ainsi que la capacité utile avec sa méthode de vérification pour le réservoir de stockage d'énergie thermique
· La fonction en heures : écrêtement des pointes, maintien de service ou déplacement de charge, et son événement pour le réservoir de stockage d'énergie thermique
· L'énergie en tonnes-heures et en kWh, ainsi que le delta-T de conception ou le point de transition pour le ballon de stockage d'énergie thermique
· Le fluide caloporteur et son état physique pour le ballon de stockage d'énergie thermique
· La puissance de charge, la puissance de décharge et la plage de décharge pour le ballon de stockage d'énergie thermique
· La période de maintien en température et les pertes thermiques de conception pour le ballon de stockage d'énergie thermique
· La capacité utile, indiquée séparément du volume de l'enveloppe pour le ballon de stockage d'énergie thermique
· La méthode de vérification de la capacité utile pour le ballon de stockage d'énergie thermique
· Les signaux d'interface de commande entre le ballon de stockage et l'automate de l'installation pour le ballon de stockage d'énergie thermique
· Les états de sécurité définis en cas de défaillance de sonde, de vanne et d'alimentation auxiliaire pour le ballon de stockage d'énergie thermique
· Les contraintes du site en matière d'emprise au sol, d'accès, de capacité de levage et d'installation pour le ballon de stockage d'énergie thermique
Étude de cas de projet
Référence de livraison pour cette fonction, citée depuis la bibliothèque de projets vérifiés. Niveau de correspondance C. Une livraison de grande capacité en verre fusionné à l'acier citée comme preuve de capacité de fabrication. La bibliothèque vérifiée ne contient aucun projet de stockage d'énergie thermique ou de stockage réfrigéré de centre de données, donc cet article ne l'utilise pas pour démontrer les performances de stratification ou la capacité de stockage, comme détaillé pour le réservoir de stockage d'énergie thermique.
ID du projet | Pays | Produit | Capacité | Nombre de réservoirs | Dimensions | Achèvement | Périmètre de fourniture |
NAM-POT-44900-B | Namibie | Réservoir boulonné en verre fusionné à l'acier (GFS) | 44 900 m3 | 4 | φ41,26 × 8,4 m (H) par réservoir | 2022-09 | Non enregistré |
Une livraison en verre fusionné à l'acier de grand volume citée comme preuve de capacité de fabrication. La bibliothèque vérifiée ne contient aucun projet de stockage d'énergie thermique ou de stockage réfrigéré pour centre de données, cet article ne l'utilise donc pas pour démontrer les performances de stratification ou la capacité de stockage, comme détaillé pour le réservoir de stockage d'énergie thermique.
Questions fréquemment posées
Q1. Qu'achète réellement un acheteur lorsqu'il spécifie un stockage thermique ?
L'acheteur achète la capacité de contenir une quantité d'énergie thermique et de la déplacer dans le temps. La capacité de traitement de l'énergie est le produit ; le réservoir est le contenant qui la fournit. Une proposition basée sur un volume d'eau ne peut pas être comparée à une proposition de stockage de glace, même si les deux satisfont le même service pour le réservoir de stockage d'énergie thermique
Q2. Pourquoi la capacité est-elle exprimée en énergie plutôt qu'en volume ?
Parce que le même volume contient des quantités d'énergie très différentes selon les milieux. Le stockage sensible dans l'eau est limité par le delta-T sur lequel la boucle peut fonctionner. Le stockage latent dans la glace fondante ajoute la chaleur de fusion à une température fixe, de sorte qu'une faible variation stocke encore une grande quantité, comme détaillé pour le réservoir de stockage d'énergie thermique.
Q3. Quelles trois fonctions le stockage thermique remplit-il ?
L'écrêtement des pointes, la traversée des interruptions et le déplacement de charge. L'écrêtement des pointes réduit la contribution de l'installation à un pic de demande et recharge en dehors du pic. La traversée des interruptions porte la charge à travers une interruption définie. Le déplacement de charge déplace la consommation vers une période tarifaire moins chère. Ils diffèrent par les heures concernées, la fonction doit donc être fixée en premier pour le réservoir de stockage d'énergie thermique.
Q4. Comment choisit-on l'eau glacée, la glace et les milieux à changement de phase ?
L'eau glacée est la plus simple et contient le moins d'énergie par mètre cube, limitée par le delta-T de la boucle. La glace étend la plage de température vers le bas car le changement de phase se produit à une température fixe, au prix d'un circuit de congélation et de fusion et d'une logique de contrôle plus complexe, comme détaillé pour le réservoir de stockage d'énergie thermique.
Q5. À quoi ressemble l'architecture de charge, de maintien et de décharge ?
Le mode charge accepte la chaleur de l'installation, le mode maintien isole le stockage et conserve l'énergie, et le mode décharge restitue la chaleur dans la boucle. L'agencement découle des modes, avec des raccordements séparés lorsque les débits ou les températures diffèrent. L'interface de commande doit définir l'état du stockage, les signaux de disponibilité et les données des capteurs pour le réservoir de stockage d'énergie thermique
Q6. Quel est le lien entre la stratification et la capacité utilisable ?
La capacité utilisable est la fraction de l'enveloppe que le stockage peut atteindre avec de l'eau dans l'état thermique requis, et non le volume de l'enveloppe. Une géométrie de diffuseur médiocre, un débit de charge rapide ou des raccordements mal placés mélangent les couches, et le déficit apparaît comme un manque d'énergie à la décharge plutôt que comme un réservoir manquant pour le réservoir de stockage d'énergie thermique
Q7. Comment le gain de chaleur par l'isolation réduit-il la capacité ?
Les gains de chaleur à travers l'enveloppe, la toiture et la tuyauterie proviennent de l'énergie stockée, et ils évoluent proportionnellement à la surface, à l'écart de température et à la conductance de l'isolation. Exprimés en pourcentage de perte journalière, une période de maintien de plusieurs jours en élimine plusieurs jours, et le stock fournit moins d'énergie qu'il n'en a été chargé pour le réservoir de stockage d'énergie thermique
Q8. Quelles sont les conditions de fiabilité et de défaillance ?
Les plus significatives sont la perte de stratification, qui se manifeste par un déficit de capacité plutôt que par une alarme ; une sonde de température ou de niveau défaillante, qui prive la séquence de contrôle des informations dont elle a besoin ; une vanne bloquée en position ouverte, qui laisse le stock connecté à la boucle ; et la perte de l'installation auxiliaire. Chacune nécessite un état sûr pour le réservoir de stockage d'énergie thermique
Q9. Comment se comparent les fonctions de stockage thermique et de tampon ?
Un ballon tampon est mesuré en gallons ou en mètres cubes par tonne et dimensionné en minutes ; il lisse un régime transitoire sur un court intervalle et constitue un récipient hydrauliquement simple. Un stockage thermique est mesuré en tonnes-heures et dimensionné en heures ; il décale l'énergie sur une période tarifaire et nécessite des internes, une stratification et un comportement de défaillance pour le réservoir de stockage d'énergie thermique
Q10. Que contient une liste de contrôle des spécifications de capacité et de service ?
Dix éléments : le service exprimé en heures avec l'événement qu'il dessert ; l'énergie en tonnes-heures et en kWh avec le delta-T de conception ou la température de transition ; les milieux et l'état physique maintenu ; le taux de charge, le taux de décharge et la fenêtre ; la période de maintien et les pertes thermiques ; la capacité utile indiquée séparément du volume de l'enveloppe ; la méthode de vérification ; le pour le réservoir de stockage d'énergie thermique
Le stockage d'énergie thermique doit être spécifié en tant que capacité en tonne-heures avec un delta-T de conception déclaré, une fenêtre de décharge déclarée et une perte thermique de maintien déclarée, car une spécification en termes de volume ne peut pas être comparée entre un stockage d'eau glacée, un stockage de glace et un stockage à changement de phase, et parce que le régime de fonctionnement en heures est ce qui distingue réellement les trois applications. Le corollaire est que la capacité utile, la perte sur la période de maintien et le comportement en cas de défaillance doivent être indiqués parallèlement au chiffre d'énergie, puisque c'est dans ces trois éléments que se trouve la différence entre une capacité annoncée et une capacité livrée. Un stockage spécifié de cette manière peut être comparé entre les propositions et vérifié par rapport à son régime de fonctionnement lors de la mise en service, ce qu'un stockage spécifié en termes de volume ne permet pas pour un réservoir de stockage d'énergie thermique
Parler à un ingénieur
Pour un réservoir de stockage d'énergie thermique, indiquez la charge que le stockage doit assurer et l'événement qu'elle couvre, la charge thermique en tonnes et les heures concernées, les températures de l'eau glacée à l'alimentation et au retour ainsi que le delta-T disponible, le débit de décharge souhaité et la fenêtre correspondante, les fluides envisagés, la période de maintien entre charge et décharge, les conditions ambiantes du site, l'empreinte au sol ainsi que les contraintes de grue et d'accès, et le système de contrôle avec lequel le stockage doit s'interfacer. Nous fournirons une étude de capacité indiquant l'énergie en tonne-heures et en kWh, la quantité de fluide et le volume de l'enveloppe, la capacité utile et l'exigence de stratification, les pertes thermiques de conception sur la période de maintien, la séquence de charge et de décharge, ainsi que le comportement en cas de défaillance à intégrer dans la spécification.
À propos de Center Enamel
Shijiazhuang Zhengzhong Technology Co., Ltd (Center Enamel) est un fabricant professionnel spécialisé dans la conception et la fabrication de réservoirs de stockage boulonnés depuis 2008. La gamme de produits comprend des réservoirs en acier vitrifié (GFS), des réservoirs en époxy fusionné (FBE), des réservoirs en acier inoxydable, des réservoirs en acier galvanisé et des toits en dôme géodésique en aluminium, ainsi qu'un support technique EPC et des accessoires de réservoirs. La production est réalisée sous les normes ISO 9001, ISO 14001 et ISO 45001, et la gamme de produits est certifiée NSF/ANSI 61, WRAS, CE et EN 1090, ISO 28765, AWWA D103-09 et NFPA lorsque l'application l'exige. L'entreprise détient près de 200 brevets d'émaillage, exploite une base de production de 150 000 m2, produit environ 300 000 plaques d'acier émaillé par an, a réalisé plus de 30 000 projets installés et a expédié des réservoirs dans plus de 100 pays. La capacité de conception technique couvre des volumes de réservoirs allant jusqu'à 60 000 m3, comme détaillé pour les réservoirs de stockage d'énergie thermique.
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