Serbatoi di accumulo di energia termica per data center: funzione, capacità e architettura
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Serbatoi di accumulo di energia termica per data center: funzione, capacità e architettura
Quando un acquirente specifica un serbatoio di accumulo di energia termica, ciò che in realtà viene acquistato è una capacità di gestione dell'energia piuttosto che un pezzo di attrezzatura. La capacità che conta è la quantità di calore che l'accumulo può assorbire e successivamente fornire, espressa in tonnellate-ora o in kWh, insieme alla differenza di temperatura di progetto e alla finestra di scarica durante la quale tale energia può essere rilasciata a una velocità utile. Riportare la capacità come volume d'acqua lascia l'acquirente incapace di confrontare un accumulo di acqua refrigerata con un accumulo di ghiaccio o un accumulo a cambiamento di fase, perché l'energia contenuta in un metro cubo differisce di un ordine di grandezza tra i diversi mezzi. Il servizio determina quindi l'architettura: il peak shaving, il ride-through e il load shifting necessitano ciascuno di una diversa configurazione di carica e scarica, di una diversa interfaccia di controllo e di un diverso volume in termini di ore anziché di minuti. Anche l'isolamento dell'accumulo non è un dettaglio secondario, poiché un guadagno termico giornaliero di pochi punti percentuali dell'energia accumulata sottrae una frazione utilizzabile della capacità durante un periodo di stazionamento.
A cosa serve realmente un accumulo di energia termica
Un accumulo di energia termica è un volume di mezzo di accumulo disposto deliberatamente il cui scopo è trattenere energia termica per un periodo di tempo e trasferirla dentro o fuori dall'impianto a una velocità che l'impianto non è in grado di fornire. L'energia viene trasferita, non creata: l'accumulo viene caricato da una fonte che altrimenti sarebbe in funzione, e scaricato in una domanda altrimenti soddisfatta per il serbatoio di accumulo di energia termica
Quella impostazione conta più dell'attrezzatura, perché è ciò che può essere confrontato tra le proposte. Una proposta che offre un volume del serbatoio senza una dichiarazione energetica e una finestra di scarica non ha dichiarato ciò che viene venduto. Una proposta che dichiara l'energia, il delta-T e le portate può essere confrontata con una su un mezzo diverso per il serbatoio di accumulo di energia termica
Capacità dichiarata come energia, non come volume
Esistono due modi per dichiarare una capacità di accumulo in termini energetici. La forma in ore di carico è la più semplice: il carico termico in tonnellate moltiplicato per le ore durante le quali viene scaricato, quindi un accumulo che trasporta 500 tonnellate di raffreddamento per 4 ore contiene 2.000 tonnellate-ora. La forma in massa è la stessa capacità attraverso il mezzo: volume per densità, calore specifico e differenza di temperatura per il serbatoio di accumulo di energia termica
La forma di massa è dove i media si separano, perché lo stesso metro cubo contiene quantità molto diverse di energia a seconda del meccanismo. L'accumulo sensibile in acqua è limitato dalla differenza di temperatura su cui il circuito può operare. L'accumulo latente nel ghiaccio in fusione aggiunge il calore di fusione a una temperatura fissa, quindi una piccola variazione immagazzina comunque una grande quantità di energia per il serbatoio di accumulo di energia termica
Espressione della capacità | Formula | Cosa fissa | Valore illustrativo |
Forma in ore di carico | Carico termico in tonnellate per ore di scarica | L'energia che l'accumulo deve fornire | 500 tonnellate per 4 ore = 2.000 tonnellate-ora |
Forma della massa sensibile | Volume per densità, calore specifico e delta-T | La quantità di mezzo per una data energia | 100 m3 a 5 K danno circa 2.900 kWh |
Forma di massa latente | Massa per calore di fusione al punto di transizione | La quantità di mezzo a un punto fisso | Il ghiaccio a 334 kJ/kg per tonnellata fornisce circa 335 kWh |
Frazione utilizzabile | Volume del guscio per la frazione che i media possono raggiungere | La penalità per una stratificazione imperfetta | Una capacità utilizzabile del 90 percento conserva il 90 percento dell'energia |
Tre funzioni che producono tre diversi accumuli
Il peak shaving, il ride-through e il load shifting appaiono simili dall'esterno perché tutti e tre coinvolgono un serbatoio su un sistema ad acqua refrigerata, e differiscono in ciò che viene richiesto al serbatoio durante l'evento. Il peak shaving mira al contributo dell'impianto a un picco di domanda: l'accumulo si scarica mentre tale contributo è massimo per il serbatoio di accumulo di energia termica
La capacità implicata da ciascun servizio differisce nel tipo, non solo nella dimensione, e così anche la modalità di guasto. Un accumulo per peak shaving non caricato in tempo non contribuisce nulla al picco. Un accumulo per ride-through non alla giusta temperatura non sostiene il carico durante l'interruzione. Un accumulo per load shifting che perde troppo per guadagno termico statico non ha più energia da scaricare per il serbatoio di accumulo di energia termica
Scegliere tra acqua refrigerata, ghiaccio e mezzi a cambiamento di fase
Il mezzo determina la temperatura che l'accumulo può fornire e la velocità con cui può essere caricato e scaricato. L'accumulo di acqua refrigerata è il più semplice: l'accumulo è l'acqua refrigerata stessa, il delta-T del circuito stabilisce la densità energetica e le velocità sono le portate del circuito. Può fornire solo una temperatura superiore al punto di fusione del ghiaccio per il serbatoio di accumulo di energia termica
L'accumulo di ghiaccio estende l'intervallo verso il basso perché il cambiamento di fase avviene a una temperatura fissa e l'energia immagazzinata non è limitata da un delta-T. Il costo è un circuito di congelamento e uno di fusione, la gestione del ghiaccio, una maggiore escursione termica tra gli stati di carica e scarica e una logica di controllo più complessa. I materiali a cambiamento di fase si collocano tra i due, immagazzinando calore latente a una temperatura di transizione scelta per il serbatoio di accumulo di energia termica
Carica, mantenimento e scarica: architettura e interfaccia di controllo
Ogni accumulo termico funziona in tre modalità e l'interfaccia di controllo deve definirle tutte e tre. In modalità di carica l'accumulo accetta calore dall'impianto, sia perché l'impianto ha capacità in eccesso sia perché la tariffa rende l'energia economica. In modalità di mantenimento l'accumulo è isolato e conserva la sua energia. In modalità di scarica cede calore al circuito, con connessioni separate dove le modalità richiedono portate diverse per il serbatoio di accumulo termico
L'interfaccia di controllo determina se l'accumulo funziona in pratica. Il controllore dell'impianto deve sapere quando l'accumulo è disponibile, quanta energia contiene e a quale portata può erogarla, e il controllore dell'accumulo deve sapere cosa sta facendo l'impianto. Questo scambio è un insieme di segnali definiti: un'indicazione di stato, una disponibilità di carica, una disponibilità di scarica, l'energia immagazzinata o i sensori di temperatura, e i segnali di autorizzazione per il serbatoio di accumulo termico
La stratificazione e la capacità utilizzabile che ne deriva
In un accumulo di acqua refrigerata la capacità utile non è il volume del serbatoio. È la frazione del serbatoio che l'accumulo può effettivamente raggiungere con l'acqua nel corretto stato termico, e tale frazione è determinata da quanto bene l'accumulo mantiene i propri strati. L'acqua fredda caricata dall'alto cade attraverso l'acqua più calda sottostante e spinge l'acqua calda verso l'alto per il serbatoio di accumulo di energia termica
Questo ha un effetto diretto sull'aritmetica energetica, ed è l'effetto più spesso assente da una proposta. Un accumulo specificato sul volume del serbatoio presuppone che l'intero volume sia disponibile al delta-T di progetto. Una stratificazione imperfetta fornisce un volume utile inferiore, quindi la carenza si manifesta come una carenza energetica allo scarico anziché come un serbatoio mancante. La specifica deve indicare la capacità utile per il serbatoio di accumulo di energia termica
Isolamento e apporto di calore come perdita di capacità
Ogni accumulo termico perde calore attraverso il suo involucro, il suo tetto e le sue tubazioni, e tale perdita va direttamente a scapito dell'energia immagazzinata. La perdita è proporzionale alla superficie, alla differenza tra la temperatura dell'accumulo e quella ambiente e alla conduttanza dell'isolamento, quindi scala con la geometria che determina la capacità. Il rapporto tra superficie e volume decide se la perdita è un errore di arrotondamento o una frazione significativa per il serbatoio di accumulo di energia termica
L'effetto si esprime più chiaramente come percentuale di perdita giornaliera. Se un accumulo perde un guadagno termico giornaliero pari a una piccola percentuale della sua energia immagazzinata, un lungo periodo di stazionamento sottrae quella percentuale ogni giorno, e l'accumulo fornisce meno di quanto gli è stato caricato. Un accumulo caricato nel fine settimana per una scarica lunedì mattina perde tre giorni di guadagno termico in stazionamento per il serbatoio di accumulo di energia termica
Affidabilità e condizioni di guasto che contano
Un accumulo termico ha più modi di guastarsi rispetto a un serbatoio senza alcun compito associato, perché ha componenti interni attivi, un'interfaccia di controllo e uno stato immagazzinato che può degradarsi. Le condizioni di guasto contro cui vale la pena progettare sono la perdita di stratificazione, il guasto di una sonda di temperatura o di livello, una valvola che si blocca e il guasto dell'impianto ausiliario che movimenta l'acqua per il serbatoio di accumulo di energia termica
La perdita di stratificazione è un guasto graduale che si manifesta come una carenza di capacità anziché come un allarme, ed è per questo che la capacità utilizzabile deve essere verificata mediante una prova. Una sonda guasta rimuove le informazioni da cui dipende la sequenza di controllo, e il comportamento corretto è uno stato di fallback definito. Una valvola bloccata in posizione aperta lascia l'accumulo collegato al circuito per il serbatoio di accumulo di energia termica
Accumulo termico rispetto ai compiti di tamponamento, e la checklist delle specifiche
I due compiti sono separati nel modo più chiaro dalla scala temporale e dall'unità in cui ciascuno è misurato. Un serbatoio tampone è misurato in galloni o metri cubi per tonnellata e dimensionato in minuti. Un accumulo termico è misurato in tonnellate-ora e dimensionato in ore, con un delta-T di progetto e una finestra di scarica. Un tampone è un semplice recipiente; un accumulo necessita di componenti interni e stratificazione per il serbatoio di accumulo di energia termica
La specifica deve quindi fissare il compito e l'unità prima di fissare un volume. Essa indica il compito in ore e in termini di tariffa o interruzione, l'energia in tonnellate-ora e kWh insieme al volume, il delta-T di progetto e i fluidi, le velocità di carica e scarica, il periodo di mantenimento e la perdita di calore di progetto, e la capacità utilizzabile con il suo metodo di verifica per il serbatoio di accumulo di energia termica
· Il compito in ore: riduzione dei picchi, continuità operativa o spostamento del carico, e il suo evento per il serbatoio di accumulo di energia termica
· L'energia in tonnellate-ora e kWh, e il delta-T di progetto o il punto di transizione per il serbatoio di accumulo di energia termica
· Il mezzo e lo stato fisico che contiene per il serbatoio di accumulo di energia termica
· La velocità di carica, la velocità di scarica e la finestra di scarica per il serbatoio di accumulo di energia termica
· Il periodo di sosta e la perdita di calore di progetto per il serbatoio di accumulo di energia termica
· La capacità utilizzabile, indicata separatamente dal volume del guscio per il serbatoio di accumulo di energia termica
· Il metodo di verifica della capacità utilizzabile per il serbatoio di accumulo di energia termica
· I segnali dell'interfaccia di controllo tra l'accumulo e il controllore dell'impianto per il serbatoio di accumulo di energia termica
· Stati sicuri definiti per guasti della sonda, della valvola e dell'alimentazione ausiliaria per il serbatoio di accumulo di energia termica
· Vincoli del sito su ingombro, accesso, capacità della gru e installazione per il serbatoio di accumulo di energia termica
Caso di studio del progetto
Riferimento di consegna per questo incarico, citato dalla libreria di progetto verificata. Livello di corrispondenza C. Una consegna in vetro-fuso-acciaio di grande volume citata come prova della capacità produttiva. La libreria verificata non contiene alcun progetto di accumulo di energia termica o di accumulo refrigerato per data centre, pertanto questo articolo non lo utilizza per dimostrare le prestazioni di stratificazione o la capacità di accumulo, come dettagliato per il serbatoio di accumulo di energia termica.
ID progetto | Paese | Prodotto | Capacità | Numero di serbatoi | Dimensioni | Completamento | Ambito di fornitura |
NAM-POT-44900-B | Namibia | Serbatoio bullonato in vetro-fuso-acciaio (GFS) | 44.900 m3 | 4 | φ41,26 × 8,4 m (H) per serbatoio | 2022-09 | Non registrato |
Una fornitura in grandi volumi in vetro fusione-acciaio citata come prova della capacità produttiva. La libreria verificata non contiene alcun progetto di accumulo di energia termica o di accumulo refrigerato per data center, quindi questo articolo non la utilizza per dimostrare le prestazioni di stratificazione o la capacità di accumulo, come dettagliato per il serbatoio di accumulo di energia termica.
Domande frequenti
D1. Cosa acquista effettivamente un acquirente quando specifica l'accumulo termico?
L'acquirente acquista la capacità di contenere una quantità di energia termica e di spostarla nel tempo. La capacità di gestione dell'energia è il prodotto; il serbatoio è il contenitore che la fornisce. Una proposta basata sul volume d'acqua non può essere confrontata con una proposta di accumulo di ghiaccio, anche se entrambe soddisfano lo stesso requisito per il serbatoio di accumulo di energia termica
D2. Perché la capacità è espressa in energia anziché in volume?
Perché lo stesso volume contiene quantità di energia molto diverse in mezzi diversi. L'accumulo sensibile in acqua è limitato dal delta-T su cui il circuito può operare. L'accumulo latente nel ghiaccio in fusione aggiunge il calore di fusione a una temperatura fissa, quindi una piccola variazione immagazzina comunque una grande quantità, come dettagliato per il serbatoio di accumulo di energia termica.
D3. A quali tre funzioni serve l'accumulo termico?
Peak shaving, ride-through e load shifting. Il peak shaving riduce il contributo dell'impianto a un picco di domanda e ricarica al di fuori del picco. Il ride-through sostiene il carico attraverso un'interruzione definita. Il load shifting sposta il consumo in un periodo tariffario più economico. Differiscono nelle ore coinvolte, quindi la funzione deve essere fissata prima per il serbatoio di accumulo di energia termica
D4. Come si scelgono l'acqua refrigerata, il ghiaccio e i mezzi a cambiamento di fase?
L'acqua refrigerata è la soluzione più semplice e contiene la minor quantità di energia per metro cubo, limitata dal delta-T del circuito. Il ghiaccio estende l'intervallo di temperatura verso il basso perché il cambiamento di fase avviene a una temperatura fissa, al costo di un circuito di congelamento e scioglimento e di una maggiore logica di controllo, come dettagliato per il serbatoio di accumulo di energia termica.
D5. Come si presenta l'architettura di carica, mantenimento e scarica?
La modalità di carica accetta calore dall'impianto, la modalità di mantenimento isola l'accumulo e trattiene l'energia, e la modalità di scarica eroga calore nel circuito. La disposizione deriva dalle modalità, con connessioni separate dove le portate o le temperature differiscono. L'interfaccia di controllo deve definire lo stato dell'accumulo, i segnali di disponibilità e i dati dei sensori per il serbatoio di accumulo di energia termica
D6. In che modo la stratificazione e la capacità utilizzabile sono correlate?
La capacità utilizzabile è la frazione del guscio che l'accumulo può raggiungere con acqua nello stato termico richiesto, non il volume del guscio. Una geometria del diffusore scadente, una portata di carica elevata o connessioni posizionate male rimescolano gli strati, e la carenza si manifesta come un deficit energetico in fase di scarica anziché come un serbatoio mancante per il serbatoio di accumulo di energia termica
D7. In che modo il guadagno di calore attraverso l'isolamento riduce la capacità?
Le perdite di calore attraverso l'involucro, il tetto e le tubazioni derivano dall'energia immagazzinata e sono proporzionali alla superficie, alla differenza di temperatura e alla conduttanza dell'isolamento. Espresse come percentuale di perdita giornaliera, un periodo di sosta di più giorni ne rimuove una quota pari a più giorni, e il serbatoio di accumulo termico fornisce meno di quanto gli è stato caricato
D9. Quali sono le condizioni di affidabilità e di guasto?
Quelle significative sono la perdita di stratificazione, che si manifesta come un deficit di capacità anziché come un allarme; una sonda di temperatura o di livello guasta, che rimuove informazioni necessarie alla sequenza di controllo; una valvola bloccata in posizione aperta, che lascia il serbatoio collegato al circuito; e la perdita dell'impianto ausiliario. Ognuna richiede uno stato sicuro per il serbatoio di accumulo termico
D10. Come si confrontano l'accumulo termico e le funzioni di tampone?
Un serbatoio tampone è misurato in galloni o metri cubi per tonnellata e dimensionato in minuti; attenua un transitorio su un breve intervallo ed è un recipiente idraulicamente semplice. Un accumulo termico è misurato in tonnellate-ora e dimensionato in ore; sposta energia attraverso un periodo tariffario e necessita di componenti interni, stratificazione e un comportamento in caso di guasto per il serbatoio di accumulo di energia termica
D10. Cosa contiene una lista di controllo delle specifiche di capacità e servizio?
Dieci voci: il servizio dichiarato in ore con l'evento a cui serve; l'energia in tonnellate-ora e kWh con il delta-T di progetto o la temperatura di transizione; i fluidi e lo stato fisico mantenuto; la velocità di carica, la velocità di scarica e la finestra; il periodo di mantenimento e la perdita di calore; la capacità utile dichiarata separatamente dal volume del guscio; il metodo di verifica; il per il serbatoio di accumulo di energia termica
L'accumulo di energia termica dovrebbe essere specificato come capacità in tonnellate-ora con un delta-T di progetto dichiarato, una finestra di scarica dichiarata e una perdita di calore a riposo dichiarata, perché una specifica espressa in termini di volume non consente il confronto tra un accumulo di acqua refrigerata, un accumulo di ghiaccio e un accumulo a cambiamento di fase, e perché il carico in ore è ciò che effettivamente distingue le tre applicazioni. Il corollario è che la capacità utile, la perdita durante il periodo di riposo e il comportamento in caso di guasto devono essere dichiarati insieme al dato energetico, poiché è in questi tre aspetti che si trova la differenza tra una capacità dichiarata e una capacità effettivamente erogata. Un accumulo specificato in questo modo può essere confrontato tra le proposte e verificato rispetto al suo carico in fase di collaudo, cosa che un accumulo specificato in termini di volume non può fare per un serbatoio di accumulo di energia termica
Parla con un ingegnere
Per un serbatoio di accumulo di energia termica, indicare la potenza che l'accumulo deve fornire e l'evento che copre, il carico termico in tonnellate e le ore coinvolte, le temperature dell'acqua refrigerata in mandata e ritorno e il delta-T disponibile, la portata di scarica desiderata e la finestra temporale, i mezzi in esame, il periodo di stazionamento tra carica e scarica, le condizioni ambientali del sito, l'ingombro e i vincoli di gru e accesso, e il sistema di controllo con cui l'accumulo deve interfacciarsi. Restituiremo uno studio di capacità che indica l'energia in tonnellate-ora e kWh, la quantità di mezzo e il volume del mantello, la capacità utile e il requisito di stratificazione, la perdita di calore di progetto durante il periodo di stazionamento, la sequenza di carica e scarica e il comportamento in caso di guasto da inserire nella specifica.
Informazioni su Center Enamel
Shijiazhuang Zhengzhong Technology Co., Ltd (Center Enamel) è un produttore professionale dedicato alla progettazione e fabbricazione di serbatoi di stoccaggio bullonati dal 2008. La gamma di prodotti comprende serbatoi in vetro-acciaio (GFS), serbatoi in epossidica fusa a legame (FBE), serbatoi in acciaio inossidabile, serbatoi in acciaio zincato e coperture a cupola geodetica in alluminio, insieme al supporto tecnico EPC e agli accessori per serbatoi. La produzione è conforme alle norme ISO 9001, ISO 14001 e ISO 45001, e la gamma di prodotti è certificata NSF/ANSI 61, WRAS, CE e EN 1090, ISO 28765, AWWA D103-09 e NFPA ove l'applicazione lo richieda. L'azienda detiene quasi 200 brevetti sulla smaltatura, gestisce una base produttiva di 150.000 m2, produce circa 300.000 lastre in acciaio smaltato all'anno, ha completato più di 30.000 progetti installati e ha spedito serbatoi in più di 100 paesi. La capacità di progettazione ingegneristica copre volumi di serbatoi fino a 60.000 m3, come dettagliato per i serbatoi di accumulo di energia termica.
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