TES 탱크: 데이터 센터 냉각의 열 저장에 관한 빠른 참고 자료
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TES 탱크: 데이터 센터 냉각의 열 저장에 관한 빠른 참고 자료
TES 탱크는 냉각을 성층화된 냉수에 현열로, 얼음에 잠열로, 또는 상변화 물질에 잠열로 저장하며, 냉동기 플랜트가 최대 수요를 줄이거나 이벤트를 견뎌낼 수 있게 해줍니다. 올바른 아키텍처는 사용 가능한 온도 리프트, 공간, 그리고 저장 장치가 수행해야 하는 부하로부터 선택됩니다.
서론
데이터 센터 냉각 플랜트의 열에너지 저장(TES)은 냉각이 저렴하거나 풍부할 때 저장하고 부하나 요금이 요구할 때 다시 공급하는 탱크입니다. 이는 대부분의 냉각 플랜트가 최대 전력 수요를 줄이고 발전기 연료 없이 전력망 이벤트를 견뎌낼 수 있는 가장 큰 수단이며, 이미 보유한 냉동기를 교체하는 것이 아니라 함께 작동합니다.
이것은 설계 매뉴얼이 아닌 간결한 참고 자료입니다. TES 탱크가 무엇인지, 일반적으로 사용되는 세 가지 아키텍처와 각각을 정의하는 수치, 저장이 칠러 플랜트를 어떻게 재편하는지, 비용과 수익, 투자할 가치가 없는 경우, 그리고 자본을 투입하기 전에 전문가에게 가져가야 할 질문들을 알려줍니다. 물리적 근거는 ASHRAE 핸드북이며, 저장 탱크의 성능 시험은 IAPMO에서 발행한 통일 시험 절차를 따릅니다.
처음 방향을 잡을 때 이 내용을 먼저 읽고, 마지막에 있는 질문들을 실제 탱크의 용량을 산정할 엔지니어에게 가져가십시오.
한 문단으로 설명하는 TES 탱크란
TES 탱크는 냉각 용량의 저장고이지, 생성기가 아닙니다. 이는 플랜트에 유용한 온도로 유체의 일정량을 보관하며, 여유 용량이 있거나 전력이 저렴할 때 칠러에 의해 충전되고, 부하나 요금 체계가 요구할 때 냉각 코일이나 분배 시스템으로 방출됩니다. 탱크 자체는 냉각을 수행하지 않으며, 냉각이 생성되는 시점과 사용되는 시점을 분리합니다.
데이터 센터에서 그 가치는 두 가지입니다. 운영 측면에서는 열 질량이 감당할 수 있는 몇 분 또는 몇 시간 동안 전력망 교란이나 칠러 트립 상황에서 플랜트를 버티게 해주며, 경제적으로는 칠러가 야간이나 비첨두 요금 시간대에 가동되어 탱크를 채우고, 낮 동안 첨두 전력 수요를 줄이거나 회피할 수 있게 합니다. 탱크는 버퍼 탱크가 흐름에서만 그러는 것과 달리, 시간적으로 칠러와 부하 사이의 완충 역할을 합니다.
세 가지 아키텍처
세 가지 아키텍처가 주를 이룹니다. 성층 냉수 저장은 가장 단순한 방식입니다. 즉, 아래쪽은 차갑게 충전되고 위쪽은 따뜻한 물로 채워진 높은 탱크로, 온도약층에 의해 분리되어 있어 플랜트는 아래쪽에서 냉수를 끌어오고 위쪽으로 따뜻한 물을 반환합니다. 이는 몇 도 정도의 완만한 온도 상승 폭에서 작동하며 일반 물을 매체로 사용합니다.
빙축열은 융해 잠열을 이용합니다. 즉, 물보다 부피당 에너지 밀도가 훨씬 크며, 염수가 흐르는 튜브 주위에 얼음이 형성되는 아이스온코일 방식이나 얼음을 별도로 만들어 저장하는 동적 하베스터 방식으로 구축됩니다. 상변화 물질 저장은 그 중간에 위치하며, 선택된 온도에서 용융 및 응고되는 염 또는 공융물을 사용하여 얼음이 요구하는 매우 낮은 염수 온도 없이 설정점에서 잠열 저장을 제공합니다.
각 아키텍처를 정의하는 수치
각 아키텍처를 정의하는 수치는 에너지 밀도와 필요한 온도 리프트입니다. 성층 냉수는 delta-T 섭씨 1도당 입방미터당 약 1.16kWh(rho x cp x delta-T)를 저장하므로, 섭씨 5도(화씨 9도) 변동 시 약 5.8kWh/m3가 되며, 탱크는 크지만 칠러는 정상 냉수 온도에서 유지됩니다.
얼음은 어는점에서 약 93kWh/m3의 잠열을 저장하므로 동일한 에너지에 대해 탱크가 훨씬 작지만, 칠러는 0°C(32°F) 근처 또는 그 이하의 브라인을 만들어야 하므로 리프트와 효율 비용이 발생한다. 상변화 물질은 용융 온도에서 저장하며, 일반적으로 수십 kWh/m3로 두 극단 사이에 위치한다. 선택은 탱크 부피, 칠러 리프트, 그리고 분배 시스템이 수용할 수 있는 온도의 trade-off이다. 선택은 입방미터당 가장 많은 에너지를 저장하는 것이 거의 아니라—플랜트는 보통 탱크를 위한 공간을 마련할 수 있기 때문이다—선택된 아키텍처가 요구하는 칠러 리프트와 기존 코일이 실제로 수용할 분배 온도에 관한 것이다.
칠러 플랜트에 미치는 변화
저장은 칠러 플랜트가 순간 부하 대신 탱크를 대상으로 운전할 수 있게 함으로써 칠러 플랜트를 변화시킵니다. 충전 모드에서 칠러는 탱크를 채우며, 피크가 아닌 충전 시간 동안의 평균 부하에 맞춰 크기가 정해지므로, 더 작거나 느린 칠러 플랜트가 저장 없이 가능한 것보다 더 큰 피크 부하를 감당할 수 있습니다.
방전 모드에서는 탱크가 냉각의 일부 또는 전부를 공급하므로, 피크 시간이나 이벤트 발생 시 칠러를 조절하거나 정지할 수 있습니다. 플랜트 제어는 하나의 자유도를 얻게 됩니다. 즉, 언제 냉각을 생산하고 언제 사용할지를 실시간 코일 수요가 아니라 요금제, 전력망 신호 또는 복원력 계획에 따라 결정할 수 있습니다. 그 자유도가 자산이며, 탱크는 그것을 담는 하드웨어입니다.
비용과 절감 효과
비용은 탱크, 추가 펌프 및 분배 설비, 그리고 충전과 방전을 위한 제어 장치이며, 절감 효과는 피크 전력 수요, 관련 수요 요금, 그리고 일부 시장에서는 발전기를 회피하거나 연료를 줄일 수 있는 능력입니다. 수익률은 고정된 비율이 아니라 요금 구조와 피크가 실제로 얼마나 자주 깎이는지에 따라 달라집니다.
솔직히 말하면, 절감 효과는 요금제에 따라 달라집니다. 급격한 수요 요금에 맞서 피크가 크게 치솟는 플랜트는 완만한 프로파일을 가진 플랜트보다 탱크 비용을 더 빨리 회수하며, 계통 이벤트 동안 복원력을 필요로 하는 캠퍼스는 요금제와 무관하게 탱크가 제공하는 라이드스루(순간 전압 강하 대응) 가치를 높게 평가합니다. 자본을 투입하기 전에 수요 감소와 복원력 가치를 모두 정량화하세요. 둘 중 하나가 보통 사업 타당성을 뒷받침하기 때문입니다.
그것이 합리적이지 않을 때
부하 프로파일이 이미 평탄하거나, 요금제에 절감할 만한 수요 요금이 없거나, 부지에 공간이 없고 선택한 아키텍처에 필요한 칠러 리프트를 감당할 여유가 없을 때는 열 저장이 가치가 없습니다. 요금 대비 피크가 없는 플랜트는 탱크가 평탄화할 대상이 없고, 자본은 유휴 상태로 남습니다.
또한 분배 시스템이 저장 온도를 활용할 수 없을 때도 실패합니다. 성층 냉수는 코일이 허용하는 델타-T가 필요하고, 얼음은 소유자가 운영하지 않을 브라인 플랜트가 필요하며, 상변화는 시스템이 실제로 넘는 설정점이 필요합니다. 저장된 냉방을 사용하는 유일한 방법이 분배 시스템을 재구축하는 것이라면, 저장은 잘못된 첫 투자입니다. 탱크 크기를 정하기 전에 보유한 플랜트에 아키텍처를 맞추십시오.
전문가에게 가져갈 질문
전문가에게 짧고 구체적인 목록을 가져가서 대화가 범주가 아닌 숫자에 관한 것이 되도록 하세요. 질문은 의무, 온도, 공간 및 비용에 관한 것이며, 각각은 살아남는 아키텍처를 제약합니다.
· 탱크가 수행해야 하는 의무는 무엇입니까: 수요 감축, 지속 운전, 또는 둘 다이며, 얼마 동안입니까?
· 배전이 실제로 사용할 수 있는 델타-T는 무엇이며, 저장을 만들기 위해 허용 가능한 칠러 리프트는 무엇입니까?
· 현장에서 사용 가능한 부피와 설치 면적은 무엇이며, 슬래브 또는 바닥 하중 등급은 무엇입니까?
· 요금 구조는 무엇이며, 탱크가 회수할 수요 요금 또는 복원력 가치는 무엇입니까?
· 온도와 공간에 맞는 아키텍처는 무엇이며, 설치 비용 대 플랜트 수명 동안 회수된 가치는 무엇입니까?
주요 용어 및 표준
몇 가지 용어와 표준이 모든 TES 논의의 틀을 잡습니다. 온도약층은 성층 탱크에서 따뜻한 물과 차가운 물 사이의 단계적 경계이며, 완전 충전은 이를 선명하게 유지합니다. 융해 잠열은 얼음이나 상변화 물질이 고정된 온도에서 얼거나 녹을 때 저장하는 에너지로, 온도 변화에 의해 저장되는 현열과 구별됩니다.
엔지니어링 참고 자료로는 플랜트 물리학의 경우 ASHRAE Handbook - HVAC Systems and Equipment, 열 저장 탱크의 성능 측정 방식의 경우 IAPMO 열 저장 탱크 표준 시험 절차가 있습니다. 탱크는 냉방 에너지 용량(kWh), 운전 델타-T, 충전 및 방전 속도, 분배 시스템이 허용하는 온도로 규정되며, 이 네 가지를 모든 도면에 유지하면 아키텍처 선택이 정직하게 유지됩니다.
TES 아키텍처 비교: 매체, 에너지 밀도, 칠러 리프트
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