Zbiorniki magazynowania energii cieplnej dla centrów danych: funkcja, pojemność i architektura
Utworzono Dzisiaj
Zbiorniki magazynowania energii cieplnej dla centrów danych: obciążenie, pojemność i architektura
Gdy nabywca określa zbiornik magazynowania energii cieplnej, w rzeczywistości nabywa zdolność do obsługi energii, a nie kawałek sprzętu. Istotna pojemność to ilość ciepła, którą magazyn może pochłonąć, a następnie dostarczyć, wyrażona w tonogodzinach lub w kWh, wraz z projektową różnicą temperatur i oknem rozładowania, w którym energia ta może zostać uwolniona z użyteczną mocą. Podawanie pojemności jako objętości wody uniemożliwia nabywcy porównanie magazynu wody lodowej z magazynem lodowym lub magazynem z przemianą fazową, ponieważ energia zawarta w metrze sześciennym różni się o rząd wielkości między ośrodkami. Zapotrzebowanie określa następnie architekturę: obcinanie szczytów, podtrzymanie pracy i przesuwanie obciążenia wymagają każdorazowo innego układu ładowania i rozładowania, innego interfejsu sterowania i innej objętości wyrażonej w godzinach, a nie w minutach. Izolacja magazynu również nie jest drugorzędnym szczegółem, ponieważ dzienny zysk ciepła wynoszący kilka procent zmagazynowanej energii usuwa użytkową część pojemności w okresie postoju.
Do czego właściwie służy magazyn energii cieplnej
Magazyn energii cieplnej to celowo rozmieszczona objętość medium magazynującego, którego celem jest przechowywanie energii cieplnej przez określony czas i przemieszczanie jej do lub z instalacji w tempie, którego instalacja nie jest w stanie zapewnić. Energia jest przemieszczana, a nie wytwarzana: magazyn jest ładowany ze źródła, które w przeciwnym razie byłoby uruchomione, i rozładowywany do zapotrzebowania zaspokajanego w inny sposób dla zbiornika magazynowania energii cieplnej
Sposób ujęcia ma większe znaczenie niż samo urządzenie, ponieważ to właśnie on pozwala porównywać oferty. Oferta podająca pojemność zbiornika bez informacji o energii i oknie rozładowania nie określa, co właściwie jest sprzedawane. Oferta podająca energię, delta-T i moce można porównać z ofertą dotyczącą innego medium w przypadku zbiornika magazynującego energię cieplną
Pojemność podana jako energia, a nie objętość
Istnieją dwa sposoby określenia pojemności magazynu w kategoriach energii. Forma godzin obciążenia jest najprostsza: obciążenie cieplne w tonach pomnożone przez liczbę godzin rozładowania, więc magazyn przenoszący 500 ton chłodu przez 4 godziny mieści 2000 tonogodzin. Forma masowa to ta sama pojemność wyrażona przez medium: objętość razy gęstość, ciepło właściwe i różnica temperatur dla zbiornika magazynującego energię cieplną
Forma masowa to miejsce, w którym media się rozdzielają, ponieważ ten sam metr sześcienny zawiera bardzo różne ilości energii w zależności od mechanizmu. Magazynowanie jawne w wodzie jest ograniczone przez różnicę temperatur, w jakiej może pracować obieg. Magazynowanie utajone w topniejącym lodzie dodaje ciepło topnienia w stałej temperaturze, więc niewielkie wahanie nadal magazynuje dużą ilość energii dla zbiornika magazynowania energii cieplnej
Wyrażenie pojemności | Wzór | Co to ustala | Wartość ilustracyjna |
Postać godzin obciążenia | Obciążenie cieplne w tonach razy godziny rozładowania | Energia, którą magazyn musi dostarczyć | 500 ton przez 4 godziny = 2000 tonogodzin |
Forma masy odczuwalnej | Objętość razy gęstość, ciepło właściwe i delta-T | Ilość medium dla danej energii | 100 m3 przy 5 K daje około 2900 kWh |
Utajona forma masowa | Masa razy ciepło topnienia w punkcie przejścia | Ilość medium w stałym punkcie | Lód przy 334 kJ/kg na tonę daje około 335 kWh |
Użyteczna frakcja | Objętość płaszcza razy frakcja, którą media mogą osiągnąć | Kara za niedoskonałą stratyfikację | 90 procent użytecznej pojemności zachowuje 90 procent energii |
Trzy zadania, które tworzą trzy różne magazyny
Redukcja szczytów, podtrzymanie pracy i przesunięcie obciążenia wyglądają z zewnątrz podobnie, ponieważ wszystkie trzy obejmują zbiornik w systemie wody chłodzonej, a różnią się tym, czego zbiornik ma dokonać podczas zdarzenia. Redukcja szczytów koncentruje się na udziale instalacji w szczycie zapotrzebowania: magazyn rozładowuje się, gdy ten udział jest najwyższy dla zbiornika magazynowania energii cieplnej
Zdolność, jaką implikuje każde zadanie, różni się rodzajem, nie tylko rozmiarem, podobnie jak tryb awarii. Magazyn do redukcji szczytów nie naładowany na czas nie wnosi niczego w szczycie. Magazyn do podtrzymania pracy o niewłaściwej temperaturze nie przenosi obciążenia przez przerwę. Magazyn do przesunięcia obciążenia, który traci zbyt wiele na stałe zyski ciepła, nie ma energii pozostałej do rozładowania dla zbiornika magazynowania energii cieplnej
Wybór między wodą chłodzoną, lodem i mediami zmiennofazowymi
Medium określa temperaturę, jaką magazyn może dostarczyć, oraz szybkość ładowania i rozładowywania. Magazynowanie wody lodowej jest najprostsze: magazynem jest sama woda lodowa, różnica temperatur w obiegu wyznacza gęstość energii, a szybkości odpowiadają natężeniom przepływu w obiegu. Może on dostarczać temperaturę powyżej punktu topnienia lodu w przypadku zbiornika magazynowania energii cieplnej
Magazynowanie lodu rozszerza zakres w dół, ponieważ przemiana fazowa zachodzi w stałej temperaturze, a zmagazynowana energia nie jest ograniczona różnicą temperatur. Kosztem jest obieg zamrażania i rozmrażania, obsługa lodu, większa wahań temperatury między stanami ładowania i rozładowania oraz bardziej złożona logika sterowania. Materiały zmiennofazowe plasują się pomiędzy tymi dwoma rozwiązaniami, magazynując ciepło utajone w wybranej temperaturze przejścia w przypadku zbiornika magazynowania energii cieplnej
Ładowanie, utrzymywanie i rozładowywanie: architektura i interfejs sterowania
Każdy magazyn ciepła działa w trzech trybach, a interfejs sterowania musi definiować wszystkie trzy. W trybie ładowania magazyn przyjmuje ciepło z instalacji, albo dlatego, że instalacja ma nadwyżkę mocy, albo dlatego, że taryfa sprawia, iż energia jest tania. W trybie podtrzymania magazyn jest odizolowany i zachowuje swoją energię. W trybie rozładowania oddaje ciepło do obiegu, z osobnymi przyłączami, gdy tryby wymagają różnych szybkości dla zbiornika magazynowania energii cieplnej
Interfejs sterowania decyduje o tym, czy magazyn działa w praktyce. Sterownik instalacji musi wiedzieć, kiedy magazyn jest dostępny, ile energii zawiera i z jaką szybkością może ją oddawać, a sterownik magazynu musi wiedzieć, co robi instalacja. Ta wymiana to zestaw zdefiniowanych sygnałów: wskazanie stanu, dostępność ładowania, dostępność rozładowania, zmagazynowana energia lub czujniki temperatury oraz sygnały zezwolenia dla zbiornika magazynowania energii cieplnej
Stratyfikacja i pozostawiona przez nią pojemność użytkowa
W magazynie wody lodowej pojemność użytkowa nie jest objętością płaszcza. Jest to ta część płaszcza, do której magazyn może faktycznie dotrzeć wodą w odpowiednim stanie termicznym, a ta część jest określona przez to, jak dobrze magazyn utrzymuje swoje warstwy. Zimna woda ładowana na górę opada przez cieplejszą wodę pod nią i wypycha ciepłą wodę w górę dla zbiornika magazynowania energii cieplnej
Ma to bezpośredni wpływ na arytmetykę energii i jest to efekt najczęściej pomijany w ofercie. Magazyn określony na podstawie objętości płaszcza zakłada, że cała objętość jest dostępna przy projektowej różnicy temperatur. Niedoskonała stratyfikacja daje mniejszą pojemność użytkową, więc niedobór pojawia się jako niedobór energii przy rozładowaniu, a nie jako brakujący zbiornik. Specyfikacja musi określać pojemność użytkową dla zbiornika magazynowania energii cieplnej
Izolacja i zyski ciepła jako utrata pojemności
Każdy magazyn ciepła traci ciepło przez swoją powłokę, dach i orurowanie, a ta strata pochodzi bezpośrednio z zmagazynowanej energii. Strata jest proporcjonalna do powierzchni, różnicy między temperaturą magazynu a temperaturą otoczenia oraz przewodności izolacji, więc skaluje się wraz z geometrią, która określa pojemność. Stosunek powierzchni do objętości decyduje o tym, czy strata jest błędem zaokrąglenia, czy poważnym ułamkiem dla zbiornika magazynu energii cieplnej
Efekt najwyraźniej wyraża się jako dzienny procent strat. Jeśli magazyn traci dzienny zysk ciepła równy niewielkiemu procentowi swojej zmagazynowanej energii, długi okres postoju usuwa ten procent każdego dnia, a magazyn dostarcza mniej, niż został naładowany. Magazyn naładowany w weekend na poniedziałkowe rozładowanie traci trzy dni postojowego zysku ciepła dla zbiornika magazynu energii cieplnej
Niezawodność i istotne warunki awarii
Magazyn ciepła ma więcej sposobów na awarię niż zbiornik bez przypisanego zadania, ponieważ ma aktywne elementy wewnętrzne, interfejs sterowania i przechowywany stan, który może ulec degradacji. Warunki awarii, przed którymi warto projektować, to utrata stratyfikacji, uszkodzona sonda temperatury lub poziomu, zawór, który się zacina, oraz awaria instalacji pomocniczej, która przemieszcza wodę dla zbiornika magazynującego energię cieplną
Utrata stratyfikacji to stopniowa awaria, która objawia się niedoborem pojemności, a nie alarmem, dlatego pojemność użytkową należy zweryfikować testem. Uszkodzona sonda odbiera informacje, od których zależy sekwencja sterowania, a prawidłowym zachowaniem jest zdefiniowany stan awaryjny. Zawór zablokowany w pozycji otwartej pozostawia magazyn połączony z obiegiem dla zbiornika magazynującego energię cieplną
Magazynowanie ciepła w porównaniu z zadaniami buforowymi oraz lista kontrolna specyfikacji
Te dwa obowiązki najwyraźniej rozdziela skala czasowa i jednostka, w której każdy z nich jest mierzony. Zbiornik buforowy mierzy się w galonach lub metrach sześciennych na tonę i wymiaruje w minutach. Magazyn ciepła mierzy się w tonogodzinach i wymiaruje w godzinach, z projektową różnicą temperatur delta-T i oknem rozładowania. Bufor to proste naczynie; magazyn wymaga elementów wewnętrznych i stratyfikacji dla zbiornika magazynującego energię cieplną
Specyfikacja musi zatem określić obowiązek i jednostkę, zanim określi objętość. Podaje obowiązek w godzinach oraz w kategoriach taryfy lub przerwy, energię w tonogodzinach i kWh obok objętości, projektową różnicę temperatur delta-T i medium, szybkości ładowania i rozładowania, okres postoju i projektową stratę ciepła oraz pojemność użytkową wraz z metodą jej weryfikacji dla zbiornika magazynującego energię cieplną
· Obowiązek w godzinach: redukcja szczytów, podtrzymanie lub przesunięcie obciążenia oraz jego zdarzenie dla zbiornika magazynującego energię cieplną
· Energia w tonogodzinach i kWh oraz projektowa różnica temperatur delta-T lub punkt przejścia dla zbiornika magazynowania energii cieplnej
· Czynnik i jego stan fizyczny w zbiorniku magazynowania energii cieplnej
· Szybkość ładowania, szybkość rozładowania i okno rozładowania dla zbiornika magazynowania energii cieplnej
· Okres postoju i projektowa strata ciepła dla zbiornika magazynowania energii cieplnej
· Pojemność użytkowa, podana oddzielnie od objętości płaszcza dla zbiornika magazynowania energii cieplnej
· Metoda weryfikacji pojemności użytkowej dla zbiornika magazynowania energii cieplnej
· Sygnały interfejsu sterowania między magazynem a kontrolerem instalacji dla zbiornika magazynowania energii cieplnej
· Zdefiniowane stany bezpieczne dla awarii czujnika, zaworu i zasilania pomocniczego dla zbiornika magazynowania energii cieplnej
· Ograniczenia terenowe dotyczące powierzchni zabudowy, dostępu, udźwigu dźwigu i instalacji dla zbiornika magazynowania energii cieplnej
Studium przypadku projektu
Referencyjna dostawa dla tego zadania, zacytowana z zweryfikowanej biblioteki projektów. Poziom dopasowania C. Dostawa szkła emaliowanego do stali o dużej objętości, cytowana jako dowód zdolności produkcyjnych. Zweryfikowana biblioteka nie zawiera projektu magazynowania energii cieplnej ani chłodzonego magazynu w centrum danych, więc ten artykuł nie wykorzystuje jej do wykazania wydajności stratyfikacji ani pojemności magazynowej, jak szczegółowo opisano dla zbiornika magazynowania energii cieplnej.
Identyfikator projektu | Kraj | Produkt | Pojemność | Liczba zbiorników | Wymiary | Zakończenie | Zakres dostawy |
NAM-POT-44900-B | Namibia | Zbiornik skręcany ze szkła emaliowanego do stali (GFS) | 44 900 m3 | 4 | φ41,26 × 8,4 m (wys.) na zbiornik | 2022-09 | Nie odnotowano |
Dostawa szkła stapianego ze stalą o dużej objętości, przytaczana jako dowód zdolności produkcyjnych. Zweryfikowana biblioteka nie zawiera żadnego projektu magazynowania energii cieplnej ani chłodzenia magazynu w centrum danych, więc ten artykuł nie wykorzystuje jej do wykazania wydajności stratyfikacji ani pojemności magazynowej, jak szczegółowo opisano dla zbiornika magazynowania energii cieplnej.
Często zadawane pytania
P1. Co kupujący faktycznie nabywa, określając magazynowanie cieplne?
Kupujący nabywa zdolność do przechowywania określonej ilości energii cieplnej i przenoszenia jej w czasie. Zdolność do obsługi energii jest produktem; zbiornik jest pojemnikiem, który ją dostarcza. Oferty opartej na objętości wody nie można porównywać z ofertą magazynu lodowego, mimo że obie spełniają to samo zadanie dla zbiornika magazynowania energii cieplnej
P2. Dlaczego pojemność wyraża się w energii, a nie w objętości?
Ponieważ ta sama objętość zawiera bardzo różne ilości energii w różnych ośrodkach. Magazynowanie jawne w wodzie jest ograniczone przez różnicę temperatur (delta-T), w której obiegu może pracować. Magazynowanie utajone w topniejącym lodzie dodaje ciepło topnienia w stałej temperaturze, więc niewielka zmiana nadal magazynuje dużą ilość, jak szczegółowo opisano dla zbiornika magazynowania energii cieplnej.
P3. Jakim trzem zadaniom służy magazynowanie ciepła?
Redukcja szczytów, podtrzymanie pracy i przesunięcie obciążenia. Redukcja szczytów zmniejsza udział zakładu w szczycie zapotrzebowania i ładuje się poza szczytem. Podtrzymanie pracy przenosi obciążenie przez określoną przerwę. Przesunięcie obciążenia przenosi zużycie do tańszego okresu taryfowego. Różnią się one liczbą godzin, więc zadanie musi być najpierw ustalone dla zbiornika magazynowania energii cieplnej
P4. Jak wybiera się wodę schłodzoną, lód i ośrodki zmiennofazowe?
Woda schłodzona jest najprostsza i ma najmniejszą energię na metr sześcienny, ograniczoną przez różnicę temperatur w obiegu. Lód rozszerza zakres temperatur w dół, ponieważ przemiana fazowa zachodzi w stałej temperaturze, kosztem obwodu zamrażania i rozmrażania oraz bardziej złożonej logiki sterowania, jak szczegółowo opisano dla zbiornika magazynowania energii cieplnej.
P5. Jak wygląda architektura ładowania, utrzymywania i rozładowywania?
Tryb ładowania przyjmuje ciepło z instalacji, tryb podtrzymania izoluje magazyn i zachowuje energię, a tryb rozładowania dostarcza ciepło do obiegu. Układ wynika z trybów, z oddzielnymi przyłączami tam, gdzie różnią się natężenia przepływu lub temperatury. Interfejs sterowania musi definiować stan magazynu, sygnały dostępności oraz dane czujników dla zbiornika magazynowania energii cieplnej
P6. Jak warstwowanie i pojemność użytkowa są ze sobą powiązane?
Pojemność użytkowa to ta część płaszcza zbiornika, którą magazyn może wypełnić wodą w wymaganym stanie termicznym, a nie objętość płaszcza. Zła geometria dyfuzora, szybki przepływ ładowania lub źle rozmieszczone przyłącza mieszają warstwy, a niedobór objawia się jako niedobór energii przy rozładowaniu, a nie jako brakujący zbiornik magazynowania energii cieplnej
P7. Jak zyski ciepła przez izolację zmniejszają pojemność?
Zyski ciepła przez płaszcz, dach i orurowanie pochodzą z zmagazynowanej energii i skalują się z powierzchnią, różnicą temperatur i przewodnością izolacji. Jako dzienny procent strat, okres postoju wynoszący kilka dni usuwa kilka dni tych zysków, a zasobnik dostarcza mniej, niż został naładowany, jeśli chodzi o zbiornik magazynowania energii cieplnej
P8. Jakie są warunki niezawodności i awarii?
Istotne z nich to utrata stratyfikacji, która objawia się niedoborem pojemności, a nie alarmem; uszkodzona sonda temperatury lub poziomu, która usuwa informacje potrzebne sekwencji sterowania; zawór zablokowany w pozycji otwartej, który pozostawia zasobnik połączony z obiegiem; oraz utrata instalacji pomocniczej. Każdy z nich wymaga bezpiecznego stanu dla zbiornika magazynowania energii cieplnej
P9. Jak porównują się zadania magazynowania ciepła i buforowania?
Zbiornik buforowy jest mierzony w galonach lub metrach sześciennych na tonę i wymiarowany w minutach; wygładza stan przejściowy w krótkim przedziale i jest hydraulicznie prostym naczyniem. Magazyn ciepła jest mierzony w tonogodzinach i wymiarowany w godzinach; przesuwa energię w okresie taryfowym i wymaga elementów wewnętrznych, stratyfikacji oraz zachowania w przypadku awarii dla zbiornika magazynującego energię cieplną
P10. Co zawiera lista kontrolna specyfikacji wydajności i obciążenia?
Dziesięć pozycji: obciążenie podane w godzinach wraz ze zdarzeniem, któremu służy; energia w tonogodzinach i kWh wraz z projektową deltą-T lub temperaturą przejścia; media i utrzymywany stan fizyczny; szybkość ładowania, szybkość rozładowania i okno czasowe; okres postoju i straty ciepła; pojemność użytkowa podana oddzielnie od objętości płaszcza; metoda weryfikacji; dla zbiornika magazynującego energię cieplną
Magazynowanie energii cieplnej należy określić jako pojemność w tonogodzinach z podanym projektowym delta-T, podanym oknem rozładowania i podanymi stratami ciepła w stanie spoczynku, ponieważ specyfikacja w kategoriach objętości nie pozwala na porównanie zasobnika wody lodowej, zasobnika lodowego i zasobnika z przemianą fazową, a także ponieważ obciążenie w godzinach jest tym, co faktycznie odróżnia te trzy zastosowania. Konsekwencją jest to, że pojemność użytkowa, straty w okresie spoczynku i zachowanie w przypadku awarii muszą być podane obok wartości energii, ponieważ właśnie w tych trzech obszarach występuje różnica między deklarowaną pojemnością a dostarczoną pojemnością. Zasobnik określony w ten sposób można porównać między ofertami i zweryfikować względem jego obciążenia przy odbiorze, czego nie można zrobić w przypadku zasobnika określonego w kategoriach objętości dla zbiornika magazynowania energii cieplnej
Porozmawiaj z inżynierem
W przypadku zbiornika magazynującego energię cieplną należy podać obciążenie, które magazyn ma obsługiwać, oraz zdarzenie, które obejmuje, obciążenie cieplne w tonach i związane z nim godziny, temperatury wody lodowej na zasilaniu i powrocie oraz dostępną różnicę temperatur delta-T, żądaną szybkość rozładowania i okno czasowe, rozważane media, okres postoju między ładowaniem a rozładowaniem, warunki otoczenia w miejscu instalacji, ograniczenia dotyczące zajmowanej powierzchni, dźwigu i dostępu oraz system sterowania, z którym magazyn musi się komunikować. Zwrócimy analizę wydajności podającą energię w tonogodzinach i kWh, ilość medium i objętość płaszcza, pojemność użytkową i wymagania dotyczące stratyfikacji, projektowe straty ciepła w okresie postoju, sekwencję ładowania i rozładowania oraz zachowanie w przypadku awarii do zapisania w specyfikacji.
O Center Enamel
Shijiazhuang Zhengzhong Technology Co., Ltd (Center Enamel) to profesjonalny producent od 2008 roku specjalizujący się w projektowaniu i wytwarzaniu zbiorników magazynowych skręcanych. Zakres produktów obejmuje zbiorniki ze stali powlekanej szkłem (GFS), zbiorniki z żywicy epoksydowej utwardzanej termicznie (FBE), zbiorniki ze stali nierdzewnej, zbiorniki ze stali ocynkowanej oraz aluminiowe kopuły geodezyjne, wraz ze wsparciem technicznym EPC i osprzętem do zbiorników. Produkcja odbywa się zgodnie z ISO 9001, ISO 14001 i ISO 45001, a zakres produktów posiada certyfikaty NSF/ANSI 61, WRAS, CE i EN 1090, ISO 28765, AWWA D103-09 i NFPA, tam gdzie wymaga tego zastosowanie. Firma posiada blisko 200 patentów na emaliowanie, prowadzi bazę produkcyjną o powierzchni 150 000 m2, produkuje około 300 000 stalowych płyt powlekanych emalią rocznie, zrealizowała ponad 30 000 zainstalowanych projektów i dostarczyła zbiorniki do ponad 100 krajów. Zdolności projektowe obejmują zbiorniki o pojemności do 60 000 m3, zgodnie ze szczegółowym opisem dla zbiornika magazynowania energii cieplnej.
WhatsApp