Tanques de Armazenamento de Energia Térmica em Data Centers: Como o Armazenamento a Frio Melhora a Eficiência de Resfriamento
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Tanques de Armazenamento de Energia Térmica em Data Centers: Como o Armazenamento a Frio Melhora a Eficiência de Resfriamento
Um tanque de armazenamento de energia térmica em um data center armazena água gelada produzida durante horários fora de pico e a descarrega durante o pico, para que os chillers operem com uma carga constante e eficiente em vez de acompanhar o calor de TI a cada hora. Com uma diferença de temperatura utilizável de 4-7 K e uma fração utilizável realista de 70-90%, um tanque estratificado carrega várias horas de carga de resfriamento e oferece aos operadores uma janela definida de ride-through quando os chillers falham. O tanque não cria resfriamento; ele move esse resfriamento no tempo.
Em um salão de hiperescala, a curva de carga de TI é bastante plana, enquanto a planta de resfriamento é dimensionada para um dia de projeto mais quente, mas a carga medida passa a maior parte das horas muito abaixo desse teto, então a planta opera com baixa carga parcial e ainda absorve todos os picos rápidos de calor que os racks entregam.
Muitas tarifas cobram pela demanda de pico em kW, bem como pela energia em kWh, então uma planta que persegue cada pico de TI paga pelo pico em vez de pelos quilowatts-hora consumidos. Quando um chiller desarma, a única coisa entre uma temperatura de retorno crescente e um desligamento é a água que ainda está nas tubulações.
Um tanque de armazenamento de energia térmica de data center aborda ambos ao realocar o resfriamento no tempo em vez de gerar mais durante o pico. O que segue cobre o que é o vaso, onde ele se situa na cadeia, como dimensioná-lo e quais modos de operação justificam o gasto.
O que é um Tanque de Armazenamento de Energia Térmica de Data Center
Um volume isolado de água gelada, mantido à temperatura de fornecimento e devolvido ao circuito da central sempre que a demanda excede o que os chillers estão configurados para fornecer. Nada em seu interior produz refrigeração.
· Armazenamento, não geração. Ele contém energia que os chillers já pagaram, portanto compará-lo com uma central de chillers maior compara capital contra uma taxa de demanda e uma penalidade de carga parcial.
· Carregado no ponto eficiente da central. Na janela fora de pico, os chillers operam próximos à carga total e produzem água a 4-6 °C enquanto o volume se enche, de modo que o chiller nunca acompanha a curva de TI da tarde.
· Descarregado dentro da mesma faixa. O fornecimento que sai do tanque normalmente fica entre 6-8 °C, portanto a mistura com o fluxo do chiller nunca eleva o circuito acima da temperatura que os equipamentos de TI aceitam.
· Uma duração finita, não autonomia. Um tanque dimensionado para quatro horas de pico fornece quatro horas sob a carga assumida, e declarar essa duração é o primeiro passo de qualquer estudo confiável de tanque de armazenamento de energia térmica para data center.
Onde o Tanque se Situa na Cadeia de Resfriamento
Um tanque de armazenamento de energia térmica para data centers é comumente conectado na tubulação comum entre a central de chillers e o coletor de distribuição, em paralelo com os chillers, e não atrás deles. Esse arranjo fixa a lógica de controle, o inventário de válvulas e o comportamento da instalação na entrega.
· Circuito do chiller e circuito de distribuição. Cada um alimenta a tubulação comum através de válvulas de isolamento e de retenção, e um conjunto de bombas do lado da distribuição capta a partir de qualquer combinação selecionada pelo controle, mantendo o tanque independente da pressão do evaporador. O armazenamento também pode ficar a montante dos chillers, misturando a descarga com o retorno antes dos evaporadores, ao custo de todo o fluxo do sistema passar pelo tanque.
· Manuseamento, bypass, enchimento e drenagem. A lógica deve alterar o setpoint do chiller antes de a válvula de isolamento abrir, para que a temperatura de alimentação nem caia nem recupere. A instalação também precisa de um bypass de serviço, um caminho de enchimento e ventilação, e uma drenagem, porque um tanque que não pode ser esvaziado não pode ser inspecionado.
Dimensionamento: Da Carga de TI ao Volume do Tanque
O volume não é uma questão de julgamento; decorre da carga, da diferença de temperatura e das horas cobertas.
1. Determine a potência e o caudal. Divida a carga térmica de TI atribuída ao armazenamento pelo ΔT do circuito. Um salão de 5 MW a 7 K precisa de aproximadamente 615 m³/h.
2. Aplique a equação de energia. Q = V × ρ × cp × ΔT, com água a cp ≈ 4,186 kJ/kg·K e ρ ≈ 1000 kg/m³, cerca de 1,163 kWh por metro cúbico por kelvin, portanto aproximadamente 7 kWh teóricos por m³ a um ΔT utilizável de 6 K.
3. Aplique a fração utilizável. A mistura, o ganho ambiente e o curto-circuito removem parte do valor teórico; os projetistas contam com 70-90%, o valor mais baixo para um tanque alto com um difusor mal posicionado.
4. Converta para um vaso. Divida a energia utilizável pelo regime e pelas horas, depois arredonde para um diâmetro prático e altura da carcaça.
Modos de operação que justificam o tanque
O armazenamento total carrega fora do horário de pico e desliga a planta durante o pico, proporcionando a maior economia de demanda e o maior volume: um tanque cheio no início do dia, vazio no final. O ride-through atende ao caso Tier III ou Tier IV, onde um chiller levado para manutenção seria, de outra forma, não planejado.
Especificação técnica
Os itens de interface geram a maior parte da mudança de engenharia em um projeto de armazenamento.
Item | Valor ou escolha típica | Acionamentos |
Limite do vaso | Atmosférico montado no local, ou dentro do limite de pressão do sistema | Espessura da carcaça, classificações dos bocais, alívio |
ΔT utilizável | 4-7 K, comummente 6 K (5 °C a 11 °C) | Energia armazenada por metro cúbico |
Temperatura de carga e descarga | Carga de 4-6 °C, descarga de 6-8 °C | Faixa de entrada de TI e margem de mistura |
Fração utilizável | 70-90% do teórico | Volume bruto |
Velocidade de entrada | 0,5-1 m/s através do difusor | Qualidade de estratificação |
Lista de bicos e instrumentos | Carga, descarga, retorno, enchimento, ventilação, drenagem, nível, boca de visita | Contagem e acesso de válvulas |
Isolamento | Lã mineral, barreira climática, revestimento contínuo | Ganho de calor em repouso |
Fundação | Viga circular ou base com detalhe de ponte térmica nos apoios | Detalhe de registro e congelamento do casco |
Estudo de Caso
Nossa obra de referência entregue no setor de água e águas residuais inclui tanques aparafusados de grande diâmetro montados no local, como a instalação de quatro cascos abaixo, e o escopo de TES para data center é projetado com os mesmos padrões.
Resumo do Estudo de Caso
Projeto | Produto | Capacidade | Dimensões | Conclusão |
Namíbia - armazenamento de água potável (P-A) | 01 Tanque de aço vitrificado parafusado GFS | 44.900 m³ no total, 4 tanques | 4 × φ41.260 mm × 8.400 mm | Setembro de 2022 |
Essas carcaças saíram da fábrica como painéis revestidos de esmalte, enviados como anéis discretos e montados anel por anel no local. Essa sequência de montagem e o teste de férias são o que o vaso do lado de resfriamento herda.
Capacidade de engenharia da Center Enamel
A Center Enamel (Shijiazhuang Zhengzhong Technology Co., Ltd) projeta e fabrica tanques de armazenamento parafusados desde 2008. Como o primeiro fabricante de tanques de aço revestido com vidro (GFS) da China, a empresa possui cerca de 200 patentes relacionadas a esmalte, produz aproximadamente 300.000 placas de aço revestidas com esmalte por ano, concluiu mais de 30.000 projetos instalados e fornece seus tanques para mais de 100 países. A nova base de produção de 150.000 m² foi adicionada para aumentar a capacidade de produção, e tanques individuais são fornecidos com capacidade de até 60.000 m³. A fabricação opera sob as normas ISO 9001 e ISO 45001, com certificação de produtos incluindo NSF/ANSI 61, WRAS, FDA, LFGB, CE (EN 1090), ISO 28765, FM, BSCI e EUROCODE, e o design é referenciado nas normas AWWA D103-09, AWWA C550 e NFPA onde a aplicação exige.
Carcaça de armazenamento e qualidade da água
· Os cascos de aço vitrificado são esmaltados a 820-930 °C com uma camada de esmalte de 0,25-0,45 mm, aderência de 3450 N/cm², teste de férias de 1500 V CC e Ra abaixo de 0,8 µm, o que mantém a superfície interna suficientemente lisa para manter uma termoclina estável com baixa perda de carga parasita.
· O serviço atmosférico de água gelada a granel é coberto pela rota de projeto AWWA D103-09 e pelo controle de produção em fábrica ISO 28765, com NSF/ANSI 61 e WRAS aplicáveis quando a água é classificada como fluido de sistema de grau potável.
· Nosso registro de referência para tanques de água atmosféricos de grande diâmetro e alta capacidade inclui o esquema de água potável da Namíbia de 4 × tanques de φ41,26 m × 8,4 m totalizando 44.900 m³, concluído em 2022-09.
Perguntas frequentes
Q1: Um tanque de armazenamento de energia térmica de data center reduz o número de chillers comprados?
A1: Apenas em armazenamento total. Se a instalação desligar completamente os chillers no pico, pode ser dimensionada para a carga média em vez da carga de pico. Em projetos de armazenamento parcial ou de ride-through, os chillers mantêm o seu dimensionamento e o tanque cobre parte do pico.
Q2: Quantas horas de armazenamento fazem sentido económico?
A2: A maioria dos projetos situa-se entre duas e seis horas de pico. Abaixo de duas, um tanque compete com um simples vaso de amortecimento e o capital não se separa do benefício; acima de aproximadamente seis, o volume e a pegada crescem enquanto a poupança por metro cúbico diminui.
Q3: O tanque pode ficar dentro do limite de pressão do sistema de água refrigerada?
A3: Pode, embora um vaso atmosférico montado no local seja comum para grandes volumes porque a espessura da parede e o projeto dos bocais permanecem simples e o casco pode ser inspecionado por dentro. No lado de descarga da bomba, ele se junta ao limite de pressão, então espessura, aberturas e alívio são calculados para a pressão e temperatura de projeto na especificação.
Q4: O que acontece quando os chillers param e as bombas param junto com eles?
A4: Um tanque alto e isolado perde pouco calor ao longo de algumas horas; o risco real é a mistura. Se a água de retorno morna ainda entra enquanto a circulação parou, a termoclina migra para cima e o frio utilizável encolhe mais rápido do que o balanço térmico sugere. Um tanque cheio mantém sua carga por mais tempo do que um parcialmente descarregado.
Q5: A água gelada em repouso precisa de tratamento especial?
A5: Sim. A água gelada estagnada é propensa ao crescimento biológico e à corrosão de acessórios de aço carbono quando há oxigênio presente, portanto, biocida, controle de pH e inspeção periódica devem fazer parte do plano de comissionamento, e o revestimento deve ser adequado ao programa de tratamento que a planta já utiliza.
Um tanque de armazenamento de energia térmica de data center desacopla a planta de chillers da demanda instantânea de rejeição de calor da carga de TI. Escolha a diferença de temperatura utilizável, aplique a equação de energia com uma fração utilizável realista e verifique a vazão de descarga em relação à capacidade da bomba do circuito. Onde as tarifas de demanda dominam, o caso comercial é claro; onde uma parada do chiller seria de outra forma não planejada, o caso de confiabilidade sustenta a decisão.
Um tanque que atende sua capacidade utilizável é separado de um que fica aquém pelos detalhes: velocidade de entrada, posicionamento do difusor, continuidade do isolamento nos suportes e a lógica de controle na entrega.
Fale com um Engenheiro
Envie-nos a curva de carga de TI, as temperaturas de ida e retorno, a estrutura tarifária e a área do terreno. Faremos com você um cálculo de dimensionamento do tanque, indicaremos a fração utilizável que garantiríamos para a geometria proposta e retornaremos uma ficha de especificação abrangendo diâmetro, altura reta, lista de bocais, espessura de isolamento e seleção de revestimento. Quando o pedido do chiller ainda estiver em aberto, discuta a integração do TES antes de realizá-lo, porque o arranjo das conexões decide a maior parte da lógica de controle.
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