Tanque de Armazenamento de Água Gelada de Emergência para Data Center: Dimensionamento para Perda de Energia
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Tanque de Armazenamento de Água Gelada de Emergência para Data Center: Dimensionamento para Perda de Energia
Um tanque de armazenamento de água gelada de emergência para data center é dimensionado para o intervalo entre a perda da concessionária e a energia de emergência estável, não para a refrigeração de TI durante todo o dia. Dimensione-o a partir do tempo de transferência do comutador, da janela de estabilização do gerador, da potência das bombas e ventiladores consumida em standby e de uma escada de alívio de carga definida. O frio utilizável é de cerca de 1,163 kWh por metro cúbico por kelvin de dT utilizável, com redução para 70 a 90 por cento devido à mistura e ao ganho de calor, o que normalmente proporciona 10 a 45 minutos de carga protegida.
As equipes de operações após uma falha da concessionária raramente ficam sem água gelada primeiro; elas ficam sem margem de projeto. Os chillers desarmam, os geradores partem e o circuito perde pressão por tempo suficiente para que um manipulador de ar de sala de computadores retorne água acima do seu setpoint. Um tanque de armazenamento de água gelada de emergência para data center muda essa sequência: o vaso mantém o frio enquanto a planta reinicia, de modo que a faixa de fornecimento se mantém e a carga crítica não sofre excursão.
O cálculo por trás disso é uma aritmética sem glamour: o tempo de comutação do interruptor de transferência, a janela de estabilização do gerador, a potência de reinício das bombas de distribuição e a escada de desligamento que corta primeiro os racks não essenciais. Ignore esses fatores e o navio fica superdimensionado no papel ou pequeno demais para importar. O que segue cobre a sequência de dimensionamento, a hidráulica que funciona com os chillers parados e os itens de especificação que mantêm a loja fria em um salão desocupado.
Onde os minutos são realmente gastos
Qualquer exercício de dimensionamento credível começa listando os eventos entre a falha da concessionária e o momento em que a planta retorna ao controle automático.
1. Detecção e desconexão. Uma instalação de caminho duplo pode desligar o alimentador normal em segundos; falhas não planejadas se recuperam em um cronograma que ninguém controla.
2. Arranque do gerador e energização do barramento. Os grupos diesel precisam de tempo para atingir a velocidade e a tensão nominais. As bombas de distribuição e do condensador dependem do UPS ou reiniciam em sequência, acrescentando dezenas de segundos.
3. Reinício do chiller e sequenciamento lead-lag. Mesmo com energia disponível, a produção da instalação aumenta por etapas, pelo que passam vários minutos até à capacidade total.
4. Descarga do depósito. Durante esse intervalo, o frio armazenado é a única coisa que arrefece o espaço.
A meta de projeto é que o armazenamento cubra desde a detecção até a restauração da planta, com margem para um gerador que falha ao partir. Quando ambos os alimentadores são afetados, a meta se estende para um segundo gerador ou uma equipe de concessionária.
Duas regras moldam tudo a jusante: o tanque faz a ponte em vez de substituir a energia de emergência, mantendo a carga dentro de sua faixa de temperatura enquanto os equipamentos entram em operação, e apenas a camada fria no fundo do vaso conta, não o inventário total de fluido.
O cálculo do tempo de operação, passo a passo
5. Frio armazenado bruto. Q = V x rho x cp x dT. Para a água, rho x cp é cerca de 1,163 kWh por metro cúbico por kelvin, portanto uma faixa de 6 K dá aproximadamente 7,0 kWh por metro cúbico.
6. Aplique a fração utilizável. A estratificação, a mistura no difusor e o ganho de calor pela carcaça reduzem o que pode ser retirado. Os profissionais aplicam um fator de redução de 70 a 90 por cento; use o valor mais baixo quando o esvaziamento for rápido.
7. Defina a carga de serviço. Durante o evento, não é a carga de TI de pico. É a carga que precisa sobreviver: racks principais mais a potência dos ventiladores e bombas necessária para mover a água através deles.
8. Subtraia a contribuição da gravidade. Com um tanque atmosférico acima da carga, parte do fluxo vem apenas da altura manométrica com as bombas desligadas, o que reduz a carga do gerador.
9. Divida. O tempo de operação é igual aos quilowatts-hora utilizáveis divididos pelos quilowatts de serviço.
Exemplo prático: 4.000 kW de carga protegida, 6 K de dT utilizável, fração utilizável de 0,8, meta de 20 minutos. Volume = 4.000 x (20/60) / (1,163 x 6 x 0,8) = 239 m3, antes do fluxo da bomba, perda em espera e reserva para segunda falha. Esse valor parece pequeno ao lado de um tanque de peak shaving, e é esse o ponto: o dimensionamento de emergência é mais barato que o deslocamento de carga porque a janela é de minutos, não de horas.
Estágios de alívio de carga e o piso frio
Um depósito que tem de cobrir uma interrupção longa precisa que a carga a jusante reduza de forma controlada, ou o fornecimento de frio é consumido rapidamente e a sala desvia-se da temperatura.
Bloco de carga | Ação durante a perda de serviço público | Percentagem da carga de TI |
Racks de produção principais | Permanece energizado e arrefecido | 40 a 60 por cento |
Staging, lote, relatórios | Descartar após 5 minutos | 15 a 25 por cento |
Análise não produtiva | Descartar imediatamente | 10 a 20 por cento |
Escritório e espaço de apoio | Desligado, ou em um circuito separado | 5 a 15 por cento |
O piso frio define a temperatura de fornecimento mais baixa que a planta pode atingir, com margem de congelamento. Durante o drawdown, a temperatura de retorno sobe e o dT útil diminui, então os projetistas fixam um teto de fornecimento, comumente 12 a 15 °C para a condição de emergência, acima do qual mais blocos são desligados.
Hidráulica que mantém o fluxo sem os chillers em operação
Como o tanque se posiciona dentro do limite de pressão decide quanta energia de emergência é necessária.
10. Tanque atmosférico, fluxo por gravidade. A água fria sai por gravidade e retorna por gravidade ou por uma pequena bomba de emergência, então a bomba principal da planta não é necessária para circular. Este é o arranjo por trás da maioria dos esquemas de tanque de armazenamento de água gelada de emergência em data centers que devem manter o fluxo através de uma perda total nos chillers.
11. Tanque pressurizado no limite da instalação. A espessura da parede, o reforço dos bocais, os flanges e as válvulas de alívio são calculados para pressão e temperatura de projeto; o fluxo ainda precisa de bombas no barramento de emergência.
12. Isolamento e pontes térmicas. Lã mineral com revestimento de alumínio ou aço colorido, com suportes e penetrações detalhados para interromper o caminho térmico.
Em ambos os arranjos, a entrada e a saída precisam de difusores e defletores, e a velocidade de entrada permanece em ou abaixo de 0,5 a 1 m/s para que a termoclina permaneça nítida.
Especificação Técnica
A tabela abaixo lista os setpoints e itens de seleção para um data center com tanque de armazenamento de água gelada de emergência.
Item | Valor ou opção típica | Nota |
Volume geométrico | Dimensionado a partir da meta de tempo de operação | 239 m3 no exemplo trabalhado |
dT utilizável | 5 a 7 K, por exemplo 6 °C a 12 °C | Determina o volume linearmente |
Fração utilizável | 70 a 90 por cento | Cobre mistura e perda de calor |
Temperatura de alimentação, normal | 5 a 7 °C | Setpoint usual de água gelada |
Temperatura de alimentação, teto de emergência | 12 a 15 °C | Acima disso, a carga é reduzida |
Classe de pressão do tanque | Atmosférico ou pressurizado | Define a espessura da parede e os reforços |
Velocidade de entrada | 0,5 a 1 m/s | Protege a estratificação |
Isolamento | Lã mineral, revestimento de alumínio ou aço colorido | Detalhes de ponte térmica nos apoios |
Proteção contra congelamento | Traço térmico ou circulação de reserva | Necessário para períodos desocupados |
Meta de tempo de operação | 10 a 45 minutos | Estender para uma segunda falha do gerador |
Caso de Projeto
Embora nossos projetos de referência entregues no setor de água e águas residuais incluam água de incêndio e armazenamento de água potável, o escopo de TES para data centers é projetado com os mesmos padrões. Uma referência relevante é uma instalação de água de incêndio em Sichuan, China.
Item | Detalhe |
Projeto | Sichuan, China — armazenamento de água para incêndio |
Produto | 01 GFS, tanque parafusado de vidro fundido ao aço |
Capacidade | 8.930 m3 em dois tanques |
Dimensões | phi 19,87 m x 14,4 m, 2 unidades |
Conclusão | 2023-11 |
A função é comparável em um aspecto que importa aqui: o tanque contém fluido utilizável para um evento de baixa frequência e alta consequência, com longos períodos de inatividade entre eventos. Um armazenamento de resfriamento de emergência compartilha esse perfil, então a geometria das placas, as juntas aparafusadas e a seleção de revestimento seguem a mesma lógica de engenharia.
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 vidro fundido ao aço (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 produto incluindo NSF/ANSI 61, WRAS, FDA, LFGB, CE (EN 1090), ISO 28765, FM, BSCI e EUROCODE, e design referenciado às normas AWWA D103-09, AWWA C550 e NFPA onde a aplicação exige.
Reserva passiva em nível baixo
· O dimensionamento de emergência geralmente é determinado pelo tempo de comutação do caminho de reserva mais a carga reduzida mantida após o corte de carga, e o tanque ainda deve fornecer frio quando seu próprio nível está baixo.
· Um tanque atmosférico não precisa de ar de instrumentação, nem de controle do espaço gasoso, nem de pressurização ativa para liberar seu frio remanescente, o que mantém o caminho de falha simples.
· A reserva de água de incêndio de Sichuan de 8.930 m³ e os tanques de água municipais dos Emirados Árabes Unidos são os análogos mais próximos em nosso registro para um armazenamento cujo único requisito é estar lá quando o suprimento normal não está.
Perguntas Frequentes
P1: O tanque de emergência deve ser dimensionado para a carga total de TI ou para a carga protegida?
R1: Apenas para a carga protegida. Dimensionar para a carga máxima total produz um vaso maior para uma condição rara, e a diferença é melhor investida em uma escada de descarte que reduz o que o tanque carrega.
P2: O tanque substitui o UPS ou o gerador?
R2: Nenhum dos dois. Os geradores partem em segundos a minutos e o UPS mantém a energia de controle antes que eles assumam a carga. O tanque adiciona margem para um gerador que falha ao partir na primeira tentativa.
P3: Quanto tempo de operação é suficiente?
R3: Depende do esquema de transferência. Uma planta que restaura a energia de forma confiável em menos de 15 minutos precisa de um tanque de armazenamento de água gelada de emergência para data center menor do que uma que precisa sobreviver a uma partida falha. As metas geralmente ficam entre 20 e 45 minutos, mais reserva.
P4: Um único tanque pode atender tanto à emergência quanto ao corte de picos?
A4: Sim, e é comum. O tanque é dimensionado para o maior dos dois deveres, e o caso de emergência então define o volume mínimo e o teto de temperatura.
Q5: Qual derating deve ser aplicado à energia armazenada teórica?
A5: 70 a 90 por cento para perda por estratificação, mistura do difusor e ganho de calor através do casco e isolamento. Considere o limite inferior quando o rebaixamento é rápido em relação ao tempo de renovação do tanque.
Dimensionar um tanque de armazenamento de água gelada de emergência para um data center significa medir uma janela curta de tempo e combiná-la com frio utilizável. A janela vem da comutação de transferência, da resposta do gerador e da reinicialização da planta; o frio vem do volume, do dT e da desclassificação que reflete a estratificação real. Coloque ambos na mesma página e o volume resulta, com a escada de descarte tornando a margem previsível.
O valor não é tempo de execução ilimitado. É que o circuito nunca sai da sua faixa de temperatura enquanto a usina de energia retorna, o que transforma uma reinicialização em uma sequência controlada em vez de uma cascata de equipamentos desarmados.
Fale com um Engenheiro
Envie seu alvo de interrupção, a carga de TI protegida durante o evento e a temperatura de fornecimento que você pode tolerar enquanto a planta reinicia. Retornaremos um cálculo de tempo de execução, o volume necessário e o dT utilizável, e uma folha de especificação cobrindo classe de pressão, isolamento e layout dos bocais.
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