Réservoirs de stockage d'énergie thermique pour centres de données : comparaison eau, glace et PCM
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Réservoirs de stockage d'énergie thermique pour centres de données : comparaison eau, glace et PCM
L'eau glacée est la solution la moins risquée pour la plupart des sites. Les ballons de stockage d'énergie thermique pour centres de données contenant de l'eau stockent environ 1,16 kWh par mètre cube par kelvin, soit environ 7 kWh/m3 pour un delta de 6 K avant pertes. La glace offre plusieurs fois cette densité à volume égal, mais ajoute la récolte, le dégivrage et une boucle indirecte. Les MCP se situent entre les deux et coûtent généralement plus cher par kilowattheure utilisable. Les ballons d'eau fonctionnent près de la pression atmosphérique avec une isolation, un contrôle de stratification et des pratiques de fabrication matures. Les ballons de stockage d'énergie thermique pour centres de données sont spécifiés en trois milieux - eau glacée, glace et matériau à changement de phase - et chaque milieu modifie l'enveloppe, pas seulement le nombre de cuves.
La densité des baies ne cesse d'augmenter, et avec elle la part de l'énergie du site consacrée à l'évacuation de la chaleur de la charge informatique. Les refroidisseurs sont dimensionnés pour l'heure la plus défavorable, et non pour la moyenne, et cette heure détermine à la fois la facture d'équipement et la prime de puissance. Le stockage d'énergie thermique décale le refroidissement vers les heures creuses : l'installation fonctionne à plein régime hors pointe, remplit un réservoir et traverse le pic de l'après-midi grâce au froid stocké.
Trois supports retiennent ce froid. L'eau glacée dans une cuve isolée stratifiée constitue la conception de référence. La glace, formée sur des serpentins ou récoltée par machine à l'intérieur d'une cuve d'eau, augmente l'énergie par mètre cube. Les matériaux à changement de phase encapsulés visent le même objectif avec une transition solide-liquide. Tous les trois réduisent la puissance frigorifique de pointe ; aucun ne réduit le total des kilowattheures du site, et chacun modifie l'agencement, les contrôles et le plan de maintenance.
Cette comparaison examine les chiffres qui déterminent l'achat de cuves de stockage d'énergie thermique pour les centres de données : capacité par mètre cube, coût par kilowattheure utilisable, quelle fraction du froid stocké peut être prélevée, et comment chaque solution se comporte en matière de maintenabilité simultanée.
Ce que les trois solutions stockent réellement
La densité de stockage détermine la taille du réservoir. Pour un réservoir de liquide, la capacité suit `Q = V x rho x cp x dT`. L'eau à environ 1000 kg/m3 et 4,186 kJ/kg.K contient 4,186 MJ par mètre cube par kelvin, soit environ 1,163 kWh/m3.K. Dans la plage courante de 6 K de 6 °C à 12 °C, cela représente environ 7 kWh/m3.
La glace échange un changement de masse contre la chaleur latente. La congélation à 334 kJ/kg stocke bien plus par unité de masse que le refroidissement sensible, de sorte qu'un réservoir à serpentin enveloppé ou à récolte de même empreinte au sol contient plusieurs fois le froid d'un réservoir d'eau. Le court-circuit thermique à travers la couche de glace ronge discrètement cet avantage entre les cycles.
Les PCM se situent entre les deux, derrière un échangeur de chaleur. Les sels ou paraffines encapsulés changent de phase à une température fixe et sont généralement maintenus derrière une boucle intermédiaire, ce qui ne conserve qu'une fraction de la chaleur latente par mètre cube une fois l'enveloppe et la surface d'échange prises en compte.
Ces trois densités déterminent la taille des réservoirs de stockage d'énergie thermique pour les centres de données. L'eau nécessite le plus de mètres cubes pour la même charge, la glace le moins, et les PCM se situent entre les deux.
1. Eau : coût le plus faible par kWh, plus grand réservoir, raccordement direct au refroidisseur dans de nombreuses conceptions.
2. Glace : compacte, indirecte et une température d'approche plus élevée au niveau du serpentin.
3. MCP : compact à moyen, avec encapsulation et éléments de séparation de phase à surveiller.
Coût d'investissement, empreinte au sol et agencement de l'installation
Le volume du réservoir est le coût visible ; le reste de l'installation est le coût silencieux. Un réservoir d'eau nécessite une enveloppe isolée, des buses d'entrée et de sortie, un diffuseur, une pompe et des commandes. La glace et les MCP ajoutent un ensemble échangeur de chaleur, une boucle de fluide secondaire et, dans le cas de la glace, une séquence de dégivrage qui puise dans le réservoir pendant son fonctionnement.
L'empreinte au sol détermine la solution sur les campus exigus. Là où un parc de réservoirs disponible existe, le stockage d'eau l'emporte sur le coût par kilowattheure stocké dans toutes les catégories opérationnelles. Là où la surface au sol est fixe mais où il existe une hauteur de salle des machines, la glace ou les MCP se justifient même à un coût par kWh plus élevé, car l'alternative est un second bâtiment de refroidissement.
Le changement de condition de pression modifie la portée structurelle. Un réservoir d'eau proche de la pression atmosphérique se situe en dehors de la limite de pression, de sorte que les piquages et les ouvertures sont conçus pour la charge hydraulique uniquement. Les machines à glace sous pression se trouvent à une pression manométrique positive et entraînent avec elles la cuve, son renforcement et son régime d'inspection.
· Eau glacée : capital le plus faible par kilowattheure utilisable, empreinte au sol la plus grande, pas de boucle indirecte dans de nombreuses conceptions.
· Glace : deux à quatre fois le capital d'un réservoir d'eau, empreinte compacte, boucle indirecte toujours présente.
· PCM : capital moyen à élevé, empreinte compacte à moyenne, boucle indirecte toujours présente.
Efficacité utilisable, pertes et soutirage
L'efficacité de charge et de décharge diffèrent. Un réservoir d'eau perd une petite part de son contenu par jour à cause de l'isolation et du mélange, et les concepteurs appliquent 70 à 90 pour cent de la théorie pour la capacité utilisable après stratification, court-circuit thermique et pertes par mélange.
La glace perd à cause du court-circuit thermique. La chaleur traversant l'enveloppe fait fondre de la glace qui n'a jamais été chargée pour être utilisée, donc l'installation doit surcharger. La qualité de l'isolation et la géométrie du réservoir déterminent ce taux.
Les PCM perdent du côté du transfert. La faible conductivité dans la couche de changement de phase limite la puissance de charge et de décharge par surface plutôt que par volume, donc dimensionner pour le débit de pointe agrandit le réservoir et érode le gain de densité.
Voie | Densité théorique | Part utilisable | Principal mécanisme de perte |
Eau glacée | ~1,16 kWh/m3.K | 70-90 pour cent | Effondrement de la stratification, fuite ambiante |
Glace | Plusieurs fois l'eau | 60-85 pour cent de la charge | Court-circuit thermique, retrait de dégivrage |
MCP | Milieu de gamme | 60-80 pour cent du latent | Transfert limité par conduction, séparation |
Fonctionnement, maintenance et comportement en cas de défaillance
Les systèmes à eau défaillent lentement et visiblement. La stratification s'érode, les diffuseurs s'encrassent et un retour en surchauffe mélange le réservoir. La chimie est celle que l'installation utilise déjà : biocide, inhibiteur, contrôle du tartre et nettoyage périodique.
Les installations à glace comportent une liste mécanique. L'entartrage des serpentins, le pontage de glace, le grippage des vannes de dégivrage et les fuites de boucle se répètent, le tout à l'intérieur d'une enceinte isolée, ce qui rend l'accès difficile.
Le PCM ajoute des éléments de stabilité matérielle. Les dommages à l'encapsulant, la ségrégation dans les hydrates salins et l'encrassement de l'échangeur nécessitent chacun un point de surveillance en direct dès le premier jour. En pratique, enregistrez la température d'entrée et de sortie, le niveau et la vitesse du diffuseur pour le réservoir d'eau, la fréquence de dégivrage et la fraction de glace pour l'usine à glace, et la puissance de charge et de décharge avec la dérive de bande de phase pour le skid PCM.
Spécification technique
Élément | TES à eau glacée | TES à glace | TES à PCM |
Milieu de stockage | Eau, 5-7 à 12-14 degC | Glace dans l'eau, serpentin ou récolte | Sel ou paraffine encapsulé |
Formule de capacité | Q = V x rho x cp x dT | m x 334 kJ/kg, moins les courts-circuits | m x chaleur latente, moins la pénalité d'échangeur |
Bande utilisable | Delta de 5-7 K | Point de fusion proche de 0 degC | Température de changement de phase fixe |
Condition de pression | Proche de la pression atmosphérique | Faible pression positive | Atmosphérique à faible pression |
Isolation | Laine minérale, bardage aluminium | Paroi plus lourde, pare-vapeur | Laine minérale, pare-vapeur |
Échangeur de chaleur | Pas toujours requis | Toujours | Toujours |
Puissance de décharge de pointe | Buse, pompe et diffuseur | Surface de l'échangeur | Chemin et surface de conduction |
Périmètre de l'enveloppe | Les réservoirs de stockage d'énergie thermique pour les centres de données utilisent la même enveloppe, le même revêtement et le même périmètre d'isolation que tout grand réservoir d'eau atmosphérique | ||
Références de conception | Pratique AWWA D103, recommandations ASHRAE DC9 | Pratique des cuves, spécification des machines | Pratique des cuves, spécification des matériaux |
Cas de projet
Champ | Valeur |
Projet | Stockage d'eau potable en Namibie (P-A) |
Produit | 01 Réservoir en acier vitrifié |
Capacité | 44 900 m3 au total |
Dimensions | 4 réservoirs, diamètre 41,26 m, hauteur 8,4 m |
Achèvement | Septembre 2022 |
Bien que nos projets de référence livrés dans le secteur de l'eau et des eaux usées incluent ce périmètre d'eau potable, le périmètre TES pour centre de données est conçu selon les mêmes normes. Quatre réservoirs boulonnés de 41,26 m de diamètre démontrent le nombre de panneaux, le diamètre de virole et la séquence d'assemblage sur site qu'exige un grand réservoir d'eau atmosphérique. Les réservoirs de stockage d'énergie thermique pour centres de données héritent du même périmètre de virole lorsque le fluide est de l'eau et que le réservoir reste proche de la pression atmosphérique.
Capacité d'ingénierie de Center Enamel
Center Enamel (Shijiazhuang Zhengzhong Technology Co., Ltd) conçoit et fabrique des réservoirs de stockage boulonnés depuis 2008. En tant que premier fabricant de réservoirs en verre fusionné à l'acier (GFS) en Chine, l'entreprise détient près de 200 brevets liés à l'émail, produit environ 300 000 plaques d'acier émaillées par an, a réalisé plus de 30 000 projets installés et fournit ses réservoirs à plus de 100 pays. La nouvelle base de production de 150 000 m² a été ajoutée pour augmenter la capacité de production, et des réservoirs individuels sont fournis jusqu'à 60 000 m³. La fabrication est réalisée sous ISO 9001 et ISO 45001, avec des certifications produit incluant NSF/ANSI 61, WRAS, FDA, LFGB, CE (EN 1090), ISO 28765, FM, BSCI et EUROCODE, et une conception référencée à AWWA D103-09, AWWA C550 et NFPA lorsque l'application l'exige.
Exigence moyenne par rapport à la coque
· L'eau, la glace et le PCM imposent chacun une exigence d'enveloppe différente : l'eau a besoin de volume et d'isolation, la glace a besoin d'un serpentin ou d'un collecteur interne, le PCM a besoin d'un faisceau de capsules que le réservoir doit accueillir géométriquement.
· La première étape la moins risquée est une enveloppe atmosphérique remplie d'eau dimensionnée à partir de la courbe de charge de refroidissement, car elle laisse la conception hydraulique et de contrôle inchangée par rapport à l'installation de base.
· Nos livraisons de citernes d'eau, menées par le projet namibien de 44 900 m³, constituent le précédent direct d'un stockage à base d'eau.
Questions fréquentes
Q1 : Le stockage de glace est-il toujours plus économique que l'eau glacée ?
R1 : Non. La glace contient plus de froid par mètre cube, donc la cuve est plus petite, mais le groupe frigorifique, la séquence de dégivrage et la boucle indirecte augmentent le coût installé par kilowattheure utile. Lorsque le terrain est disponible, l'eau offre un retour sur investissement plus court.
Q2 : Quel volume de cuve me faut-il pour huit heures d'effacement de pointe ?
R2 : Dimensionnez d'abord les kilowattheures stockés : charge en kW multipliée par les heures de décalage, divisée par le facteur utile, puis divisée par la densité du milieu choisi. À 6 K, l'eau offre environ 7 kWh/m3 avant le facteur de 70-90 pour cent.
Q3 : Une cuve de stockage thermique d'eau est-elle utile lors d'une interruption de courant ?
A3 : Cela aide. Le stockage à froid couvre l'installation pendant que les générateurs et les unités UPS démarrent, et un réservoir atmosphérique fournit un débit sans alimentation sous pression. Les concepteurs lui attribuent une autonomie définie, et non une durée de fonctionnement illimitée.
Q4 : Un réservoir de glace ou de PCM peut-il rejoindre une installation d'eau glacée existante ?
R4 : Oui, en tant qu'îlot indirect avec son propre échangeur et sa propre boucle. L'interface se compose d'une paire de raccordements et d'un signal de commande, de sorte que les refroidisseurs existants conservent leur interface d'installation derrière le nouveau stockage.
Q5 : Quel milieu supporte le mieux une mauvaise qualité d'eau ?
R5 : Un intérieur en émail appliqué en usine ou en époxy fusionné maintient la paroi à l'écart du contact avec l'eau stockée, de sorte que la chimie affecte le côté eau plutôt que l'acier. Les deux sont réparables sur site pour un réservoir ouvert pour inspection tous les quelques années.
Q6 : Quelle est la perte en veille d'un réservoir isolé ?
R6 : Un réservoir atmosphérique bien isolé perd une petite fraction de charge par jour, remplacée au cycle suivant. L'épaisseur de l'isolation, l'étanchéité à la vapeur et les détails de support importent plus que le matériau de la paroi.
Q7 : Un pilote PCM vaut-il la peine d'être exécuté en premier ?
A7 : La plupart des exploitants testent un réservoir sur un hall non critique pour enregistrer la puissance de charge et de décharge, la dérive de la bande de phase et l'encrassement, ce qui répond à la question de savoir si la température de changement de phase correspond à l'eau de retour.
Les trois filières stockent le froid différemment, et une seule est bon marché par kilowattheure. L'eau présente le coût d'investissement le plus faible, l'interface hydraulique la plus simple et le retour d'expérience de maintenance le plus ancien, payé en volume. La glace achète la compacité au prix d'un coût plus élevé et de pièces mobiles. Le MCP offre une plage de température ajustable et la paie en surface d'échange et en gestion des matériaux. Là où le terrain est disponible et où la fenêtre est longue, le réservoir d'eau est la réponse de référence, et les deux autres se justifient par l'empreinte au sol plutôt que par la thermodynamique.
Parler à un ingénieur
Envoyez la charge du hall en kW, la fenêtre de stockage en heures, les températures d'alimentation et de retour du refroidisseur, ainsi que l'espace disponible dans l'installation pour un réservoir. Nous renverrons un calcul de dimensionnement en mètres cubes, les kilowattheures utilisables après application du facteur de stratification et de perte, ainsi que la spécification des buses, du diffuseur et de l'isolation. Pour une comparaison des médias, demandez le même calcul pour la glace et les PCM afin que le choix repose sur la capacité utilisable, et non sur la densité nominale.
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