Serbatoi di accumulo di energia termica per data center: come l'accumulo a freddo migliora l'efficienza di raffreddamento
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Serbatoi di accumulo di energia termica per data center: come l'accumulo a freddo migliora l'efficienza di raffreddamento
Un serbatoio di accumulo di energia termica per data center contiene acqua refrigerata prodotta durante le ore non di punta e la scarica durante il picco, così i refrigeratori funzionano con un carico costante ed efficiente invece di seguire il calore IT orario. Con una differenza di temperatura utilizzabile di 4-7 K e una frazione utilizzabile realistica del 70-90%, un serbatoio stratificato trasporta diverse ore di carico di raffreddamento e offre agli operatori una finestra di continuità definita quando i refrigeratori si arrestano. Il serbatoio non crea raffreddamento; sposta quel raffreddamento nel tempo.
In una sala hyperscale la curva di carico IT è piuttosto piatta mentre l'impianto di raffreddamento è dimensionato per una giornata di progetto più calda, eppure il carico misurato trascorre la maggior parte delle ore ben al di sotto di quel limite, quindi l'impianto funziona a basso carico parziale e assorbe comunque ogni rapido picco di calore che i rack producono.
Molte tariffe applicano un costo per la domanda di picco in kW oltre che per l'energia in kWh, quindi un impianto che insegue ogni picco IT paga per il picco anziché per i kilowattora consumati. Quando un chiller si arresta, l'unica cosa tra una temperatura di ritorno in aumento e uno spegnimento è l'acqua che si trova ancora nelle tubazioni.
Un serbatoio di accumulo termico per data center affronta entrambe le problematiche spostando il raffreddamento nel tempo invece di generarne di più durante il picco. Quanto segue copre cos'è il serbatoio, dove si colloca nella catena, come dimensionarlo e quali modalità operative giustificano la spesa.
Cos'è un serbatoio di accumulo termico per data center
Un volume isolato di acqua refrigerata, mantenuto alla temperatura di mandata e restituito al circuito dell'impianto ogni volta che la domanda supera quanto i refrigeratori sono impostati a fornire. Nulla al suo interno produce refrigerazione.
· Stoccaggio, non generazione. Contiene energia che i refrigeratori hanno già pagato, quindi confrontarlo con un impianto di refrigeratori più grande significa confrontare il capitale con un costo di domanda e una penalità di carico parziale.
· Caricato nel punto efficiente dell'impianto. Nella finestra fuori picco i refrigeratori funzionano quasi a pieno carico e producono acqua a 4-6 °C mentre il volume si riempie, quindi il refrigeratore non segue mai la curva IT pomeridiana.
· Scaricato all'interno della stessa banda. La mandata che esce dal serbatoio normalmente si attesta a 6-8 °C, quindi la miscelazione con il flusso del refrigeratore non spinge mai il circuito al di sopra della temperatura accettata dalle apparecchiature IT.
· Una durata finita, non l'autonomia. Un serbatoio dimensionato per quattro ore di punta fornisce quattro ore con il carico ipotizzato, e dichiarare tale durata è il primo passo di qualsiasi studio credibile su un serbatoio di accumulo di energia termica per data center.
Dove si colloca il serbatoio nella catena di raffreddamento
Un serbatoio di accumulo di energia termica per i data center è comunemente collegato sulla tubazione comune tra la centrale frigorifera e il collettore di distribuzione, in parallelo ai refrigeratori anziché a valle di essi. Tale disposizione fissa la logica di controllo, l'inventario delle valvole e il comportamento dell'impianto al momento della consegna.
· Circuito dei refrigeratori e circuito di distribuzione. Ciascuno alimenta la tubazione comune attraverso valvole di isolamento e di ritegno, e un gruppo di pompe lato distribuzione preleva dalla combinazione selezionata dal controllo, mantenendo il serbatoio indipendente dalla pressione dell'evaporatore. L'accumulo può anche essere posizionato a monte dei refrigeratori, miscelando la mandata con il ritorno prima degli evaporatori, al costo di far passare l'intera portata di sistema attraverso il serbatoio.
· Handover, bypass, riempimento e svuotamento. La logica dovrebbe modificare il setpoint del chiller prima che si apra la valvola di isolamento, così la temperatura di mandata non cala né si ripristina. L'impianto necessita anche di un bypass di servizio, un percorso di riempimento e sfiato, e uno scarico, perché un serbatoio che non può essere svuotato non può essere ispezionato.
Dimensionamento: dal carico IT al volume del serbatoio
Il volume non è una questione di giudizio; deriva dal carico, dalla differenza di temperatura e dalle ore coperte.
1. Trovare il carico e la portata. Dividere il carico termico IT assegnato all'accumulo per il ΔT del circuito. Una sala da 5 MW a 7 K necessita di circa 615 m³/h.
2. Applicare l'equazione dell'energia. Q = V × ρ × cp × ΔT, con acqua a cp ≈ 4,186 kJ/kg·K e ρ ≈ 1000 kg/m³, circa 1,163 kWh per metro cubo per kelvin, quindi circa 7 kWh teorici per m³ con un ΔT utilizzabile di 6 K.
3. Applicare la frazione utilizzabile. La miscelazione, il guadagno ambientale e il cortocircuito rimuovono parte del valore teorico; i progettisti contano sul 70-90%, il valore inferiore per un guscio alto con un diffusore posizionato male.
4. Convertire in un serbatoio. Dividere l'energia utilizzabile per il duty e le ore, quindi arrotondare a un diametro pratico e all'altezza del mantello.
Modalità operative che giustificano il serbatoio
L'accumulo completo si carica fuori picco e spegne l'impianto durante il picco, offrendo il maggior risparmio sulla domanda e il volume maggiore: un serbatoio pieno all'inizio della giornata, vuoto alla fine. Il ride-through copre il caso Tier III o Tier IV, dove un chiller preso per manutenzione sarebbe altrimenti non pianificato.
Specifica tecnica
Gli elementi di interfaccia generano la maggior parte delle modifiche ingegneristiche su un progetto di accumulo.
Voce | Valore o scelta tipica | Azionamenti |
Confine del serbatoio | Atmosferico montato in campo, o all'interno del confine di pressione del sistema | Spessore del guscio, classificazione degli ugelli, scarico |
ΔT utilizzabile | 4-7 K, comunemente 6 K (da 5 °C a 11 °C) | Energia accumulata per metro cubo |
Temperatura di carica e scarica | Carica a 4-6 °C, scarica a 6-8 °C | Banda di ingresso IT e margine di miscelazione |
Frazione utilizzabile | 70-90% del teorico | Volume lordo |
Velocità di ingresso | 0,5-1 m/s attraverso il diffusore | Qualità della stratificazione |
Elenco degli ugelli e degli strumenti | Carico, scarico, ritorno, riempimento, sfiato, drenaggio, livello, passo d'uomo | Conteggio e accesso alle valvole |
Isolamento | Lana minerale, barriera meteorica, rivestimento continuo | Guadagno termico stazionario |
Fondazione | Trave ad anello o platea con dettaglio del ponte termico ai supporti | Registrazione del mantello e dettaglio antigelo |
Caso di progetto
Il nostro lavoro di riferimento consegnato nel settore idrico e delle acque reflue comprende serbatoi bullonati di grande diametro montati in cantiere, come l'installazione a quattro mantelli riportata di seguito, e l'ambito TES per data center è progettato secondo gli stessi standard.
Riepilogo del caso di progetto
Progetto | Prodotto | Capacità | Dimensioni | Completamento |
Namibia - stoccaggio di acqua potabile (P-A) | 01 serbatoio in vetro-fuso-acciaio bullonato GFS | 44.900 m³ totali, 4 serbatoi | 4 × φ41.260 mm × 8.400 mm | Settembre 2022 |
Quei mantelli uscivano dalla fabbrica come pannelli rivestiti di smalto, spediti come corsi discreti e costruiti anello per anello in cantiere. Quella sequenza di montaggio e il test delle vacanze sono ciò che il serbatoio lato raffreddamento eredita.
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-smaltato-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 serbatoi singoli 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.
Mantello del serbatoio e qualità dell'acqua
· I gusci in acciaio-vetro fusibile sono smaltati a 820-930 °C con uno strato di smalto di 0,25-0,45 mm, adesione di 3450 N/cm², una prova di continuità a 1500 V CC e Ra inferiore a 0,8 µm, il che mantiene la superficie interna sufficientemente liscia da mantenere una termoclina stabile con basse perdite di carico parassitarie.
· Il servizio atmosferico di acqua refrigerata di massa è coperto dal percorso di progettazione AWWA D103-09 e dal controllo di produzione in fabbrica ISO 28765, con NSF/ANSI 61 e WRAS applicabili quando l'acqua è classificata come fluido di sistema di grado potabile.
· Il nostro registro di riferimento per serbatoi d'acqua atmosferici di grande diametro e alta capacità include il progetto di acqua potabile in Namibia di 4 serbatoi da φ41,26 m × 8,4 m per un totale di 44.900 m³, completato nel 2022-09.
Domande frequenti
D1: Un serbatoio di accumulo di energia termica per data center riduce il numero di refrigeratori acquistati?
A1: Solo in caso di accumulo completo. Se l'impianto spegne completamente i refrigeratori durante il picco, può essere dimensionato per il carico medio anziché quello di picco. Nei progetti a accumulo parziale o ride-through i refrigeratori mantengono la loro dimensione e il serbatoio copre parte del picco.
D2: Quante ore di accumulo hanno senso economico?
R2: La maggior parte dei progetti si colloca tra due e sei ore di picco. Sotto le due ore un serbatoio compete con un semplice vaso di tamponamento e il capitale non si separa dal beneficio; sopra circa sei ore, il volume e l'ingombro crescono mentre il risparmio per metro cubo diminuisce.
D3: Il serbatoio può trovarsi all'interno del confine di pressione del sistema dell'acqua refrigerata?
A3: Può farlo, sebbene un serbatoio atmosferico montato in campo sia comune per grandi volumi perché lo spessore della parete e il design degli ugelli rimangono semplici e il mantello può essere ispezionato dall'interno. Sul lato di mandata della pompa si unisce al confine di pressione, poi spessore, aperture e scarico vengono calcolati in base alla pressione e temperatura di progetto specificate.
D4: Cosa succede quando i refrigeratori si fermano e le pompe si fermano con loro?
A4: Un serbatoio alto e isolato perde poco calore in poche ore; il vero rischio è la miscelazione. Se l'acqua di ritorno calda entra ancora mentre la circolazione è ferma, la termoclina migra verso l'alto e il freddo utilizzabile si riduce più rapidamente di quanto suggerisca il bilancio termico. Un serbatoio pieno mantiene la carica più a lungo di uno parzialmente scarico.
D5: L'acqua refrigerata stagnante necessita di un trattamento speciale?
A5: Sì. L'acqua refrigerata stagnante è soggetta a crescita biologica e a corrosione dei componenti in acciaio al carbonio in presenza di ossigeno, quindi biocidi, controllo del pH e ispezione periodica devono far parte del piano di messa in servizio, e il rivestimento deve essere adatto al programma di trattamento già in uso nell'impianto.
Un serbatoio di accumulo di energia termica per data center disaccoppia l'impianto frigorifero dalla domanda istantanea di smaltimento del calore del carico IT. Scegliere la differenza di temperatura utilizzabile, applicare l'equazione dell'energia con una frazione utilizzabile realistica e verificare la portata di scarica rispetto alla capacità delle pompe del circuito. Dove i costi di domanda dominano, il caso commerciale è chiaro; dove un fermo del chiller sarebbe altrimenti imprevisto, è il caso di affidabilità a sostenerlo.
Un serbatoio che raggiunge la sua capacità utilizzabile si distingue da uno che non la raggiunge per i dettagli: velocità di ingresso, posizionamento del diffusore, continuità dell'isolamento sui supporti e logica di controllo alla consegna.
Parla con un ingegnere
Inviaci la curva di carico IT, le temperature di mandata e ritorno, la struttura tariffaria e l'area del terreno. Elaboreremo con te un calcolo dimensionale del serbatoio, indicheremo la frazione utilizzabile che garantiremmo per la geometria proposta e restituiremo una scheda tecnica che copre diametro, altezza rettilinea, elenco degli ugelli, spessore dell'isolamento e scelta del rivestimento. Dove l'ordine del chiller è ancora aperto, discuti l'integrazione del TES prima di effettuarlo, perché la disposizione dei collegamenti decide la maggior parte della logica di controllo.
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