Zbiorniki TES: Szybkie odniesienie do magazynowania ciepła w chłodzeniu centrów danych
Utworzono Dzisiaj
Zbiorniki TES: Szybki przewodnik po magazynowaniu ciepła w chłodzeniu centrów danych
Zbiornik TES magazynuje chłód w postaci ciepła jawnego w warstwowej wodzie lodowatej, ciepła utajonego w lodzie lub ciepła utajonego w materiale zmiennofazowym, i pozwala instalacji chłodniczej obniżyć szczytowe zapotrzebowanie lub przetrwać zdarzenie; właściwą architekturę wybiera się na podstawie dostępnego przyrostu temperatury, przestrzeni i obciążenia, jakie magazyn musi obsłużyć.
Wprowadzenie
Magazynowanie energii cieplnej (TES) w instalacji chłodniczej centrum danych to zbiornik, który magazynuje chłód, gdy jest tani lub dostępny w nadmiarze, i oddaje go, gdy wymaga tego obciążenie lub taryfa. Jest to największa dźwignia, jaką dysponuje większość instalacji chłodniczych do obniżania szczytowego zapotrzebowania na energię elektryczną i do przetrwania zdarzenia sieciowego bez paliwa do generatorów, a działa z posiadanymi już chillerami, zamiast je zastępować.
To zwięzłe źródło referencyjne, a nie podręcznik projektowania. Wyjaśnia, czym jest zbiornik TES, jakie są trzy powszechnie stosowane architektury i jakie liczby definiują każdą z nich, jak magazynowanie zmienia układ chłodniczy, ile to kosztuje i jaki przynosi zwrot, w jakich przypadkach nie warto tego robić oraz jakie pytania należy zadać specjaliście, zanim zainwestuje się kapitał. Podstawą fizyczną jest ASHRAE Handbook; testy wydajności zbiorników magazynowych są zgodne z jednolitymi procedurami testowymi opublikowanymi przez IAPMO.
Przeczytaj to najpierw, gdy się orientujesz, a następnie zabierz pytania z końca do inżyniera, który dobierze rzeczywisty zbiornik.
Czym jest zbiornik TES w jednym akapicie
Zbiornik TES jest magazynem zdolności chłodniczej, a nie jej generatorem. Przechowuje objętość płynu w temperaturze użytecznej dla zakładu, ładowany przez chillery, gdy dostępna jest nadwyżka mocy lub tania energia, i rozładowywany do wężownicy chłodzącej lub dystrybucji, gdy wymaga tego obciążenie lub taryfa. Sam zbiornik nie chłodzi; rozdziela czas wytwarzania chłodu od czasu jego wykorzystania.
Dla centrum danych wartość jest dwojaka. Operacyjnie przeprowadza zakład przez zakłócenie sieci lub awarię chillera przez minuty lub godziny, które może pokryć masa termiczna, a ekonomicznie pozwala chillerom pracować w nocy lub w taryfie pozaszczytowej, aby napełnić zbiornik, a następnie ograniczyć lub uniknąć szczytowego zapotrzebowania na energię elektryczną w ciągu dnia. Zbiornik jest buforem między chillerami a obciążeniem w czasie, a nie tylko w przepływie, jak robi to zbiornik buforowy.
Trzy architektury
Trzy architektury dominują. Warstwowe magazynowanie schłodzonej wody jest najprostsze: wysoki zbiornik wody ładowany zimnem na dole i ciepłem na górze, oddzielony termokliną, dzięki czemu instalacja pobiera zimną wodę z dołu i zwraca ciepłą na górę. Działa w ramach niewielkiego przyrostu temperatury o kilka stopni i wykorzystuje zwykłą wodę jako medium.
Magazynowanie lodu wykorzystuje ciepło utajone topnienia: znacznie większą gęstość energii na jednostkę objętości niż woda, zbudowane jako lód na wężownicy, gdzie lód tworzy się wokół rur, przez które przepływa solanka, lub jako dynamiczny zbieracz, który wytwarza i magazynuje lód oddzielnie. Magazynowanie materiałów zmiennofazowych plasuje się pomiędzy tymi dwoma, wykorzystując sól lub eutektyk, który topi się i zamarza w wybranej temperaturze, zapewniając magazynowanie utajone w ustalonym punkcie bez bardzo niskich temperatur solanki wymaganych przez lód.
Liczby definiujące każdą architekturę
Liczby, które definiują każdą architekturę, to gęstość energii i wymagany przez nią przyrost temperatury. Warstwowa woda lodowa magazynuje około 1,16 kWh na metr sześcienny na stopień Celsjusza delta-T (rho x cp x delta-T), więc wahnięcie o 5 stopni C (9 stopni F) daje około 5,8 kWh/m3, a zbiornik jest duży, ale chillers pozostają przy normalnych temperaturach wody lodowej.
Lód magazynuje około 93 kWh/m3 ciepła utajonego w temperaturze zamarzania, więc zbiornik jest znacznie mniejszy dla tej samej energii, ale agregaty chłodnicze muszą wytwarzać solankę o temperaturze bliskiej 0°C (32°F) lub niższej, co kosztuje spręż i wydajność. Materiał zmiennofazowy magazynuje ciepło w swojej temperaturze topnienia, zazwyczaj dziesiątki kWh/m3, pomiędzy tymi dwoma skrajnościami. Wybór to kompromis między objętością zbiornika, sprężem agregatu chłodniczego a temperaturą, którą dystrybucja może zaakceptować. Wybór rzadko dotyczy tego, który magazynuje najwięcej energii na metr sześcienny, ponieważ instalacja zwykle może znaleźć miejsce na zbiornik; chodzi o spręż agregatu chłodniczego, którego wymaga wybrana architektura, oraz temperaturę dystrybucji, którą istniejące wężownice faktycznie zaakceptują.
Jak to zmienia instalację chillerową
Magazynowanie zmienia instalację chillerową, pozwalając jej pracować względem zbiornika zamiast względem chwilowego obciążenia. W trybie ładowania chillers napełniają zbiornik, dobrany do średniego obciążenia w oknie ładowania, a nie do szczytowego, więc mniejsza lub wolniejsza instalacja chillerowa może obsłużyć większe obciążenie szczytowe, niż mogłaby bez magazynowania.
W trybie rozładowania zbiornik dostarcza część lub całość chłodzenia, dzięki czemu agregaty chłodnicze mogą zostać zdławione lub zatrzymane w okresie szczytu lub zdarzenia. Sterowanie instalacją zyskuje stopień swobody: kiedy wytwarzać chłodzenie, a kiedy je wykorzystywać, decyduje taryfa, sygnał sieciowy lub plan odporności, a nie bieżące zapotrzebowanie wężownicy. Ta swoboda jest aktywem; zbiornik jest sprzętem, który ją przechowuje.
Ile to kosztuje i ile oszczędza
Kosztuje zbiornik, dodatkową pompę i dystrybucję oraz sterowanie do ładowania i rozładowania; oszczędza szczytowe zapotrzebowanie na energię elektryczną, związany z nim koszt mocy oraz w niektórych rynkach możliwość uniknięcia generatora lub zmniejszenia jego zużycia paliwa. Zwrot jest funkcją struktury taryfy i tego, jak często szczyt jest faktycznie obcinany, a nie stałym procentem.
Uczciwe stwierdzenie jest takie, że oszczędności zależą od taryfy: zakład, który mocno szczytuje w obliczu wysokiej opłaty za moc, odzyskuje koszt zbiornika szybciej niż zakład o płaskim profilu zużycia, a kampus, który potrzebuje odporności na zdarzenia sieciowe, ceni zbiornik za zapewniane przez niego podtrzymanie zasilania niezależnie od taryfy. Należy skwantyfikować zarówno redukcję zapotrzebowania na moc, jak i wartość odporności, zanim zainwestuje się kapitał, ponieważ zazwyczaj jedno lub drugie uzasadnia inwestycję.
Kiedy nie ma to sensu
Magazynowanie ciepła nie jest warte realizacji, gdy profil obciążenia jest już płaski, taryfa nie zawiera opłaty za moc, której warto by było uniknąć, lub gdy obiekt nie ma miejsca ani tolerancji dla podniesienia temperatury chłodziarki wymaganego przez wybraną architekturę. Zakład, który nigdy nie osiąga szczytu względem opłaty, nie ma czego wygładzać zbiornikiem, a kapitał pozostaje bezczynny.
Zawodzi również wtedy, gdy dystrybucja nie może wykorzystać temperatury magazynowania: stratyfikowana woda lodowa wymaga różnicy temperatur akceptowanej przez wężownice, lód wymaga instalacji solankowej, której właściciel nie będzie obsługiwał, a materiały zmiennofazowe wymagają punktu nastawy, który system faktycznie przekracza. Jeśli jedynym sposobem wykorzystania zmagazynowanego chłodu jest przebudowa dystrybucji, magazynowanie jest niewłaściwą pierwszą inwestycją. Dopasuj architekturę do posiadanej instalacji przed doborem wielkości zbiornika.
Pytania do omówienia ze specjalistą
Zabierz krótką, konkretną listę do specjalisty, aby rozmowa dotyczyła liczb, a nie kategorii. Pytania dotyczą obowiązku, temperatury, przestrzeni i pieniędzy, a każde z nich ogranicza architekturę, która przetrwa.
· Jaki obowiązek musi spełniać zbiornik: redukcję szczytowego zapotrzebowania, podtrzymanie pracy, czy oba, i przez jak długo?
· Jaką różnicę temperatur (delta-T) może faktycznie wykorzystać system dystrybucji i jaki podniesienie temperatury chłodziarki jest dopuszczalne, aby wytworzyć magazyn?
· Jaka objętość i powierzchnia zabudowy są dostępne na terenie i jakie jest dopuszczalne obciążenie płyty lub posadzki?
· Jaka jest struktura taryfy i jaka jest opłata za moc szczytową lub wartość odporności, którą zbiornik miałby odzyskać?
· Która architektura pasuje do temperatury i przestrzeni oraz jaki jest koszt instalacji w porównaniu z odzyskaną wartością w okresie eksploatacji zakładu?
Kluczowe terminy i normy
Kilka terminów i standardów stanowi ramy każdej dyskusji o TES. Termoklina to stopniowana granica między ciepłą i zimną wodą w warstwowym zbiorniku; pełne ładowanie utrzymuje ją ostrą. Ciepło utajone topnienia to energia, którą lód lub materiał zmiennofazowy magazynuje w stałej temperaturze podczas zamarzania lub topnienia, odmienna od ciepła jawnego magazynowanego przez zmianę temperatury.
Odniesienia inżynierskie to ASHRAE Handbook - HVAC Systems and Equipment dla fizyki instalacji oraz jednolite procedury testowe IAPMO dla zbiorników magazynowania ciepła pod kątem sposobu pomiaru wydajności. Zbiornik jest określany przez jego pojemność energetyczną w kWh chłodzenia, jego roboczą deltę-T, jego szybkości ładowania i rozładowania oraz temperaturę akceptowaną przez dystrybucję; utrzymuj te cztery na każdym rysunku, a wybór architektury pozostanie uczciwy.
Porównanie architektur TES: Medium, gęstość energii, chiller lift
WhatsApp