データセンター向け熱エネルギー貯蔵タンク：役割、容量、アーキテクチャ
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データセンター向け蓄熱タンク：負荷、容量、アーキテクチャ
バイヤーが蓄熱タンクを指定するとき、実際に購入しているのは機器そのものではなく、エネルギー処理能力である。重要なのは、蓄熱槽が吸収し、後に供給できる熱量であり、トン時またはkWhで表され、設計温度差および、そのエネルギーを有効な速度で放出できる放熱時間帯とともに示される。容量を水の体積として報告すると、バイヤーは冷水蓄熱槽と氷蓄熱槽または相変化蓄熱槽を比較できなくなる。なぜなら、1立方メートルに蓄えられるエネルギーは媒体間で桁違いに異なるからである。次に負荷がアーキテクチャを決定する。ピークシェービング、ライドスルー、負荷シフトはそれぞれ異なる充放熱の構成、異なる制御インターフェース、そして分ではなく時間単位で異なる体積を必要とする。蓄熱槽の断熱も二次的な細部ではない。なぜなら、蓄えられたエネルギーの数パーセントに相当する日々の熱取得は、放置期間中に容量の使用可能な一部を失わせるからである。
蓄熱の実際の目的
蓄熱とは、意図的に配置された蓄熱媒体の体積であり、その目的は熱エネルギーを一定期間保持し、プラントが供給できない速度でプラントへ、またはプラントから移動させることです。エネルギーは移動されるものであり、生成されるものではありません。蓄熱は、そうでなければ稼働している供給源から充填され、蓄熱タンクに対して他の方法では満たされない需要へ放出されます
その枠組みは設備よりも重要です。なぜなら、それが提案間で比較できるものだからです。タンク容量を提示しても、エネルギー量と放熱時間帯の記載がなければ、何を販売しているのかを述べたことになりません。エネルギー量、デルタT、流量を明記した提案は、蓄熱タンクの異なる媒体を用いた提案とも比較できます。
容量は体積ではなくエネルギーで示す
蓄熱容量をエネルギー量で示す方法は2つあります。負荷時間方式が最も簡単です。冷熱負荷をトンで表し、それを放熱する時間を掛けるので、500トンの冷熱を4時間保持する蓄熱槽は2,000トン時を蓄えます。質量方式は同じ容量を媒体を通じて表します。すなわち、蓄熱タンクの体積×密度×比熱×温度差です。
質量形態は媒体が分離する場所です。なぜなら、同じ立方メートルでもメカニズムによって保持できるエネルギー量が大きく異なるからです。水への顕熱貯蔵は、ループが動作できる温度差によって制限されます。融解氷への潜熱貯蔵は、一定温度で融解熱を付加するため、小さな温度変動でも蓄熱タンクに大量のエネルギーを貯蔵できます
容量の表現 | 計算式 | それが固定するもの | 例示値 |
負荷時間形式 | トン単位の熱負荷に放電時間を乗じたもの | 蓄熱槽が供給しなければならないエネルギー | 4時間で500トン＝2,000トン時 |
顕熱質量の形態 | 体積×密度、比熱、ΔT | 与えられたエネルギーに対する媒体量 | 5 Kで100 m3は約2,900 kWh |
潜熱質量形態 | 質量に転移点での融解熱を乗じたもの | 固定点における媒体量 | 氷は1トンあたり334 kJ/kgで約335 kWh |
有効利用率 | 殻体積に媒体が到達できる割合を乗じたもの | 不完全な成層化によるペナルティ | 90パーセントの有効容量はエネルギーの90パーセントを保持する |
3つの異なる貯蔵を生み出す3つの役割
ピークシェービング、ライドスルー、負荷シフトは、いずれも冷水システム上のタンクを伴うため、外見上は似て見えますが、イベント中にタンクに求められる役割が異なります。ピークシェービングは、需要ピークに対するプラントの寄与分を対象とします。蓄熱タンクは、その寄与分が最大になる間に放熱します。
各デューティが意味する容量は、大きさだけでなく種類も異なり、故障モードも同様に異なります。ピークシェービング用の蓄熱槽は、時間内に蓄熱されなければピーク時に何も貢献できません。ライドスルー用の蓄熱槽は、適切な温度でなければ停電中に負荷を支えられません。負荷シフト用の蓄熱槽は、定常熱取得による損失が大きすぎると、蓄熱タンクへの放熱に使えるエネルギーが残りません。
冷水、氷、相変化媒体の選択
媒体は、蓄熱システムが供給できる温度と、充放電できる速度を決定します。冷水蓄熱は最もシンプルです。蓄熱媒体は冷水そのものであり、ループのデルタTがエネルギー密度を設定し、速度はループの流量によって決まります。ただし、蓄熱タンクとしては氷の融点を超える温度しか供給できません
氷蓄熱は、相変化が一定の温度で起こり、蓄えられるエネルギーがデルタTに制限されないため、供給温度の範囲を下方に広げます。その代償として、凍結回路と融解回路、氷の取り扱い、充電状態と放電状態の間のより大きな温度変動、そしてより多くの制御ロジックが必要になります。相変化材料はその中間に位置し、蓄熱タンク用に選定された転移温度で潜熱を蓄えます
充電、保持、放電：アーキテクチャと制御インターフェース
すべての蓄熱装置は3つのモードで動作し、制御インターフェースはその3つすべてを定義する必要があります。充電モードでは、プラントに余剰容量があるか、料金体系によりエネルギーが安価であるため、蓄熱装置はプラントから熱を受け入れます。保持モードでは、蓄熱装置は隔離され、エネルギーを保持します。放電モードでは、蓄熱装置はループに熱を供給し、蓄熱タンクの熱エネルギー貯蔵にモードごとに異なる流量が必要な場合には別々の接続を持ちます
制御インターフェースが、蓄熱装置が実際に機能するかどうかを決定します。プラントコントローラーは、蓄熱装置がいつ利用可能か、どれだけのエネルギーを保持しているか、どの流量で供給できるかを知る必要があり、蓄熱装置コントローラーはプラントが何をしているかを知る必要があります。そのやり取りは、定義された一連の信号です。すなわち、状態表示、充電可否、放電可否、蓄積エネルギーまたは温度センサー、および蓄熱タンクの許可信号です
成層化とそれが残す有効容量
冷水貯蔵槽では、有効容量は槽の容積ではありません。それは、水が適切な熱状態にあるときに貯蔵槽が実際に到達できる槽の割合であり、その割合は貯蔵槽が層をどれだけうまく維持するかによって決まります。上部に投入された冷水は、その下のより暖かい水を通って落下し、温水を押し上げて熱エネルギー貯蔵タンクとします
これはエネルギーの計算に直接影響を及ぼすものであり、提案書で最も見落とされがちな影響です。槽の容積に基づいて仕様が決められた貯蔵槽は、設計デルタTにおいて全容積が利用可能であると仮定しています。不完全な成層は有効容積を小さくするため、その不足分はタンクの欠落としてではなく、放熱時のエネルギー不足として現れます。仕様には熱エネルギー貯蔵タンクの有効容量を明記する必要があります
容量損失としての断熱と入熱
すべての蓄熱体はその外殻、屋根、配管を通じて熱を失い、その損失は蓄えられたエネルギーから直接差し引かれます。損失は表面積、蓄熱体温度と周囲温度の差、断熱材の熱伝導率に比例するため、容量を決める形状に応じてスケールします。表面積と体積の比率が、その損失が丸め誤差程度なのか、蓄熱タンクにとって重大な割合なのかを決定します
その影響は日次損失率として最も明確に表されます。蓄熱体が蓄えられたエネルギーの小さな割合に等しい日次熱取得を失う場合、長期間の放置によって毎日その割合が失われ、蓄熱体は充填された量よりも少ないエネルギーしか供給できません。月曜日の朝の放熱のために週末に充填された蓄熱体は、蓄熱タンクにとって3日間の放置熱取得を失います
信頼性と重要な故障条件
蓄熱は、負荷のないタンクよりも故障する方法が多くあります。なぜなら、能動的な内部機構、制御インターフェース、そして劣化する可能性のある蓄積状態を備えているからです。設計時に考慮すべき故障条件は、成層の喪失、温度プローブまたはレベルプローブの故障、固着するバルブ、そして蓄熱タンクの水を移動させる補助プラントの故障です
成層の喪失は、アラームではなく容量不足として現れる漸進的な故障であり、そのため使用可能容量はテストによって検証する必要があります。プローブの故障は制御シーケンスが依存する情報を失わせ、正しい動作は定義されたフォールバック状態です。バルブが開いたまま固着すると、蓄熱タンクの蓄熱がループに接続されたままになります
バッファ負荷と比較した蓄熱、および仕様チェックリスト
2つの役割は、タイムスケールとそれぞれが測定される単位によって最も明確に分けられます。バッファタンクはガロンまたはトン当たりの立方メートルで測定され、分単位でサイズ設定されます。蓄熱槽はトン時で測定され、設計デルタTと放熱ウィンドウを伴い、時間単位でサイズ設定されます。バッファは単純な容器です。蓄熱槽には蓄熱タンク用の内部構造と成層化が必要です
したがって、仕様は容量を定める前に役割と単位を確定しなければなりません。役割は時間と料金または中断の条件で示し、エネルギーはトン時とkWhで容量と併記し、設計デルタTと媒体、充放電速度、待機期間と設計熱損失、および蓄熱タンク用の検証方法を伴う有効容量を定めます
· 時間単位の役割：ピークシェービング、ライドスルーまたは負荷シフト、および蓄熱タンク用のそのイベント
· トン時およびkWh単位のエネルギー、ならびに蓄熱タンクの設計デルタTまたは転移点
· 蓄熱タンクの媒体およびその物理的状態
· 蓄熱タンクの充填率、放熱率、および放熱ウィンドウ
· 蓄熱タンクの放置期間および設計熱損失
· 蓄熱タンクの有効容量（シェル容積とは別に記載）
· 蓄熱タンクの有効容量を検証する方法
· 蓄熱タンクの蓄熱装置とプラントコントローラ間の制御インターフェース信号
· 蓄熱タンクのプローブ、バルブ、および補助電源障害に対する定義済み安全状態
· 蓄熱タンクの設置面積、アクセス、クレーン能力、および設置に関するサイト制約
プロジェクトケーススタディ
本業務の参考納品事例。検証済みプロジェクトライブラリからの引用。マッチレベルC。製造能力の証拠として引用された大容量のガラス融着鋼製納品。検証済みライブラリには熱エネルギー貯蔵またはデータセンター冷却貯蔵プロジェクトが含まれていないため、本記事では熱エネルギー貯蔵タンクについて詳述されている層化性能や貯蔵容量の実証には使用していない。
プロジェクトID | 国 | 製品 | 容量 | タンク数 | 寸法 | 完成 | 供給範囲 |
NAM-POT-44900-B | ナミビア | ガラス融着鋼（GFS）ボルト締めタンク | 44,900 m3 | 4 | φ41.26 × 8.4 m（高さ）／タンク | 2022-09 | 記録なし |
製造能力の証拠として引用された大量のガラス融着鋼製タンクの納入実績。検証済みライブラリには熱エネルギー貯蔵やデータセンターの冷水貯蔵プロジェクトが含まれていないため、本記事では熱エネルギー貯蔵タンクについて詳述されているように、成層性能や貯蔵容量を実証するためにこれを使用していない。
よくある質問
Q1. 蓄熱を指定する際、買い手は実際に何を購入するのか？
買い手は、一定量の熱エネルギーを保持し、それを時間的に移動させる能力を購入する。エネルギー処理能力が製品であり、タンクはそれを届ける容器である。水量ベースの提案は、たとえ両方が熱エネルギー貯蔵タンクの同じ責務を満たしていても、氷蓄熱の提案と比較することはできない。
Q2. なぜ容量は体積ではなくエネルギーで表されるのか？
同じ体積でも媒体によって保持できるエネルギー量は大きく異なります。水の顕熱蓄熱は、ループが運用できる温度差によって制限されます。融解氷の潜熱蓄熱は一定温度で融解熱を加えるため、小さな温度変動でも大量の熱を蓄えられます。これは蓄熱タンクについて詳述されているとおりです。
Q3. 蓄熱はどの3つの役割を担いますか？
ピークシェービング、ライドスルー、ロードシフトです。ピークシェービングは需要ピークに対するプラントの寄与を減らし、ピーク外で再充電します。ライドスルーは定義された中断期間中に負荷を維持します。ロードシフトは消費をより安価な料金期間へ移します。これらは関与する時間数が異なるため、蓄熱タンクではまず役割を確定する必要があります。
Q4. 冷水、氷、相変化媒体はどのように選択されますか？
冷水は最もシンプルで、ループのデルタTによって制限され、立方メートルあたりのエネルギーは最も少なくなります。氷は相変化が固定温度で起こるため、温度範囲を下方に拡張しますが、その代償として凍結・融解回路とより多くの制御ロジックが必要となります。これは蓄熱タンクについて詳述した通りです。
Q5. 充電、保持、放電のアーキテクチャはどのようなものですか？
充填モードはプラントからの熱を受け入れ、保持モードは蓄熱槽を隔離してエネルギーを保持し、放出モードは熱をループへ供給します。構成は各モードに従い、流量や温度が異なる箇所では別々の接続を設けます。制御インターフェースは、蓄熱槽の状態、可用性信号、および蓄熱槽のセンサーデータを定義する必要があります
Q6. 成層化と有効容量はどのように関係しますか？
有効容量とは、蓄熱槽の殻の体積ではなく、必要な熱状態の水で蓄熱槽が到達できる殻の割合です。ディフューザーの形状が不適切であったり、充填流量が速すぎたり、接続位置が悪かったりすると層が混合し、その不足は蓄熱槽が失われるのではなく、放出時のエネルギー不足として現れます
Q7. 断熱による入熱はどのように容量を減少させますか？
シェル、屋根、配管を通じた熱取得は蓄えられたエネルギーから消費され、表面積、温度差、断熱コンダクタンスに比例します。日次損失率として見ると、数日間の放置期間でその数日分が失われ、蓄熱タンクは充填された熱エネルギー量よりも少ない量しか供給できません
Q8. 信頼性と故障条件は何ですか？
重要なものは、警報ではなく容量不足として現れる成層の喪失、制御シーケンスに必要な情報を失わせる温度プローブまたは液位プローブの故障、ストアをループに接続したままにする開固着したバルブ、補機プラントの喪失です。それぞれに蓄熱タンクの安全状態が必要です
Q9. 蓄熱とバッファの役割はどのように比較されますか？
バッファタンクはガロンまたはトン当たり立方メートルで測定され、分単位でサイズ設定されます。短い間隔での過渡変動を平滑化し、水力学的にシンプルな容器です。蓄熱槽はトン時で測定され、時間単位でサイズ設定されます。料金期間をまたいでエネルギーをシフトし、内部構造、成層化、および蓄熱槽の故障時挙動が必要です
Q10. 容量と負荷仕様のチェックリストには何が含まれますか？
10項目：対応する事象を伴う時間で示された負荷、設計デルタTまたは転移温度を伴うトン時およびkWhでのエネルギー、媒体と保持される物理的状態、充電率・放電率・時間枠、待機期間と熱損失、シェル容積とは別に示される有効容量、検証方法、蓄熱槽のためのもの
熱エネルギー貯蔵は、設計デルタT、放熱ウィンドウ、および定常熱損失を明記した上で、トン時単位の容量として指定すべきである。なぜなら、体積用語での仕様は、冷水貯蔵、氷貯蔵、相変化貯蔵の間で比較できず、また時間単位の負荷こそが実際に这三つの用途を区別するからである。その帰結として、有効容量、定常期間中の損失、および故障挙動はエネルギー数値と併記されなければならない。なぜなら、これら三つこそが、公称容量と実供給容量の間の差異が見出される箇所だからである。このように指定された貯蔵は、提案間で比較でき、試運転時にその負荷に対して検証できるが、体積用語で指定された貯蔵は熱エネルギー貯蔵タンクにおいてそれができない。
エンジニアに相談する
蓄熱タンクについて、蓄熱設備が担うべき負荷とその対象となる事象、トン単位の熱負荷と対象時間、冷水の供給・還水温度と利用可能なデルタT、希望する放熱速度と時間帯、検討中の媒体、蓄熱と放熱の間の待機期間、設置場所の周囲条件、設置面積・クレーン・アクセスの制約、および蓄熱設備が接続すべき制御システムをお送りください。こちらからは、トン時およびkWhで表したエネルギー、媒体量とシェル容積、有効容量と成層要件、待機期間中の設計熱損失、蓄熱・放熱のシーケンス、および仕様書に記載すべき故障時の挙動を示した容量検討結果をご返却します。
Center Enamelについて
石家荘正忠科技有限公司（Center Enamel）は、2008年からボルト締め貯蔵タンクの設計と製造に専念している専門メーカーです。製品範囲には、ガラス融着鋼（GFS）タンク、溶融結合エポキシ（FBE）タンク、ステンレス鋼タンク、亜鉛メッキ鋼タンク、アルミニウムジオデシックドーム屋根が含まれ、EPC技術サポートとタンク付属品も提供しています。生産はISO 9001、ISO 14001、ISO 45001の下で行われ、製品範囲は用途に応じてNSF/ANSI 61、WRAS、CE、EN 1090、ISO 28765、AWWA D103-09、NFPAの認証を取得しています。同社は約200件の琺瑯特許を保有し、150,000 m2の生産拠点を運営し、年間約300,000枚の琺瑯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か国以上にタンクを出荷しています。エンジニアリング設計能力は、蓄熱タンクについて詳述されているように、最大60,000 m3のタンク容量をカバーしています。
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