Tanques TES: Uma Referência Rápida Para Armazenamento Térmico em Refrigeração de Data Centers
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Tanques TES: Uma Referência Rápida Para Armazenamento Térmico no Arrefecimento de Centros de Dados
Um tanque TES armazena resfriamento como calor sensível em água gelada estratificada, calor latente em gelo ou calor latente em um material de mudança de fase, e permite que a central de chillers reduza a demanda de pico ou atravesse um evento; a arquitetura correta é escolhida a partir da elevação de temperatura disponível, do espaço e do regime de trabalho que o armazenamento deve desempenhar.
Introdução
O armazenamento de energia térmica (TES) em uma central de resfriamento de data center é um tanque que armazena resfriamento quando ele está barato ou abundante e o devolve quando a carga ou a tarifa exigem. É a maior alavanca isolada que a maioria das centrais de resfriamento possui para cortar a demanda elétrica de pico e para atravessar um evento da rede sem combustível de gerador, e funciona com os chillers que você já possui, em vez de substituí-los.
Esta é uma referência compacta, não um manual de projeto. Ela explica o que é um tanque TES, as três arquiteturas de uso comum e os números que definem cada uma, como o armazenamento remodela a central de chillers, quanto custa e qual é o retorno, os casos em que não vale a pena e as perguntas que você deve levar a um especialista antes de comprometer capital. A base física é o ASHRAE Handbook; os testes de desempenho de tanques de armazenamento seguem os procedimentos de teste uniformes publicados pela IAPMO.
Leia isto primeiro quando estiver se orientando e, em seguida, leve as perguntas do final ao engenheiro que dimensionará o tanque real.
O que é um tanque TES em um parágrafo
Um tanque TES é um armazenamento de capacidade de refrigeração, não um gerador dela. Ele contém um volume de fluido a uma temperatura útil para a instalação, carregado pelos chillers quando há capacidade excedente ou energia barata e descarregado para a serpentina de refrigeração ou para a distribuição quando a carga ou a tarifa assim o exigem. O tanque em si não realiza refrigeração; ele desacopla o momento em que a refrigeração é produzida do momento em que é utilizada.
Para um data center, o valor é duplo. Operacionalmente, ele sustenta a instalação durante uma perturbação da rede ou uma falha do chiller pelos minutos ou horas que a massa térmica consegue cobrir, e economicamente permite que os chillers funcionem à noite ou durante a tarifa fora de ponta para encher o tanque, e depois reduza ou evite a demanda elétrica de ponta durante o dia. O tanque é o tampão entre os chillers e a carga no tempo, e não apenas no fluxo como faz um tanque de amortecimento.
As três arquiteturas
Três arquiteturas dominam. O armazenamento estratificado de água gelada é o mais simples: um tanque alto de água carregado frio na parte inferior e quente na parte superior, separado por uma termoclina, de modo que a planta retira água fria do fundo e devolve água quente ao topo. Opera com uma elevação de temperatura modesta de alguns graus e utiliza água comum como meio.
O armazenamento de gelo utiliza o calor latente de fusão: uma densidade energética por volume muito maior do que a da água, construído como gelo-sobre-serpentina, onde o gelo se forma ao redor dos tubos por onde flui a salmoura, ou como um coletor dinâmico que produz e armazena gelo separadamente. O armazenamento com materiais de mudança de fase situa-se entre os dois, utilizando um sal ou eutético que derrete e congela a uma temperatura escolhida, proporcionando armazenamento latente a um ponto de ajuste definido sem as temperaturas de salmoura muito baixas exigidas pelo gelo.
Os números que definem cada arquitetura
Os números que definem cada arquitetura são a densidade de energia e a elevação de temperatura necessária. O armazenamento de água gelada estratificada armazena aproximadamente 1,16 kWh por metro cúbico por grau Celsius de delta-T (rho x cp x delta-T), portanto, uma variação de 5 °C (9 °F) proporciona cerca de 5,8 kWh/m3, e o tanque é grande, mas os chillers permanecem em temperaturas normais de água gelada.
O gelo armazena cerca de 93 kWh/m³ de calor latente no ponto de congelamento, portanto o tanque é muito menor para a mesma energia, mas os chillers devem produzir salmoura próxima de 0 °C (32 °F) ou abaixo, o que custa elevação e eficiência. O material de mudança de fase armazena na sua temperatura de fusão, tipicamente dezenas de kWh/m³, entre os dois extremos. A seleção é uma troca entre volume do tanque, elevação do chiller e a temperatura que a distribuição pode aceitar. A escolha raramente se trata de qual armazena mais energia por metro cúbico, porque a planta geralmente pode abrir espaço para um tanque; trata-se da elevação do chiller que a arquitetura escolhida exige e da temperatura de distribuição que as serpentinas existentes realmente aceitarão.
Como isso altera a central de chillers
O armazenamento altera a central de chillers ao permitir que ela opere em função do tanque em vez da carga instantânea. No modo de carga, os chillers enchem o tanque, dimensionado para a carga média durante a janela de carga em vez do pico, de modo que uma central de chillers menor ou mais lenta pode atender a uma carga de pico maior do que conseguiria sem armazenamento.
No modo de descarga, o tanque fornece parte ou a totalidade do arrefecimento, pelo que os chillers podem ser reduzidos ou parados durante o pico ou o evento. O controlo da instalação ganha um grau de liberdade: quando produzir arrefecimento versus quando utilizá-lo, decidido pela tarifa, pelo sinal da rede ou pelo plano de resiliência, em vez de pela procura em tempo real da serpentina. Essa liberdade é o ativo; o tanque é o hardware que a sustenta.
Quanto custa e quanto poupa
O que custa é o tanque, a bomba e distribuição adicionais, e os controlos para o carregar e descarregar; o que poupa é a procura elétrica de pico, a respetiva taxa de potência, e em alguns mercados a capacidade de evitar um gerador ou reduzir o seu combustível. O retorno é função da estrutura tarifária e da frequência com que o pico é efetivamente reduzido, não uma percentagem fixa.
A afirmação honesta é que a economia depende da tarifa: uma planta que atinge picos acentuados contra uma tarifa de demanda elevada recupera o investimento no tanque mais rapidamente do que uma com perfil plano, e um campus que precisa de resiliência durante eventos da rede valoriza o tanque pela capacidade de suportar a transição que ele proporciona, independentemente da tarifa. Quantifique tanto a redução de demanda quanto o valor de resiliência antes de comprometer o capital, porque um ou outro geralmente sustenta o caso.
Quando não faz sentido
O armazenamento térmico não vale a pena quando o perfil de carga já é plano, a tarifa não inclui uma cobrança de demanda que compense reduzir, ou o local não tem espaço e nem tolerância para a elevação do chiller que a arquitetura escolhida exige. Uma planta que nunca atinge picos em relação a uma cobrança não tem nada para o tanque suavizar, e o capital fica ocioso.
Também falha quando a distribuição não consegue usar a temperatura de armazenamento: água gelada estratificada precisa de um delta-T que as serpentinas aceitem, gelo precisa de uma planta de salmoura que o proprietário não vai operar, e mudança de fase precisa de um set point que o sistema realmente atravesse. Se a única maneira de usar o resfriamento armazenado é reconstruir a distribuição, o armazenamento é o primeiro investimento errado. Combine a arquitetura com a planta que você tem antes de dimensionar o tanque.
Perguntas para levar a um especialista
Leve uma lista curta e específica ao especialista para que a conversa seja sobre números, não sobre categorias. As perguntas são sobre o regime de trabalho, a temperatura, o espaço e o dinheiro, e cada uma delas restringe a arquitetura que sobrevive.
· Que regime o tanque deve cumprir: redução de pico, continuidade, ou ambos, e por quanto tempo?
· Que delta-T a distribuição pode realmente utilizar, e que elevação do chiller é aceitável para viabilizar o armazenamento?
· Que volume e área estão disponíveis no local, e qual é a capacidade de carga da laje ou do piso?
· Qual é a estrutura tarifária, e qual é o encargo de demanda ou o valor de resiliência que o tanque recuperaria?
· Qual arquitetura se adequa à temperatura e ao espaço, e qual é o custo instalado versus o valor recuperado ao longo da vida útil da planta?
Termos e normas principais
Alguns termos e normas enquadram toda discussão sobre TES. Termoclina é a fronteira graduada entre água quente e fria em um tanque estratificado; o carregamento completo a mantém nítida. O calor latente de fusão é a energia que o gelo ou um material de mudança de fase armazena a temperatura constante ao congelar ou derreter, distinto do calor sensível armazenado por uma mudança de temperatura.
As referências de engenharia são o ASHRAE Handbook - HVAC Systems and Equipment para a física da central e os procedimentos de ensaio uniformes do IAPMO para tanques de armazenamento térmico para a forma como o desempenho é medido. Um tanque é especificado pela sua capacidade energética em kWh de arrefecimento, o seu delta-T de funcionamento, as suas taxas de carga e descarga, e a temperatura que a distribuição aceita; mantenha esses quatro em cada desenho e a escolha da arquitetura mantém-se honesta.
Comparação de Arquiteturas TES: Meio, Densidade de Energia, Elevação do Chiller
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