データセンターの熱エネルギー貯蔵タンク：冷熱貯蔵が冷却効率を向上させる仕組み
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データセンター用熱エネルギー貯蔵タンク：冷熱貯蔵が冷却効率をどのように改善するか
データセンター用熱エネルギー貯蔵タンクは、オフピーク時間帯に製造された冷水を貯蔵し、ピーク時間帯に放出するため、チラーの負荷は時間ごとのIT発熱を追従するのではなく、安定した高効率の負荷で運転されます。有効温度差4～7 K、現実的な有効率70～90%で、1基の成層型タンクは数時間分の冷却負荷を担い、チラーが停止した際に運用者へ明確なライドスルー時間を提供します。タンクは冷熱を生成するのではなく、その冷熱を時間的に移動させるものです。
ハイパースケールのホールでは、IT負荷曲線はかなり平坦である一方、冷却プラントはより高温の設計日を想定してサイジングされている。しかし、実測負荷はほとんどの時間帯でその上限をはるかに下回るため、プラントは低部分負荷で運転しながらも、ラックがもたらす急速な熱スパイクをすべて吸収している。
多くの料金体系では、kWh単位のエネルギーだけでなくkW単位のピーク需要にも課金されるため、ITのあらゆるスパイクを追いかけるプラントは、消費したキロワット時ではなくスパイクに対して支払うことになる。チラーが停止したとき、上昇する戻り温度とシャットダウンの間に残る唯一のものは、配管内にまだ留まっている水だけである。
データセンター用蓄熱槽は、ピーク時に冷却をより多く生成するのではなく、時間的に移行することで両方の問題に対処する。以下では、この容器が何であるか、系統内のどこに位置するか、どのようにサイジングするか、そしてどの運転モードがその支出を正当化するかについて説明する。
データセンター用蓄熱槽とは何か
供給温度に保たれた断熱された冷水の容積であり、需要がチラーの設定供給能力を超えるたびにプラントループに戻される。内部で冷凍を行っているわけではない。
· 貯蔵であり、生成ではない。チラーがすでに支払ったエネルギーを保持するため、より大きなチラープラントと比較することは、資本を需要電力料金と部分負荷ペナルティと比較することになる。
· プラントの高効率点で充填される。オフピーク時間帯にはチラーがほぼ全負荷で運転し、容積が満たされる間に4～6 °Cの水を生成するため、チラーが午後のIT負荷曲線を追従することはない。
· 同じ帯域内で放熱される。タンクから出る供給水は通常6～8 °Cであるため、チラー流と混合してもループがIT機器の許容温度を超えることはない。
· 有限の持続時間であり、自律性ではありません。4ピーク時間用にサイズ設定されたタンクは、想定負荷の下で4時間を提供し、その持続時間を明示することが、信頼できる熱エネルギー貯蔵タンクデータセンター調査の第一歩です。
冷却チェーンにおけるタンクの位置
データセンター用の蓄熱タンクは、通常、チラープラントと分配ヘッダーの間の共通配管に接続され、チラーの後ろではなくチラーと並列に配置されます。この配置により、制御ロジック、バルブ構成、引き渡し時のプラント挙動が確定します。
· チラーループと分配ループ。それぞれが隔離弁と逆止弁を通じて共通配管に供給し、分配側のポンプセットが制御で選択された任意の組み合わせから取水することで、タンクを蒸発器圧力から独立させます。蓄熱タンクをチラーの上流に配置し、蒸発器の前で還水と放熱を混合する方式もありますが、その場合はシステム全流量がタンクを通過するという代償があります。
· 引き継ぎ、バイパス、充填および排水。ロジックは隔離弁が開く前にチラーの設定値を変更すべきであり、それにより供給温度が低下したり回復したりしないようにする。プラントにはサービスバイパス、充填およびベント経路、およびドレンも必要である。なぜなら、空にできないタンクは検査できないからである。
サイジング：IT負荷からタンク容量まで
容量は判断の問題ではなく、負荷、温度差、およびカバーする時間から導かれる。
1. 負荷と流量を求める。貯蔵に割り当てられたIT熱負荷をループのΔTで割る。7 Kの5 MWホールには約615 m³/hが必要である。
2. エネルギー方程式を適用する。Q = V × ρ × cp × ΔT、水のcp ≈ 4.186 kJ/kg·Kおよびρ ≈ 1000 kg/m³で、1立方メートルあたり1ケルビンあたり約1.163 kWh、したがって6 Kの有効ΔTで理論上1 m³あたり約7 kWhとなる。
3. 有効率を適用します。混合、周囲からの熱取得、ショートサーキットにより理論値の一部が失われます。設計者は70～90%を見込み、背の高い槽でディフューザーの配置が悪い場合は低い方の数値を想定します。
4. 容器に変換します。使用可能なエネルギーを負荷率と時間で割り、実用的な直径とシェル高さに丸めます。
タンクを正当化する運転モード
完全貯蔵はオフピーク時に充電し、ピーク時にプラントを停止させ、最大の需要削減と最大の容量をもたらします。1日の始めに満タン、終わりに空になります。ライドスルーはTier IIIまたはTier IVのケースに対応し、メンテナンスのためにチラーを停止することが計画外にならないようにします。
技術仕様
インターフェース項目は、貯蔵プロジェクトにおけるエンジニアリング変更の大部分を生み出します。
項目 | 代表値または選択肢 | 駆動装置 |
容器境界 | 大気圧式現場組立、またはシステム圧力境界内 | シェル厚さ、ノズル定格、リリーフ |
有効ΔT | 4-7 K、一般的には6 K（5 °C～11 °C） | 立方メートル当たりの貯蔵エネルギー |
蓄熱および放熱温度 | 4-6 °C 充填、6-8 °C 吐出 | IT入口バンドと混合マージン |
使用可能割合 | 理論値の70-90% | 総容積 |
入口流速 | ディフューザー通過時 0.5～1 m/s | 成層品質 |
ノズルと計器のリスト | 充填、排出、戻り、充填、ベント、ドレン、レベル、マンホール | バルブ数とアクセス |
断熱 | ミネラルウール、耐候バリア、連続クラッディング | 定常熱取得 |
基礎 | 支持部の熱橋詳細を備えたリングビームまたはパッド | シェル登録と凍結詳細 |
プロジェクト事例
当社が納入した水・廃水部門の参考実績には、下記の4シェル設置など、現場で建設された大口径ボルト締めタンクが含まれており、データセンターTESの範囲も同じ基準で設計されています。
プロジェクト事例概要
プロジェクト | 製品 | 容量 | 寸法 | 完了 |
ナミビア - 飲料水貯蔵（P-A） | 01 GFSボルト締めガラス融着鋼タンク | 総容量44,900 m³、4基のタンク | 4 × φ41,260 mm × 8,400 mm | 2022年9月 |
これらのシェルはエナメルコーティングされたパネルとして工場を出荷され、個別のコースとして輸送され、現場でリングごとに組み立てられました。その組み立て手順とホリデーテストが、冷却側の容器に受け継がれるものです。
センターエナメルのエンジニアリング能力
センターエナメル（石家荘正中科技有限公司）は、2008年からボルト締め貯蔵タンクの設計と製造を行っています。中国初のガラス融着鋼（GFS）タンクメーカーとして、同社は約200件のエナメル関連特許を保有し、年間約30万枚のエナメルコーティング鋼板を生産し、30,000件以上の設置プロジェクトを完了し、100カ国以上にタンクを供給しています。生産能力を高めるために新たに150,000 m²の生産拠点が追加され、単一タンクは最大60,000 m³まで供給可能です。製造はISO 9001およびISO 45001の下で運用され、製品認証にはNSF/ANSI 61、WRAS、FDA、LFGB、CE（EN 1090）、ISO 28765、FM、BSCI、EUROCODEが含まれ、用途に応じてAWWA D103-09、AWWA C550、NFPAを参考に設計されています。
貯蔵シェルと水質
· ガラス融着鋼製シェルは820～930°Cで琺瑯加工され、琺瑯層は0.25～0.45 mm、付着力3450 N/cm²、1500 V DCホリデーテスト、Ra 0.8 µm以下であり、内部表面を十分に平滑に保ち、低寄生圧力損失で安定した温度成層を維持します。
· 大気圧式バルク冷水サービスはAWWA D103-09設計ルートおよびISO 28765工場生産管理の対象であり、水が飲用グレードのシステム流体として分類される場合はNSF/ANSI 61およびWRASが適用されます。
· 大口径・大容量大気圧水タンクに関する当社の参考実績には、2022年9月に完成したナミビア飲用水スキームの4 × φ41.26 m × 8.4 mタンク、総計44,900 m³が含まれます。
よくある質問
Q1: データセンターの熱エネルギー貯蔵タンクは、購入するチラーの台数を減らしますか？
A1: 完全貯蔵時のみです。プラントがピーク時にチラーを完全に停止する場合、平均負荷に基づいてサイズ設計でき、ピーク負荷に基づく必要はありません。部分貯蔵またはライドスルー設計では、チラーはそのサイズを維持し、タンクがピークの一部をカバーします。
Q2: 経済的に意味のある貯蔵時間は何時間ですか？
A2: ほとんどのプロジェクトは2～6ピーク時間の間に収まります。2時間未満ではタンクは単純なバッファベッセルと競合し、資本が便益から分離しません。およそ6時間を超えると、容積と設置面積が増大する一方で、立方メートル当たりの節約額は減少します。
Q3: タンクは冷水システムの圧力境界内に設置できますか？
A3: 可能ですが、大容量の場合には大気圧式のフィールド組立容器が一般的です。これは肉厚とノズル設計がシンプルに保たれ、シェルを内部から検査できるためです。ポンプ吐出側では圧力境界に接続され、その後、仕様書の設計圧力と温度に基づいて肉厚、開口部、リリーフが計算されます。
Q4: チラーが停止し、それに伴いポンプも停止した場合、何が起こりますか？
A4: 背の高い断熱タンクは数時間でほとんど熱を失いません。実際のリスクは混合です。循環が停止している間に暖かい戻り水がまだ流入すると、温度成層が上方に移動し、使用可能な冷水が熱収支から示唆されるよりも速く減少します。満水のタンクは、部分的に放水されたタンクよりも長く冷熱を保持します。
Q5: 静置された冷水には特別な処理が必要ですか？
A5: はい。滞留した冷水は生物の繁殖や、酸素が存在する場合の炭素鋼付属品の腐食を引き起こしやすいため、殺生物剤、pH管理、定期点検は試運転計画に含めるべきであり、ライニングはプラントが既に運用している処理プログラムに適合するものでなければなりません。
データセンターの熱エネルギー貯蔵タンクは、チラープラントをIT負荷の瞬間的な排熱需要から切り離します。有効温度差を選定し、現実的な有効率を用いてエネルギー方程式を適用し、吐出流量をループポンプ容量と照合してください。需要電力量料金が商業的根拠を支配する場合は明確であり、チラーの停止が本来は計画外となる場合には、信頼性の根拠がそれを支えます。
有効容量を満たすタンクとそうでないタンクを分けるのは、入口流速、ディフューザーの配置、支持部における断熱の連続性、引き渡し時の制御ロジックといった細部です。
エンジニアに相談
IT負荷曲線、往還温度、料金体系、プロットエリアをお送りください。弊社はお客様とともにタンク容量計算を進め、提案された形状に対して保証する有効割合を示し、直径、ストレート高さ、ノズルリスト、断熱厚さ、コーティング選定を含む仕様書を返却いたします。チラー発注がまだ未確定の場合は、発注前にTES統合についてご相談ください。接続配置が制御ロジックの大部分を決定するためです。
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