Serbatoio di accumulo termico ad acqua refrigerata: confronto tra acqua refrigerata, ghiaccio e cambiamento di fase
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Serbatoio di Accumulo Termico ad Acqua Refrigerata: Confronto tra Acqua Refrigerata, Ghiaccio e Cambiamento di Fase
Per la maggior parte dei data center il serbatoio di accumulo termico ad acqua refrigerata è la scelta giusta. L'acqua sensibile contiene circa 6-8 kWh per metro cubo all'interno di una finestra di 5-7 K, non necessita di cambiamento di fase e costa poco più del serbatoio stesso; il ghiaccio accumula diverse volte di più per metro cubo ma deve essere prodotto con energia della macchina e poi sciolto, mentre il PCM aumenta ulteriormente la densità e necessita comunque di una serpentina o di un mantello per la carica. Il mezzo è deciso dalla superficie calpestabile, dalla durata della finestra di picco e dal budget di COP consentito all'impianto, non dalla densità energetica nominale. Un serbatoio di accumulo termico ad acqua refrigerata mantiene la capacità di raffreddamento come acqua fredda anziché come ghiaccio o materiale a cambiamento di fase, il che mantiene invariato il progetto idraulico dell'impianto e il mantello a pressione atmosferica.
Una questione di accumulo è in realtà una questione di superficie calpestabile travestita da costume energetico. Due sale con lo stesso carico di raffreddamento possono raggiungere lo stesso risultato di spostamento del picco con involucri diversi, perché il mezzo all'interno determina quanti metri cubi sono necessari, quanto a lungo il refrigeratore funziona per riempirli e come si comporta l'impianto la mattina in cui il serbatoio non è pronto.
Tre mezzi costituiscono la maggior parte della base installata nelle strutture critiche: acqua refrigerata mantenuta in senso sensibile, ghiaccio formato su una serpentina interna e materiale a cambiamento di fase in un fascio. Ognuno acquista una densità superiore con una penalità che ricade altrove nella progettazione meccanica, di solito nella potenza elettrica, nell'automazione delle valvole o nelle ore di manutenzione. Questo articolo li mette a confronto sulle quantità che l'ingegnere del proprietario deve difendere.
Acqua sensibile: la linea di base rispetto alla quale si misurano tutti gli altri mezzi
L'acqua è il caso di riferimento, perché il suo meccanismo di accumulo è anche il fluido delle tubazioni.
· La densità deriva dalla finestra di temperatura. Con cp ≈ 4,186 kJ/kg·K e ρ ≈ 1000 kg/m³, un metro cubo contiene circa 1,163 kWh per kelvin, quindi una finestra di 6 K fornisce all'incirca 7 kWh per m³ prima della derating.
· La disponibilità utilizzabile è chiara. Un serbatoio di accumulo termico ad acqua refrigerata normalmente fornisce il 70-90% del teorico, con la differenza dovuta alla termoclina e alle riserve mantenute a ciascuna estremità.
· Il guasto è evidente, non silenzioso. Una valvola bloccata si manifesta come un aumento della temperatura di mandata entro pochi minuti; lo stesso guasto in un mezzo congelato si attenua nel corso di ore.
Il costo di questa semplicità è il volume, motivo per cui lo studio del layout dovrebbe iniziare prima che la scelta del mezzo sia finalizzata.
Accumulo di ghiaccio: densità acquistata con l'energia della macchina
Il ghiaccio aumenta la densità utilizzando il calore latente anziché il calore sensibile, e il prezzo viene pagato al compressore.
· Il percorso di fusione aggiunge una superficie. La scarica avviene attraverso una serpentina interna o uno scambiatore di calore di fusione, e la velocità è limitata da quella superficie anziché dal volume immagazzinato.
· Il ciclaggio giornaliero è la norma operativa. La finestra di carica si ripete quasi ogni giorno, sottoponendo la serpentina, la logica di sbrinamento e il controllo di aspirazione a cicli termici di routine.
· Dove lo spazio è limitato, il volume diminuisce drasticamente. In un sito urbano con l'area del locale tecnico già impegnata per i corridoi, lo stesso carico richiede una frazione del volume d'acqua.
Il ghiaccio abbandona un progetto quando il proprietario non riesce a giustificare l'energia extra di ricarica, o quando l'impianto non ha spazio per una batteria di fusione che deve rimanere pulita.
Materiale a Cambiamento di Fase: Massima Densità, Maggior Lavoro di Integrazione
Il PCM accumula energia in un materiale che cambia stato vicino alla temperatura dell'acqua di mandata.
· La superficie di scambio termico diventa il problema. Il freddo deve entrare e uscire dalla capsula o dal pacco per conduzione, quindi la potenza di scarica dipende dalla geometria del pacco piuttosto che dalla portata della pompa.
· Il mezzo di ricarica necessita comunque di una batteria in ogni caso. Acqua, glicole o refrigerante devono trasferire calore in entrata e in uscita, e tale apparecchiatura occupa il locale che il PCM doveva alleggerire.
· Il supercooling e la sedimentazione contano. Un PCM che non nuclea mai, o che si separa a riposo, trasforma silenziosamente un asset in un blocco senza alcuna funzione utile.
Il PCM è una risposta credibile su un impianto ricco, e una risposta scarsa per una struttura che vuole un serbatoio in cui un tecnico possa entrare e verificare con un termometro.
Scegliere in base alla conseguenza, non alla densità
La decisione deriva da ciò che ciascun mezzo impone al resto della progettazione.
1. Verificare lo spazio rispetto al suo uso alternativo. Un guscio che sottrae spazio alla sala o impone una struttura più alta costa più di quanto il suo prezzo suggerisca.
2. Guardare a ciò che il team di manutenzione può gestire. L'acqua necessita di trattamento; il ghiaccio necessita di igiene delle batterie e logica di sbrinamento; il PCM necessita di un fornitore che garantisca il pacco dopo cinque anni di cicli.
3. Mantenere un solo mezzo per ogni linea di accumulo. Mescolare un serbatoio d'acqua e un recipiente PCM su un unico collettore aggiunge una logica di cambio modalità difficile da dimostrare durante la messa in servizio.
Dove l'impianto ha spazio, il serbatoio di accumulo termico dell'acqua refrigerata rimane la soluzione a minor rischio: il fluido di accumulo è il fluido circolante, la misurazione avviene tramite un termometro e un flussometro, e i fattori di riduzione sono quelli che il settore ha registrato per decenni.
Specifica tecnica
Voce | Acqua refrigerata (sensibile) | Ghiaccio su serpentina | Materiale a cambiamento di fase |
Meccanismo di accumulo | Raffreddamento sensibile dell'acqua liquida | Fusione latente dell'acqua su una serpentina interna | Fusione latente di una lega o di un idrato progettato |
Densità energetica teorica | ≈ 1,163 kWh per m³ per K; circa 7 kWh per m³ a 6 K | Calore latente del ghiaccio, diverse volte il volume dell'acqua | Determinato dal calore di fusione del materiale |
Frazione di prelievo utilizzabile | 70-90% del teorico | Limitata dalla superficie della serpentina di fusione e dalla velocità di fusione | Limitata dalla conduzione del letto e dall'area di contatto |
Energia di carica aggiuntiva | Nessuna oltre il normale funzionamento del refrigeratore | Calore latente di fusione più una temperatura di evaporazione inferiore | Energia del mezzo di accumulo più l'avvicinamento alla camicia |
Parti in movimento all'interno del guscio | Nessuno | Serpentina, possibilmente agitatori | Nessuno, ma il pacco deve essere supportato |
Voce di manutenzione principale | Biocida, inibitore, controllo del calcare, pulizia periodica | Igiene della serpentina, defrost e controllo dell'aspirazione | Integrità della capsula, assestamento del pacco, nucleazione |
Firma del guasto | La temperatura di mandata sale entro pochi minuti | La capacità diminuisce lungo la finestra di scarica | Il duty crolla quando il pacco smette di ciclare |
Adattamento tipico | Campus con spazio esterno, turno di 2-6 h | Siti urbani dove l'area calpestabile è limitata | Lotti ristretti che richiedono molte ore in piccolo volume |
Caso di progetto
Il nostro lavoro di riferimento consegnato nel settore idrico e delle acque reflue comprende grandi installazioni multi-serbatoio consegnate secondo gli stessi standard a cui è ingegnerizzato l'ambito TES del data center, incluso il progetto seguente.
Riepilogo del caso di progetto
Progetto | Prodotto | Capacità | Dimensioni | Completamento |
Namibia - acqua potabile (P-A) | 01 serbatoio bullonato GFS | 44.900 m³ totali | Quattro serbatoi da φ41.260 × 8.400 mm | Settembre 2022 |
Quattro involucri di questo diametro sono la prova di una debolezza e di una forza della via dell'acqua: la forza è che un involucro di queste dimensioni mantiene la temperatura quasi invariata dopo anni di stazionamento, la debolezza è che mantenere quel freddo richiede volume. Un serbatoio di accumulo termico ad acqua refrigerata dimensionato con la stessa logica mantiene il suo termoclino ovunque lo lasci il diffusore, e la sequenza di montaggio per quattro serbatoi abbinati è la disciplina utilizzata per mettere in servizio un parco di accumulo multi-unità per fasi.
Capacità ingegneristica di Center Enamel
Center Enamel (Shijiazhuang Zhengzhong Technology Co., Ltd) progetta e fabbrica serbatoi di stoccaggio bullonati dal 2008. In qualità di primo produttore cinese di serbatoi in vetro-acciaio (GFS), l'azienda detiene quasi 200 brevetti relativi allo smalto, produce circa 300.000 lastre in acciaio smaltato all'anno, ha completato più di 30.000 progetti installati e fornisce i suoi serbatoi a oltre 100 Paesi. Il nuovo stabilimento produttivo di 150.000 m² è stato aggiunto per aumentare la capacità produttiva, e i singoli serbatoi vengono forniti fino a 60.000 m³. La produzione opera secondo le norme ISO 9001 e ISO 45001, con certificazioni di prodotto tra cui NSF/ANSI 61, WRAS, FDA, LFGB, CE (EN 1090), ISO 28765, FM, BSCI ed EUROCODE, e la progettazione fa riferimento alle norme AWWA D103-09, AWWA C550 e NFPA ove l'applicazione lo richieda.
Scelta del mezzo e del guscio
· L'acqua come mezzo di accumulo mantiene il circuito a pressione atmosferica, che è il modo più economico e a minor rischio per mantenere diverse ore di raffreddamento per un grande ambiente; ghiaccio e PCM aumentano la densità energetica ma aggiungono geometrie di serpentine, collettori o capsule all'interno del guscio.
· I gusci in smalto e in epossidico legato per fusione sono inerti contro l'acqua trattata, e la soluzione in smalto è verificata con una prova di continuità a 1500 V DC e uno strato cotto di 0,25-0,45 mm.
· Il nostro record di consegna di serbatoi d'acqua, dal progetto Namibia da 44.900 m³ fino a impianti industriali multi-serbatoio di poche centinaia di metri cubi, supporta sia accumuli su scala utility che su scala industriale.
Domande frequenti
D1: L'acqua refrigerata è davvero il mezzo a minor rischio per un data center?
R1: È il mezzo a minor rischio dove c'è spazio e la finestra di picco è breve. L'acqua è lo stesso fluido del mezzo circolante, non ha una superficie interna di fusione e i suoi fattori di derating sono ben documentati, il che rende più facile dimostrare il collaudo di messa in servizio.
D2: Quanta più energia consuma l'accumulo di ghiaccio per chilowattora immagazzinato?
R2: Di più, e appartiene al bilancio energetico dell'impianto piuttosto che a un'affermazione. Produrre ghiaccio aggiunge il calore latente di fusione più l'approccio dell'evaporatore; confrontare ciò con la domanda di punta e il risparmio tariffario che lo spostamento produce.
D3: Un serbatoio di accumulo termico ad acqua refrigerata può condividere un impianto con un sistema a ghiaccio?
R3: Possono condividere un collettore comune, ma la logica deve poi decidere quale mezzo serve il circuito, e quel cambio di modalità deve essere testato prima di farvi affidamento durante un'interruzione.
D4: Quante ore di accumulo giustificano rispettivamente l'acqua e il ghiaccio?
R4: L'acqua è adeguata per due a sei ore di carico spostato e si estende ulteriormente con il volume; il ghiaccio e i PCM giustificano la loro attrezzatura extra quando le ore richieste spingono il volume d'acqua in un'area non disponibile.
D5: Quale mezzo fallisce più silenziosamente?
A5: Il mezzo denso. Un serbatoio d'acqua mostra una temperatura di mandata che sale rapidamente, mentre un pacco ghiacciato o a cambiamento di fase cede capacità gradualmente lungo la finestra di scarica, quindi il test dovrebbe essere eseguito rispetto al carico di progetto e registrato.
D6: Il mezzo modifica la specifica del mantello?
A6: Le basi del mantello rimangono le stesse: atmosferico o all'interno del confine di pressione del sistema, isolato, con un ingresso e un'uscita controllati e un rivestimento adatto all'acqua. Il ghiaccio e il PCM modificano il supporto interno, la penetrazione della serpentina e la disposizione degli ugelli piuttosto che l'involucro.
Confrontare acqua refrigerata, ghiaccio e materiale a cambiamento di fase si riduce a quale penalità il progetto può sopportare. L'acqua comporta volume, il ghiaccio comporta energia del compressore e superficie di fusione, il PCM comporta integrazione e comportamento del pacco a lungo termine. Per la maggior parte delle strutture critiche con un'area meccanica utilizzabile, il serbatoio di accumulo termico ad acqua refrigerata fornisce il carico spostato con il minor numero di nuove modalità di guasto, motivo per cui vale la pena specificarlo per primo.
Parla con un ingegnere
Inviaci il carico IT di picco, le ore che devi spostare, lo spazio meccanico disponibile e la struttura tariffaria. Ti restituiremo un confronto tra i mezzi sui tuoi numeri: densità energetica e volume lordo per acqua, ghiaccio e PCM, l'energia di carica extra richiesta da ciascuno, la frazione utilizzabile che prevediamo e il diametro e l'altezza del guscio che si adattano al tuo sito. Per uno schema ad acqua, proseguiamo con una scheda tecnica che copre rivestimento, isolamento, geometria di ingresso e ugelli.
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