Serbatoi TES: un riferimento rapido per l'accumulo termico nel raffreddamento dei data center
Creato il Oggi
Serbatoi TES: un riferimento rapido per l'accumulo termico nel raffreddamento dei data centre
Un serbatoio TES immagazzina il raffreddamento come calore sensibile in acqua refrigerata stratificata, calore latente nel ghiaccio o calore latente in un materiale a cambiamento di fase, e consente all'impianto di refrigerazione di ridurre la domanda di punta o di superare un evento; l'architettura giusta viene scelta in base al salto di temperatura disponibile, allo spazio e al carico che l'accumulo deve svolgere.
Introduzione
L'accumulo di energia termica (TES) in un impianto di raffreddamento di un data centre è un serbatoio che immagazzina il raffreddamento quando è economico o abbondante e lo restituisce quando il carico o la tariffa lo richiedono. È la leva più importante che la maggior parte degli impianti di raffreddamento ha a disposizione per ridurre la domanda elettrica di punta e per superare un evento della rete senza combustibile per i generatori, e funziona con i refrigeratori che già possiedi anziché sostituirli.
Questo è un riferimento compatto, non un manuale di progettazione. Ti spiega cos'è un serbatoio TES, le tre architetture di uso comune e i numeri che definiscono ciascuna, come l'accumulo rimodella l'impianto frigorifero, quanto costa e cosa rende, i casi in cui non vale la pena farlo e le domande che dovresti portare a uno specialista prima di impegnare capitale. La base fisica è l'ASHRAE Handbook; i test prestazionali dei serbatoi di accumulo seguono le procedure di test uniformi pubblicate da IAPMO.
Leggi prima questo quando ti stai orientando, poi porta le domande alla fine all'ingegnere che dimensionerà il serbatoio effettivo.
Cos'è un serbatoio TES in un paragrafo
Un serbatoio TES è un accumulo di capacità di raffreddamento, non un generatore della stessa. Contiene un volume di fluido a una temperatura utile all'impianto, caricato dai refrigeratori quando c'è capacità in eccesso o energia a basso costo e scaricato verso la batteria di raffreddamento o la distribuzione quando il carico o la tariffa lo richiedono. Il serbatoio stesso non raffredda; disaccoppia il momento in cui il raffreddamento viene prodotto dal momento in cui viene utilizzato.
Per un data centre il valore è duplice. Operativamente supporta l'impianto durante una perturbazione della rete o un arresto di un refrigeratore per i minuti o le ore che la massa termica può coprire, ed economicamente consente ai refrigeratori di funzionare di notte o durante la tariffa fuori punta per riempire il serbatoio, per poi ridurre o evitare la domanda elettrica di punta durante il giorno. Il serbatoio è il tampone tra i refrigeratori e il carico nel tempo, e non solo nella portata come fa un serbatoio tampone.
Le tre architetture
Tre architetture dominano. L'accumulo stratificato di acqua refrigerata è il più semplice: un serbatoio alto d'acqua caricato freddo in basso e caldo in alto, separato da una termoclina, così l'impianto preleva acqua fredda dal fondo e restituisce acqua calda in cima. Funziona con un modesto salto di temperatura di pochi gradi e utilizza acqua comune come mezzo.
L'accumulo di ghiaccio sfrutta il calore latente di fusione: una densità energetica per volume molto maggiore dell'acqua, realizzato come ghiaccio su serpentina dove il ghiaccio si forma attorno ai tubi in cui scorre la salamoia, oppure come raccoglitore dinamico che produce e accumula il ghiaccio separatamente. L'accumulo con materiale a cambiamento di fase si colloca tra i due, utilizzando un sale o un eutettico che fonde e solidifica a una temperatura scelta, offrendo accumulo latente a un punto fisso senza le temperature della salamoia molto basse richieste dal ghiaccio.
I numeri che definiscono ciascuna architettura
I numeri che definiscono ciascuna architettura sono la densità energetica e il salto di temperatura necessario. L'acqua refrigerata stratificata immagazzina circa 1,16 kWh per metro cubo per grado Celsius di delta-T (rho x cp x delta-T), quindi un'escursione di 5 °C (9 °F) fornisce circa 5,8 kWh/m3, e il serbatoio è grande ma i chiller rimangono a temperature normali dell'acqua refrigerata.
Il ghiaccio immagazzina circa 93 kWh/m3 di calore latente al punto di congelamento, quindi il serbatoio è molto più piccolo a parità di energia, ma i refrigeratori devono produrre salamoia a circa 0 °C (32 °F) o inferiore, il che comporta un costo in termini di sollevamento ed efficienza. Il materiale a cambiamento di fase immagazzina alla sua temperatura di fusione, tipicamente decine di kWh/m3, tra i due estremi. La selezione è un compromesso tra volume del serbatoio, sollevamento del refrigeratore e la temperatura che la distribuzione può accettare. La scelta raramente riguarda quale immagazzina più energia per metro cubo, perché l'impianto di solito può ricavare spazio per un serbatoio; riguarda il sollevamento del refrigeratore richiesto dall'architettura scelta e la temperatura di distribuzione che le batterie esistenti accetteranno effettivamente.
Come cambia l'impianto dei chiller
L'accumulo cambia l'impianto dei chiller permettendogli di funzionare contro il serbatoio invece che contro il carico istantaneo. In modalità di carica i chiller riempiono il serbatoio, dimensionato sul carico medio durante la finestra di carica anziché sul picco, così un impianto di chiller più piccolo o più lento può servire un carico di picco maggiore di quanto potrebbe senza accumulo.
In modalità di scarica il serbatoio fornisce parte o tutto il raffreddamento, così i chillers possono essere ridotti o fermati durante il picco o l'evento. Il controllo dell'impianto guadagna un grado di libertà: quando produrre raffreddamento rispetto a quando usarlo, deciso dalla tariffa, dal segnale della rete o dal piano di resilienza piuttosto che dalla domanda istantanea della batteria di scambio. Quella libertà è l'asset; il serbatoio è l'hardware che la contiene.
Quanto costa e quanto fa risparmiare
Quanto costa è il serbatoio, la pompa aggiuntiva e la distribuzione, e i controlli per caricarlo e scaricarlo; quanto fa risparmiare è la domanda elettrica di picco, il relativo onere di domanda e, in alcuni mercati, la capacità di evitare un generatore o ridurne il combustibile. Il ritorno è funzione della struttura tariffaria e di quanto spesso il picco viene effettivamente ridotto, non una percentuale fissa.
L'affermazione onesta è che il risparmio dipende dalla tariffa: un impianto che ha un picco forte in corrispondenza di un onere di domanda ripido recupera il serbatoio più rapidamente di uno con un profilo piatto, e un campus che necessita di resilienza durante gli eventi della rete attribuisce valore al serbatoio per la continuità che fornisce indipendentemente dalla tariffa. Quantificare sia la riduzione della domanda sia il valore della resilienza prima di impegnare il capitale, perché l'uno o l'altro di solito sostiene il caso.
Quando non ha senso
L'accumulo termico non vale la pena quando il profilo di carico è già piatto, la tariffa non prevede un addebito per la domanda che valga la pena ridurre, oppure il sito non ha spazio né tolleranza per l'innalzamento del chiller richiesto dall'architettura scelta. Un impianto che non raggiunge mai un picco rispetto a un addebito non ha nulla che il serbatoio possa livellare, e il capitale resta inattivo.
Fallisce anche quando la distribuzione non può utilizzare la temperatura di accumulo: l'acqua refrigerata stratificata richiede un delta-T che le batterie accettano, il ghiaccio richiede un impianto a salamoia che il proprietario non gestirà, e il cambiamento di fase richiede un set point che il sistema effettivamente attraversa. Se l'unico modo per utilizzare il raffreddamento accumulato è ricostruire la distribuzione, l'accumulo è il primo investimento sbagliato. Abbina l'architettura all'impianto che hai prima di dimensionare il serbatoio.
Domande da porre a uno specialista
Porta al specialista un elenco breve e specifico, così la conversazione riguarda i numeri, non le categorie. Le domande riguardano il servizio, la temperatura, lo spazio e il denaro, e ciascuna vincola l'architettura che sopravvive.
· Quale servizio deve svolgere il serbatoio: riduzione della punta di domanda, continuità operativa o entrambe, e per quanto tempo?
· Quale delta-T può effettivamente utilizzare la distribuzione, e quale sollevamento del chiller è accettabile per realizzare l'accumulo?
· Quali volume e ingombro sono disponibili sul sito, e qual è la portata della soletta o del pavimento?
· Qual è la struttura tariffaria, e quale è il costo della domanda o il valore di resilienza che il serbatoio recupererebbe?
· Quale architettura si adatta alla temperatura e allo spazio, e qual è il costo installato rispetto al valore recuperato nell'arco della vita dell'impianto?
Termini e norme chiave
Alcuni termini e standard inquadrano ogni discussione sui TES. La termoclina è il confine graduale tra acqua calda e fredda in un serbatoio stratificato; una carica completa la mantiene netta. Il calore latente di fusione è l'energia che il ghiaccio o un materiale a cambiamento di fase immagazzina a temperatura costante mentre congela o si scioglie, distinto dal calore sensibile immagazzinato da una variazione di temperatura.
I riferimenti tecnici sono l'ASHRAE Handbook - HVAC Systems and Equipment per la fisica dell'impianto e le procedure di prova uniformi IAPMO per i serbatoi di accumulo termico per come viene misurata la prestazione. Un serbatoio è specificato dalla sua capacità energetica in kWh di raffreddamento, dal suo delta-T operativo, dalle sue velocità di carica e scarica e dalla temperatura accettata dalla distribuzione; mantieni questi quattro valori su ogni disegno e la scelta dell'architettura rimane coerente.
Confronto tra architetture TES: mezzo, densità energetica, salto del chiller
WhatsApp