Serbatoi di accumulo di energia termica per data center: confronto tra acqua, ghiaccio e PCM
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Serbatoi di accumulo di energia termica per data center: confronto tra acqua, ghiaccio e PCM
L'acqua refrigerata è la soluzione a minor rischio per la maggior parte dei siti. I serbatoi di accumulo di energia termica per data center che contengono acqua immagazzinano circa 1,16 kWh per metro cubo per kelvin, ovvero circa 7 kWh/m3 con un delta di 6 K prima delle perdite. Il ghiaccio offre una densità diverse volte superiore a parità di volume, ma aggiunge raccolta, sbrinamento e un circuito indiretto. I PCM si collocano tra i due e di solito costano di più per chilowattora utilizzabile. I serbatoi d'acqua operano a pressione prossima a quella atmosferica, con isolamento, controllo della stratificazione e pratiche di fabbricazione mature. I serbatoi di accumulo di energia termica per data center sono specificati in tre mezzi - acqua refrigerata, ghiaccio e materiale a cambiamento di fase - e ciascun mezzo modifica l'involucro, non solo il numero di recipienti.
Le densità dei rack continuano ad aumentare, e con esse la quota di energia del sito spesa per allontanare il calore dal carico IT. I chiller sono dimensionati per l'ora peggiore, non per quella media, e quell'ora determina sia il costo delle apparecchiature sia l'onere di domanda. L'accumulo di energia termica sposta il raffreddamento nelle ore a basso costo: l'impianto funziona a pieno regime fuori picco, riempie un serbatoio e affronta il picco pomeridiano con il freddo accumulato.
Tre mezzi mantengono quel freddo. L'acqua refrigerata in un serbatoio isolato a stratificazione è il progetto di riferimento. Il ghiaccio, formato su serpentine o raccolto da una macchina all'interno di un serbatoio d'acqua, aumenta l'energia per metro cubo. I materiali a cambiamento di fase incapsulati mirano allo stesso obiettivo con una transizione da solido a liquido. Tutti e tre riducono il tonnellaggio di picco del refrigeratore; nessuno di essi riduce i kilowattora totali del sito, e ciascuno modifica il layout, i controlli e il piano di manutenzione.
Questo confronto esamina le cifre che determinano l'approvvigionamento dei serbatoi di accumulo di energia termica per i data center: capacità per metro cubo, costo per kilowattora utilizzabile, quale frazione di freddo immagazzinato può essere prelevata e come ciascuna soluzione si comporta in condizioni di manutenibilità concorrente.
Cosa immagazzinano realmente le tre soluzioni
La densità di stoccaggio determina la dimensione del serbatoio. Per un serbatoio di liquido, la capacità segue `Q = V x rho x cp x dT`. L'acqua a circa 1000 kg/m3 e 4,186 kJ/kg.K contiene 4,186 MJ per metro cubo per kelvin, circa 1,163 kWh/m3.K. Alla comune banda di 6 K da 6 °C a 12 °C ciò corrisponde a circa 7 kWh/m3.
Il ghiaccio scambia la variazione di massa con il calore latente. Il congelamento a 334 kJ/kg immagazzina molto più per unità di massa rispetto al raffreddamento sensibile, quindi un serbatoio a serpentina avvolta o a raccolta di pari ingombro contiene diverse volte il freddo di un serbatoio d'acqua. Il cortocircuito termico attraverso lo strato di ghiaccio consuma silenziosamente questo vantaggio tra un ciclo e l'altro.
Il PCM si colloca tra i due, dietro uno scambiatore di calore. I sali o le paraffine incapsulati cambiano fase a una temperatura fissa e sono normalmente mantenuti dietro un circuito intermedio, che trattiene una frazione del calore latente per metro cubo una volta contati l'involucro e l'area di trasferimento.
Queste tre densità determinano la dimensione del serbatoio per l'accumulo di energia termica nei data center. L'acqua richiede il maggior numero di metri cubi per la stessa funzione, il ghiaccio il minor numero, il PCM una via di mezzo.
1. Acqua: costo più basso per kWh, serbatoio più grande, allacciamento diretto al chiller in molte progettazioni.
2. Ghiaccio: compatto, indiretto e una temperatura di approccio più elevata alla batteria.
3. PCM: da compatto a medio, con elementi di incapsulamento e separazione di fase da monitorare.
Costo di capitale, ingombro e layout dell'impianto
Il volume del serbatoio è il costo visibile; il resto dell'impianto è quello silenzioso. Un serbatoio d'acqua necessita di un guscio isolato, bocchettoni di ingresso e uscita, un diffusore, una pompa e controlli. Ghiaccio e PCM aggiungono un pacchetto scambiatore di calore, un circuito di fluido secondario e, nel caso del ghiaccio, una sequenza di sbrinamento che attinge dal serbatoio mentre è in funzione.
L'ingombro determina la scelta nei campus compatti. Dove esiste un parco serbatoi disponibile, l'accumulo d'acqua vince sul costo per chilowattora immagazzinato in ogni categoria operativa. Dove l'area della soletta è fissa ma esiste altezza del locale macchine, ghiaccio o PCM sono giustificati anche a un costo per kWh più elevato, perché l'alternativa è un secondo edificio per i refrigeratori.
La variazione delle condizioni di pressione modifica l'ambito strutturale. Un serbatoio d'acqua a pressione quasi atmosferica è al di fuori del confine di pressione, quindi gli ugelli e le aperture sono progettati solo per il carico idraulico. Le macchine per il ghiaccio pressurizzate operano a pressione positiva e portano con sé il recipiente, il suo rinforzo e il suo regime di ispezione.
· Acqua refrigerata: costo capitale più basso per chilowattora utilizzabile, ingombro maggiore, nessun circuito indiretto in molte soluzioni progettuali.
· Ghiaccio: da due a quattro volte il costo capitale di un serbatoio d'acqua, ingombro compatto, circuito indiretto sempre presente.
· PCM: costo capitale da medio ad alto, ingombro da compatto a medio, circuito indiretto sempre presente.
Efficienza utilizzabile, perdite e prelievo
L'efficienza di carica e scarica differisce. Un serbatoio d'acqua perde una piccola parte del contenuto al giorno attraverso l'isolamento e la miscelazione, e i progettisti applicano il 70-90 percento della teoria per la capacità utilizzabile dopo stratificazione, cortocircuito e perdite di miscelazione.
Il ghiaccio perde a causa del cortocircuito termico. Il calore che attraversa l'involucro scioglie il ghiaccio che non era mai stato caricato per l'uso, quindi l'impianto deve sovraccaricare. La qualità dell'isolamento e la geometria del serbatoio determinano tale tasso.
Il PCM perde sul lato del trasferimento. La bassa conduttività nello strato di cambiamento di fase limita la potenza di carica e scarica per area superficiale piuttosto che per volume, quindi dimensionare per la portata di picco aumenta il serbatoio ed erode il guadagno di densità.
Percorso | Densità teorica | Quota utilizzabile | Meccanismo di perdita principale |
Acqua refrigerata | ~1,16 kWh/m3.K | 70-90 percento | Collasso della stratificazione, perdita ambientale |
Ghiaccio | Diverse volte l'acqua | 60-85 percento della carica | Cortocircuito termico, prelievo di sbrinamento |
PCM | Fascia media | 60-80 percento del latente | Trasferimento limitato dalla conduzione, separazione |
Funzionamento, manutenzione e comportamento in caso di guasto
I sistemi ad acqua si guastano lentamente e visibilmente. La stratificazione si erode, i diffusori si sporcano e un ritorno in sovratemperatura rimescola il serbatoio. La chimica è quella che l'impianto già utilizza: biocida, inibitore, controllo del calcare e pulizia periodica.
Gli impianti a ghiaccio presentano una lista di problemi meccanici. L'incrostazione delle serpentine, la formazione di ponti di ghiaccio, l'inceppamento delle valvole di sbrinamento e le perdite del circuito si ripetono, tutti all'interno di un recipiente isolato, il che rende l'accesso difficoltoso.
PCM aggiunge elementi di stabilità del materiale. Il danneggiamento dell'incapsulante, la segregazione negli idrati salini e il fouling dello scambiatore richiedono ciascuno un punto di monitoraggio attivo dal primo giorno. In pratica, registrare la temperatura di ingresso e uscita, il livello e la velocità del diffusore per il serbatoio dell'acqua, la frequenza di sbrinamento e la frazione di ghiaccio per l'impianto del ghiaccio, e la potenza di carica e scarica con la deriva della banda di fase per lo skid PCM.
Specifica tecnica
Voce | TES ad acqua refrigerata | TES a ghiaccio | TES a PCM |
Mezzo di accumulo | Acqua, da 5-7 a 12-14 °C | Ghiaccio in acqua, serpentina o harvest | Sali o paraffine incapsulati |
Formula della capacità | Q = V x rho x cp x dT | m x 334 kJ/kg, meno shorting | m x calore latente, meno penalità HX |
Banda utilizzabile | Delta di 5-7 K | Punto di fusione vicino a 0 °C | Temperatura di cambiamento di fase fissa |
Condizione di pressione | Vicino alla pressione atmosferica | Bassa pressione positiva | Da atmosferica a bassa pressione |
Isolamento | Lana minerale, rivestimento in alluminio | Parete più pesante, sigillo al vapore | Lana minerale, sigillo al vapore |
Scambiatore di calore | Non sempre richiesto | Sempre | Sempre |
Potenza di scarica di picco | Ugello, pompa e diffusore | Area superficiale della serpentina | Percorso e area di conduzione |
Ambito del guscio | I serbatoi di accumulo di energia termica per i data center utilizzano lo stesso ambito di guscio, rivestimento e isolamento di qualsiasi grande serbatoio d'acqua atmosferico | ||
Riferimenti di progettazione | Prassi AWWA D103, guida ASHRAE DC9 | Prassi del serbatoio, specifica della macchina | Prassi del serbatoio, specifica del materiale |
Caso Progetto
Campo | Valore |
Progetto | Stoccaggio acqua potabile in Namibia (P-A) |
Prodotto | 01 Serbatoio in acciaio vetrificato |
Capacità | 44.900 m3 totali |
Dimensioni | 4 serbatoi, diametro 41,26 m, altezza 8,4 m |
Completamento | Settembre 2022 |
Mentre i nostri progetti di riferimento consegnati nel settore idrico e delle acque reflue includono questo ambito potabile, l'ambito TES per data center è progettato secondo gli stessi standard. Quattro serbatoi bullonati da 41,26 m di diametro dimostrano il numero di pannelli, il diametro del mantello e la sequenza di assemblaggio in cantiere richiesti da un grande serbatoio atmosferico per acqua. I serbatoi di accumulo di energia termica per data center ereditano lo stesso ambito del mantello quando il mezzo è acqua e il serbatoio rimane vicino alla pressione atmosferica.
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.
Requisito medio rispetto a quello del guscio
· Acqua, ghiaccio e PCM impongono ciascuno un requisito diverso per il guscio: l'acqua necessita di volume e isolamento, il ghiaccio necessita di una serpentina o di un collettore interno, il PCM necessita di un fascio di capsule che il serbatoio deve ospitare geometricamente.
· Il primo passo a minor rischio è un guscio atmosferico riempito d'acqua dimensionato in base alla curva del carico di raffreddamento, perché lascia invariata la progettazione idraulica e di controllo rispetto all'impianto di base.
· Le nostre consegne di cisterne d'acqua, guidate dal progetto Namibia da 44.900 m³, sono il precedente diretto per un accumulo a base d'acqua.
Domande frequenti
D1: L'accumulo di ghiaccio batte sempre l'acqua refrigerata sul costo?
R1: No. Il ghiaccio contiene più freddo per metro cubo, quindi il serbatoio è più piccolo, ma il pacchetto macchina, la sequenza di sbrinamento e il circuito indiretto aumentano il costo installato per chilowattora utilizzabile. Con terreno disponibile, l'acqua offre il ritorno più breve.
D2: Quale volume di serbatoio mi serve per otto ore di peak shaving?
R2: Dimensionare prima i chilowattora accumulati: carico in kW per ore di spostamento, diviso per il fattore utilizzabile, poi diviso per la densità del mezzo scelto. A 6 K, l'acqua offre circa 7 kWh/m3 prima del fattore 70-90 percento.
D3: Un serbatoio TES ad acqua è utile durante un'interruzione di corrente?
A3: Aiuta. La copertura fredda immagazzinata protegge l'impianto mentre generatori e unità UPS si avviano, e un serbatoio atmosferico eroga flusso senza un'alimentazione in pressione. I progettisti lo accreditano con un tempo di funzionamento autonomo definito, non un tempo di esecuzione illimitato.
D4: Un serbatoio del ghiaccio o PCM può essere collegato a un impianto esistente di acqua refrigerata?
R4: Sì, come isola indiretta con il proprio scambiatore e circuito. L'interfaccia è costituita da una coppia di connessioni e un segnale di controllo, quindi i refrigeratori esistenti mantengono la loro interfaccia d'impianto dietro il nuovo accumulo.
D5: Quale materiale sopporta meglio la scarsa qualità dell'acqua?
R5: Un rivestimento interno in smalto applicato in fabbrica o epossidico fuso mantiene il mantello fuori dal contatto con l'acqua accumulata, quindi la chimica influisce sul lato acqua piuttosto che sull'acciaio. Entrambi sono riparabili in campo per un serbatoio aperto per ispezione ogni pochi anni.
D6: Qual è la perdita in standby su un serbatoio isolato?
R6: Un serbatoio atmosferico ben isolato perde una piccola frazione di carica al giorno, reintegrata nel ciclo successivo. Lo spessore dell'isolamento, la tenuta al vapore e i dettagli di supporto contano più del materiale del mantello.
D7: Vale la pena eseguire prima un test pilota PCM?
A7: La maggior parte degli operatori testa un serbatoio su una sala non critica per registrare la potenza di carica e scarica, la deriva della banda di fase e il fouling, il che risponde alla domanda se la temperatura di cambiamento di fase corrisponde all'acqua di ritorno.
Le tre soluzioni immagazzinano il freddo in modo diverso, e solo una è economica per chilowattora. L'acqua ha il costo di capitale più basso, l'interfaccia idraulica più semplice e il più consolidato storico di manutenzione, pagato in volume. Il ghiaccio compra la compattezza con un costo più alto e parti in movimento. Il PCM offre una fascia di temperatura regolabile e la paga in area di scambio e gestione dei materiali. Dove il terreno è disponibile e la finestra è lunga, il serbatoio d'acqua è la risposta di riferimento, e gli altri due si giustificano per l'ingombro piuttosto che per la termodinamica.
Parla con un ingegnere
Invia il carico della sala in kW, la finestra di accumulo in ore, le temperature di mandata e ritorno del chiller e la disposizione dell'impianto disponibile per un serbatoio. Restituiremo un calcolo dimensionale in metri cubi, i kilowattora utilizzabili dopo il fattore di stratificazione e perdita, e le specifiche di ugelli, diffusori e isolamento. Per un confronto tra mezzi, richiedi lo stesso calcolo per ghiaccio e PCM, così la scelta si basa sulla capacità utilizzabile, non sulla densità nominale.
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