TESタンク：データセンター冷却における熱貯蔵のクイックリファレンス
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TESタンク：データセンター冷却における蓄熱のクイックリファレンス
TESタンクは、冷熱を成層化した冷水の顕熱、氷の潜熱、または相変化材料の潜熱として貯蔵し、チラープラントがピーク需要を削減したり、イベントを乗り切ったりすることを可能にします。適切なアーキテクチャは、利用可能な温度リフト、スペース、および貯蔵が果たすべき負荷から選択されます。
はじめに
データセンター冷却プラントにおける熱エネルギー貯蔵（TES）は、冷熱が安価または豊富なときに貯蔵し、負荷や料金体系が要求するときにそれを戻すタンクです。これは、ほとんどの冷却プラントがピーク電力需要を削減し、発電機燃料なしでグリッドイベントを乗り切るために持つ最大のレバーであり、既存のチラーを置き換えるのではなく、それと連携して機能します。
これは簡潔なリファレンスであり、設計マニュアルではありません。TESタンクとは何か、一般的に使用されている3つのアーキテクチャとそれぞれを定義する数値、蓄熱がチラープラントをどのように変えるか、コストとリターン、実施する価値がないケース、資本を投じる前に専門家に持っていくべき質問を説明します。物理的根拠はASHRAEハンドブックに基づいており、蓄熱タンクの性能試験はIAPMOが発行する統一試験手順に従います。
方向性を確認する際にまずこれを読み、最後に記載されている質問を実際のタンクのサイズを決定するエンジニアに持っていってください。
TESタンクとは何かを1段落で説明
TESタンクは冷却能力の貯蔵庫であり、冷却能力の生成装置ではありません。プラントにとって有用な温度の流体を一定量保持し、余剰能力や安価な電力があるときにチラーで充填し、負荷や料金体系が要求するときに冷却コイルや分配系へ放出します。タンク自体は冷却を行いません。冷却が生成される時間と使用される時間を切り離すのです。
データセンターにとってその価値は二重です。運用面では、熱容量がカバーできる数分から数時間の間、系統擾乱やチラーの停止をプラントが乗り切れるようにし、経済面では、チラーを夜間やオフピーク料金の時間帯に運転してタンクを充填し、日中はピーク電力需要を削減または回避できるようにします。タンクは、バッファタンクが流量において果たす役割だけでなく、時間においてチラーと負荷の間のバッファとなるのです。
3つのアーキテクチャ
3つのアーキテクチャが主流です。成層冷水蓄熱は最もシンプルです。底部が冷たく上部が温かい水を満たした高いタンクで、温度成層によって分離されており、プラントは底部から冷水を取り出し、温水を上部に戻します。数度という控えめな温度差で運用され、媒体として普通の水を使用します。
氷蓄熱は融解潜熱を利用します。これは水よりも体積あたりのエネルギー密度がはるかに大きく、ブラインが流れるチューブの周囲に氷を形成するアイス・オン・コイル方式、または氷を別途製造・貯蔵するダイナミックハーベスター方式として構築されます。相変化材料蓄熱はその中間に位置し、選定した温度で融解・凝固する塩または共晶材料を用いることで、氷が要求するような非常に低いブライン温度を必要とせずに、設定点での潜熱蓄熱を実現します。
各アーキテクチャを定義する数値
各アーキテクチャを定義する数値は、エネルギー密度と必要な温度リフトです。成層冷水は、デルタT1℃あたり1立方メートルあたり約1.16 kWh（rho x cp x delta-T）を蓄えられるため、5℃（9°F）の変動で約5.8 kWh/m3となり、タンクは大きくなりますが、チラーは通常の冷水温度のままで済みます。
氷は凝固点で約93 kWh/m3の潜熱を蓄えるため、同じエネルギー量に対してタンクははるかに小さくて済むが、チラーは0℃（32℉）付近またはそれ以下のブラインを生成する必要があり、これにはリフトと効率のコストがかかる。相変化材料はその融解温度で蓄熱し、通常は数十kWh/m3であり、両極端の中間に位置する。選択は、タンク容積、チラーのリフト、および分配システムが許容できる温度のトレードオフである。選択が立方メートルあたりの蓄エネルギー量が最も多いものはどれかという問題になることはほとんどない。なぜなら、プラントは通常タンクのためのスペースを確保できるからである。問題は、選択されたアーキテクチャが要求するチラーのリフトと、既存のコイルが実際に許容できる分配温度である。
チラープラントがどのように変わるか
蓄熱は、瞬時負荷ではなくタンクに対して運転できるようにすることで、チラープラントを変えます。蓄熱モードでは、チラーがタンクを満たします。タンクはピークではなく蓄熱時間帯の平均負荷に合わせてサイズ設定されるため、より小さく低速なチラープラントでも、蓄熱なしでは対応できない大きなピーク負荷に対応できます。
放電モードでは、タンクが冷却の一部または全部を供給するため、ピーク時やイベント時にチラーを絞るか停止することができます。プラント制御には自由度が生まれます。いつ冷却を作るか、いつそれを使うかを、実際のコイル需要ではなく、料金体系、系統信号、またはレジリエンス計画によって決定できるのです。その自由度こそが資産であり、タンクはそれを保持するハードウェアです。
コストと節約効果
コストとなるのは、タンク、追加のポンプと分配設備、そして充電と放電のための制御装置です。節約できるのは、ピーク電力需要、それに伴う需要電荷、そして一部の市場では発電機を回避したり燃料を削減したりできる能力です。投資回収は、固定された割合ではなく、料金構造とピークが実際にどれだけ頻繁に削減されるかの関数です。
正直に言えば、節約額は負荷の性質によって決まります。急峻な需要電荷に対してピークが大きく跳ね上がるプラントは、平坦なプロファイルのプラントよりも早くタンクのコストを回収できます。また、系統イベントを通じてレジリエンスを必要とするキャンパスでは、料金体系に関係なく、タンクが提供するライドスルー機能に価値を見出します。資本を投じる前に、需要削減とレジリエンス価値の両方を定量化してください。なぜなら、通常はどちらか一方が事業の正当性を支えるからです。
それが意味をなさない場合
負荷プロファイルがすでに平坦である場合、需要電力を削減する価値のある料金体系になっていない場合、または敷地にスペースがなく、選択したアーキテクチャが必要とするチラーの揚程に対する許容度がない場合、蓄熱は行う価値がありません。料金に対してピークが発生しないプラントでは、タンクが平滑化する対象がなく、資本が遊休状態になります。
また、分配システムが蓄熱温度を利用できない場合にも失敗します。成層冷水にはコイルが許容する温度差が必要であり、氷蓄熱には所有者が運転しないブライン設備が必要であり、相変化蓄熱にはシステムが実際に通過する設定点が必要です。蓄えられた冷熱を利用する唯一の方法が分配システムの再構築である場合、蓄熱は最初に投資すべきものではありません。タンクのサイズを決定する前に、アーキテクチャを既存のプラントに適合させてください。
専門家に相談すべき質問
専門家には短く具体的なリストを持参して、会話がカテゴリではなく数値についてのものになるようにしましょう。質問はデューティ、温度、スペース、コストについてであり、それぞれが生き残るアーキテクチャを制約します。
· タンクが果たすべきデューティは何か：デマンドシェーブ、ライドスルー、またはその両方で、どのくらいの時間か？
· 配電が実際に使用できるデルタTは何か、また蓄熱を実現するために許容できるチラーのリフトは何か？
· サイトで利用可能な容積とフットプリントは何か、またスラブまたは床の耐荷重定格は何か？
· 料金構造はどうなっており、タンクが回収するデマンド料金またはレジリエンス価値は何か？
· どのアーキテクチャが温度とスペースに適合するか、また設置コスト対プラント寿命全体で回収される価値はどうか？
主要用語と標準
いくつかの用語と標準が、あらゆるTESの議論の枠組みを形成しています。温度成層とは、成層タンク内の温水と冷水の間の段階的な境界であり、完全充填によってそれが鮮明に保たれます。融解潜熱とは、氷や相変化材料が凝固または融解する際に一定温度で蓄えるエネルギーであり、温度変化によって蓄えられる顕熱とは異なります。
工学上の参考文献は、プラントの物理特性についてはASHRAEハンドブック - HVACシステムと機器、性能の測定方法についてはIAPMOの蓄熱タンクに関する統一試験手順です。タンクは、冷却のkWh単位のエネルギー容量、運転デルタT、充放電速度、および分配システムが許容する温度によって仕様が定まります。これら4つをすべての図面に記載しておけば、アーキテクチャの選択は誠実なものになります。
TESアーキテクチャの比較：媒体、エネルギー密度、チラーのリフト
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