データセンター向け蓄熱タンク：水、氷、PCMの比較
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データセンター向け熱エネルギー貯蔵タンク：水、氷、PCMの比較
冷水はほとんどのサイトにとって最もリスクの低い経路である。データセンター用の蓄熱タンクは水を貯蔵する場合、1立方メートルあたり1ケルビンあたり約1.16 kWhを蓄え、損失前で6 Kの温度差においておよそ7 kWh/m3となる。氷は同じ体積でその数倍の密度が得られるが、採取、除霜、および間接ループが追加される。PCMはその中間に位置し、通常は使用可能なキロワット時あたりのコストが高くなる。水タンクはほぼ大気圧で運用され、断熱、成層制御、製作手法が成熟している。データセンター用の蓄熱タンクは冷水、氷、相変化材料の3つの媒体で規定され、各媒体はタンクの数だけでなくシェルを変える。
ラック密度は上昇し続けており、それに伴いIT負荷から熱を移動させるために消費されるサイトエネルギーの割合も増えています。チラーは平均時間ではなく最悪時間に合わせてサイジングされ、その時間が設備費とデマンド料金の両方を決定します。熱エネルギー貯蔵は冷却を安価な時間帯に移します。プラントはオフピーク時に全力運転してタンクを満たし、午後のピークを貯蔵された冷熱で乗り切ります。
3つの媒体がその冷熱を保持する。成層型断熱タンク内の冷水が基準設計である。コイル上に形成される氷、または水タンク内で機械により収穫される氷は、立方メートルあたりのエネルギーを高める。カプセル化相変化材料は、固相から液相への転移によって同じ目標を目指す。3つすべてがピーク時のチラートン数を削減するが、いずれもサイト全体のキロワット時を削減するものではなく、それぞれがレイアウト、制御、保守計画を変える。
この比較は、データセンター用蓄熱タンクの調達を決定づける数値、すなわち立方メートルあたりの容量、使用可能キロワット時あたりのコスト、貯蔵冷熱のうち取り出せる割合、そして各方式が同時保守性の下でどのように挙動するかを検討する。
3つの方式が実際に貯蔵するもの
貯蔵密度がタンクサイズを決めます。液体タンクの場合、容量は `Q = V x rho x cp x dT` に従います。約1000 kg/m3、4.186 kJ/kg.Kの水は、1立方メートルあたり1ケルビンあたり4.186 MJ、およそ1.163 kWh/m3.Kを保持します。6 degCから12 degCまでの一般的な6 Kの幅では、約7 kWh/m3になります。
氷は質量変化を潜熱と引き換えにします。334 kJ/kgでの凍結は、顕熱冷却よりも単位質量あたりはるかに多くを貯蔵するため、同じ設置面積のラップコイルまたはハーベストタンクは、水タンクの数倍の冷熱を保持します。氷層を通る熱ショートは、サイクル間でその利点を静かに食いつぶします。
PCMは両者の中間に位置し、熱交換器の背後にあります。カプセル化された塩またはパラフィンは固定温度で相変化し、通常は中間ループの背後に保持され、シェルと伝熱面積を数えると、1立方メートルあたりの潜熱の一部を保持します。
これら3つの密度が、データセンター向け熱エネルギー貯蔵タンクの容器サイズを決定します。同じ負荷に対して、水は最も多くの立方メートルを必要とし、氷は最も少なく、PCMはその中間です。
1. 水：kWhあたりのコストが最も低く、タンクが最大で、多くの設計でチラーに直接接続できます。
2. 氷：コンパクト、間接的、そしてコイルでのより高いアプローチ温度。
3. PCM：コンパクトから中程度、カプセル化と相分離の項目に注意。
資本コスト、設置面積、プラントレイアウト
タンク容量は目に見えるコストであり、バランスオブプラントは静かなコストです。水タンクには断熱シェル、入口と出口のノズル、ディフューザー、ポンプ、制御装置が必要です。氷とPCMは熱交換器パッケージ、二次流体ループを追加し、氷の場合は運転中にタンクから引き出す除霜シーケンスも追加します。
設置面積は狭いキャンパスでのルートを決定します。予備のタンクファームが存在する場合、水蓄熱はすべての運用カテゴリーで蓄えられたキロワット時あたりのコストで勝ります。スラブ面積が固定されているが機械室の高さがある場合、氷またはPCMはkWhあたりのコストが高くても正当化されます。なぜなら、代替案は第二のチラービルだからです。
圧力条件は構造的範囲を変える。ほぼ大気圧の水タンクは圧力境界の外側にあるため、ノズルと開口部は水圧荷重のみを考慮して設計される。加圧式製氷機は正のゲージ圧で動作し、容器、その補強、および検査体制を伴う。
· 冷水：使用可能なキロワット時あたりの資本コストが最も低く、設置面積が最も大きく、多くの設計で間接ループがない。
· 氷：水タンクの2～4倍の資本コスト、コンパクトな設置面積、常に間接ループあり。
· PCM：中～高資本コスト、コンパクト～中程度の設置面積、常に間接ループあり。
有効効率、損失、取り出し
充填効率と放熱効率は異なります。水タンクは断熱と混合により内容物の一部を1日あたり少量失い、設計者は成層化、ショートサーキット、混合損失後の有効容量として理論値の70～90パーセントを適用します。
氷は熱ショートサーキットにより損失が生じます。外殻を通過する熱が、使用のために充填されていない氷を融解させるため、プラントは過剰に充填する必要があります。断熱品質と容器形状がその速度を決定します。
PCMは伝熱側で損失が生じます。相変化層の低い熱伝導率により、充填および放熱出力は体積ではなく表面積によって制限されるため、ピークレートに合わせたサイズ設計は容器を大きくし、密度利得を損ないます。
方式 | 理論密度 | 有効割合 | 主な損失メカニズム |
冷水 | ~1.16 kWh/m3.K | 70-90パーセント | 成層崩壊、周囲漏れ |
氷 | 水の数倍 | 充電量の60-85パーセント | 熱短絡、除霜引き出し |
PCM | 中範囲 | 潜熱の60-80パーセント | 伝導律速移動、分離 |
運用、保守および故障挙動
水システムはゆっくりと目に見える形で故障する。成層は侵食され、ディフューザーは汚れ、過温度戻り水がタンクを混合する。化学処理はプラントが既に運用しているものと同じである：殺生物剤、腐食抑制剤、スケール制御、および定期的な洗浄。
アイスプラントには機械的な課題リストがある。コイルスケーリング、アイスブリッジング、除霜バルブの固着、およびループ漏れが繰り返し発生し、いずれも断熱容器内で起こるため、アクセスが困難である。
PCMは材料安定性に関する項目を追加する。カプセル封止材の損傷、塩水和物の偏析、熱交換器のファウリングは、いずれも初日からリアルタイムの監視ポイントが必要である。実際には、水タンクの入口・出口温度、レベル、ディフューザー流速、アイスプラントのデフロスト頻度と氷分率、PCMスキッドの充放電電力と相帯ドリフトを記録する。
技術仕様
項目 | 冷水TES | 氷TES | PCM TES |
蓄熱媒体 | 水、5～7～12～14℃ | 水中の氷、コイルまたはハーベスト | カプセル封止された塩またはパラフィン |
容量計算式 | Q = V × ρ × cp × ΔT | m × 334 kJ/kg、ショートサーキット分を差し引く | m × 潜熱、熱交換器ペナルティを差し引く |
有効帯域 | 5～7 Kデルタ | 約0℃の融点 | 固定相変化温度 |
圧力条件 | ほぼ大気圧 | 低正圧ゲージ | 大気圧～低ゲージ圧 |
断熱 | ミネラルウール、アルミニウムクラッディング | より重い壁、防湿シール | ミネラルウール、防湿シール |
熱交換器 | 常に必要とは限らない | 常に | 常に |
ピーク放出電力 | ノズル、ポンプ、ディフューザー | コイル表面積 | 伝導経路と面積 |
シェルの範囲 | データセンター用の熱エネルギー貯蔵タンクは、大型大気圧水容器と同じシェル、コーティング、断熱の範囲を使用する | ||
設計参考資料 | AWWA D103の実務、ASHRAE DC9のガイダンス | 容器の実務、機械仕様 | 容器の実務、材料仕様 |
プロジェクトケース
フィールド | 値 |
プロジェクト | ナミビア飲料水貯蔵 (P-A) |
製品 | 01 ガラス融着鋼タンク |
容量 | 総量44,900 m3 |
寸法 | 4基のタンク、直径41.26 m、高さ8.4 m |
完成 | 2022年9月 |
当社が納入した水・廃水部門の参考プロジェクトにはこの飲用範囲が含まれますが、データセンター向けTES範囲も同じ基準で設計されています。直径41.26 mの4基のボルト締めタンクは、大型大気圧水容器に必要なパネル数、シェル直径、現場組立手順を示しています。データセンター用の熱エネルギー貯蔵タンクは、媒体が水で容器がほぼ大気圧に保たれる場合、同じシェル範囲を継承します。
Center Enamel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。生産能力を向上させるために新たに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に基づいて行われ、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。
媒体対シェル要件
· 水、氷、PCMはそれぞれ異なるシェル要件を課す：水は容積と断熱が必要、氷は内部コイルまたはヘッダーが必要、PCMはタンクが幾何学的に収容しなければならないカプセルバンドルが必要。
· 最もリスクの低い最初のステップは、冷却負荷曲線からサイズを決定した大気圧水充填シェルである。なぜなら、基礎プラントから水力および制御設計を変更せずに済むからである。
· ナミビアの44,900 m³計画に代表される当社の水タンク納入は、水ベース貯蔵の直接の先例です。
よくある質問
Q1: 氷蓄熱は常に冷水よりコストで優れていますか？
A1: いいえ。氷は立方メートルあたりにより多くの冷熱を保持するため、容器は小さくなりますが、機械パッケージ、除霜シーケンス、間接ループにより、使用可能なキロワット時あたりの設置コストが高くなります。土地が利用可能な場合、水の方が回収期間が短くなります。
Q2: 8時間のピークシェービングにはどのくらいのタンク容量が必要ですか？
A2: まず貯蔵キロワット時を計算します：負荷（kW）×シフト時間÷使用可能係数、次に選択した媒体の密度で割ります。6 Kの場合、水は70～90パーセントの係数を適用する前におよそ7 kWh/m3を提供します。
Q3: 水TESタンクは停電時に役立ちますか？
A3: それは役立ちます。貯蔵された冷水は発電機とUPSユニットが始動する間プラントをカバーし、大気圧タンクは加圧供給なしで流量を供給します。設計者はそれを無制限のランタイムではなく、定義された自律運転時間を持つものとして評価しています。
Q4: 氷蓄熱タンクまたはPCMタンクを既存の冷水プラントに接続できますか？
A4: はい、独自の熱交換器とループを備えた間接アイランドとして接続できます。インターフェースは一対の接続部と制御信号であるため、既存のチラーは新しい蓄熱設備の背後でプラントインターフェースを維持できます。
Q5: 水質が悪い場合に最も適した媒体はどれですか？
A5: 工場塗布の琺瑯または溶融結合エポキシ内装は、シェルを貯蔵水と接触させないため、化学的作用は鋼ではなく水側に影響します。どちらも数年ごとの検査のために開放されるタンクに対して現場修理が可能です。
Q6: 断熱タンクの待機損失はどのくらいですか？
A6: 十分に断熱された大気圧タンクは、1日あたり充填量のわずかな割合を失い、次のサイクルで補充されます。断熱厚さ、蒸気シーリング、支持部の詳細は、シェル材料よりも重要です。
Q7: PCMパイロットを最初に実行する価値はありますか？
A7: ほとんどの事業者は、非クリティカルなホールで1つの容器をテストし、充放電電力、相帯ドリフト、ファウリングを記録します。これにより、相変化温度が還水と一致するかどうかがわかります。
3つの経路は冷熱の貯蔵方法が異なり、1キロワット時あたりのコストが安いのは1つだけである。水は資本コストが最も低く、油圧インターフェースが最も単純で、保守記録も最も長いが、その代償は体積である。氷はコンパクトさを、より高いコストと可動部品で買っている。PCMは調整可能な温度帯を提供するが、その代償は伝熱面積と材料管理である。土地が確保でき、期間が長い場合、水タンクが基準となる答えであり、他の2つは熱力学ではなく設置面積によって正当化される。
エンジニアに相談する
ホール負荷をkWで、貯蔵ウィンドウを時間で、チラーの供給温度と戻り温度、およびタンク用に利用可能なプラントレイアウトを送ってください。温度成層と損失係数を考慮した後の有効キロワット時、およびノズル、ディフューザー、断熱仕様を含む立方メートル単位のサイジング計算をお返しします。媒体比較のために、氷とPCMについても同じ計算を依頼してください。そうすれば、選択は銘板密度ではなく有効容量に基づくものになります。
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