Tanques de Armazenamento de Energia Térmica para Data Centers: Função, Capacidade e Arquitetura
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Tanques de Armazenamento de Energia Térmica para Data Centers: Função, Capacidade e Arquitetura
Quando um comprador especifica um tanque de armazenamento de energia térmica, o que está realmente a adquirir é uma capacidade de gestão de energia e não um equipamento. A capacidade que importa é a quantidade de calor que o armazenamento pode absorver e posteriormente fornecer, expressa em toneladas-hora ou em kWh, juntamente com o diferencial de temperatura de projeto e a janela de descarga durante a qual essa energia pode ser libertada a um caudal útil. Reportar a capacidade como um volume de água deixa o comprador incapaz de comparar um armazenamento de água gelada com um armazenamento de gelo ou um armazenamento de mudança de fase, porque a energia contida num metro cúbico difere numa ordem de grandeza entre os meios. O regime determina então a arquitetura: o corte de picos, a continuidade e a transferência de carga necessitam cada um de um arranjo de carga e descarga diferente, de uma interface de controlo diferente e de um volume diferente em termos de horas e não de minutos. Isolar o armazenamento também não é um detalhe secundário, uma vez que um ganho de calor diário de alguns por cento da energia armazenada remove uma fração utilizável da capacidade ao longo de um período de repouso.
Para que serve realmente um armazenamento de energia térmica
Um armazenamento de energia térmica é um volume de meio de armazenamento deliberadamente organizado cujo propósito é reter energia térmica ao longo de um período de tempo e movê-la para dentro ou para fora da instalação a uma taxa que a instalação não consegue fornecer. A energia é movida, não criada: o armazenamento é carregado a partir de uma fonte que de outra forma estaria em funcionamento, e descarregado numa demanda atendida de outra forma para tanque de armazenamento de energia térmica
Essa formulação importa mais do que o equipamento, porque é o que pode ser comparado entre propostas. Uma proposta que oferece um volume de tanque sem uma declaração de energia e uma janela de descarga não declarou o que está sendo vendido. Uma proposta que declara a energia, o delta-T e as taxas pode ser comparada com uma em um meio diferente para tanque de armazenamento de energia térmica
Capacidade declarada como energia, não como volume
Há duas maneiras de declarar uma capacidade de armazenamento em termos de energia. A forma de horas de carga é a mais simples: a carga térmica em toneladas multiplicada pelas horas durante as quais é descarregada, de modo que um armazenamento que carrega 500 toneladas de refrigeração por 4 horas contém 2.000 toneladas-hora. A forma de massa é a mesma capacidade através do meio: volume vezes densidade, calor específico e diferença de temperatura para tanque de armazenamento de energia térmica
A forma mássica é onde os meios se separam, porque o mesmo metro cúbico contém quantidades muito diferentes de energia dependendo do mecanismo. O armazenamento sensível em água é limitado pela diferença de temperatura na qual o circuito pode operar. O armazenamento latente em gelo em fusão adiciona o calor de fusão a uma temperatura fixa, de modo que uma pequena variação ainda armazena uma grande quantidade de energia para o tanque de armazenamento de energia térmica
Expressão da capacidade | Fórmula | O que ele fixa | Valor ilustrativo |
Forma de horas de carga | Carga térmica em toneladas vezes horas de descarga | A energia que o acumulador deve fornecer | 500 toneladas por 4 horas = 2.000 toneladas-hora |
Forma de massa sensível | Volume vezes densidade, calor específico e delta-T | A quantidade de meio para uma dada energia | 100 m3 a 5 K dá cerca de 2.900 kWh |
Forma mássica latente | Massa vezes calor de fusão no ponto de transição | A quantidade de meio em um ponto fixo | Gelo a 334 kJ/kg por tonelada fornece cerca de 335 kWh |
Fração utilizável | Volume do invólucro vezes a fração que o meio pode atingir | A penalidade pela estratificação imperfeita | 90 por cento de capacidade utilizável mantém 90 por cento da energia |
Três funções que produzem três armazenamentos diferentes
O corte de picos, a tolerância a falhas e o deslocamento de carga parecem semelhantes do exterior porque todos os três envolvem um tanque num sistema de água gelada, e diferem naquilo que se pede ao tanque durante o evento. O corte de picos visa a contribuição da central para um pico de procura: o armazenamento descarrega enquanto essa contribuição é mais elevada para o tanque de armazenamento de energia térmica
A capacidade que cada função implica difere em género, não apenas em tamanho, e o mesmo acontece com o modo de falha. Um armazenamento de corte de picos que não seja carregado a tempo não contribui em nada para o pico. Um armazenamento de tolerância a falhas que não esteja à temperatura correta não sustenta a carga durante a interrupção. Um armazenamento de deslocamento de carga que perca demasiado por ganho de calor em repouso não tem energia restante para descarregar para o tanque de armazenamento de energia térmica
Escolher entre água gelada, gelo e meios de mudança de fase
O meio determina a temperatura que o armazenamento pode fornecer e a taxa à qual pode ser carregado e descarregado. O armazenamento de água gelada é o mais simples: o armazenamento é a própria água gelada, o delta-T do circuito define a densidade de energia e as taxas são as vazões do circuito. Ele só pode fornecer uma temperatura acima do ponto de fusão do gelo para o tanque de armazenamento de energia térmica
O armazenamento de gelo amplia a faixa para baixo porque a mudança de fase ocorre a uma temperatura fixa e a energia armazenada não é limitada por um delta-T. O custo é um circuito de congelamento e um de derretimento, o manuseio do gelo, uma maior variação de temperatura entre os estados de carga e descarga e mais lógica de controle. Os materiais de mudança de fase ficam entre os dois, armazenando calor latente a uma temperatura de transição escolhida para o tanque de armazenamento de energia térmica
Carga, retenção e descarga: arquitetura e interface de controle
Todo armazenamento térmico opera em três modos, e a interface de controle precisa definir todos os três. No modo de carga, o armazenamento aceita calor da planta, seja porque a planta tem capacidade excedente ou porque a tarifa torna a energia barata. No modo de retenção, o armazenamento é isolado e retém sua energia. No modo de descarga, ele fornece calor ao circuito, com conexões separadas onde os modos exigem taxas diferentes para o tanque de armazenamento de energia térmica
A interface de controle determina se o armazenamento funciona na prática. O controlador da planta precisa saber quando o armazenamento está disponível, quanta energia ele contém e que taxa pode fornecer, e o controlador do armazenamento precisa saber o que a planta está fazendo. Essa troca é um conjunto de sinais definidos: uma indicação de estado, uma disponibilidade de carga, uma disponibilidade de descarga, a energia armazenada ou os sensores de temperatura, e os sinais de permissão para o tanque de armazenamento de energia térmica
Estratificação e a capacidade utilizável que ela deixa disponível
Num armazenamento de água gelada, a capacidade utilizável não é o volume do tanque. É a fração do tanque que o armazenamento consegue efetivamente alcançar com a água no estado térmico correto, e essa fração é determinada pela qualidade com que o armazenamento mantém as suas camadas. A água fria carregada no topo cai através da água mais quente por baixo e empurra a água quente para cima para o tanque de armazenamento de energia térmica
Isto tem um efeito direto na aritmética energética, e é o efeito que mais frequentemente falta numa proposta. Um armazenamento especificado com base no volume do tanque assume que todo o volume está disponível no delta-T de projeto. Uma estratificação imperfeita proporciona um volume utilizável menor, pelo que a insuficiência aparece como uma falta de energia na descarga em vez de como um tanque em falta. A especificação tem de indicar a capacidade utilizável para o tanque de armazenamento de energia térmica
Isolamento e ganho de calor como perda de capacidade
Todo armazenamento térmico perde calor através da sua carcaça, do seu teto e da sua tubulação, e essa perda sai diretamente da energia armazenada. A perda é proporcional à área superficial, à diferença entre a temperatura do armazenamento e a ambiente, e à condutância do isolamento, portanto escala com a geometria que define a capacidade. A razão entre superfície e volume decide se a perda é um erro de arredondamento ou uma fração séria para o tanque de armazenamento de energia térmica
O efeito é mais claramente expresso como uma porcentagem de perda diária. Se um armazenamento perde um ganho de calor diário igual a uma pequena porcentagem da sua energia armazenada, um longo período de repouso remove essa porcentagem por dia, e o armazenamento entrega menos do que foi carregado. Um armazenamento carregado no fim de semana para uma descarga na manhã de segunda-feira perde três dias de ganho de calor em repouso para o tanque de armazenamento de energia térmica
Confiabilidade e as condições de falha que importam
Um armazenamento térmico tem mais formas de falhar do que um tanque sem função atribuída, porque possui componentes internos ativos, uma interface de controlo e um estado armazenado que pode degradar-se. As condições de falha que vale a pena considerar no projeto são a perda de estratificação, uma sonda de temperatura ou de nível avariada, uma válvula que encrava e a falha do equipamento auxiliar que move a água para o tanque de armazenamento de energia térmica
A perda de estratificação é uma falha gradual que se manifesta como um défice de capacidade em vez de um alarme, razão pela qual a capacidade utilizável tem de ser verificada por um teste. Uma sonda avariada remove a informação da qual depende a sequência de controlo, e o comportamento correto é um estado de fallback definido. Uma válvula encravada aberta deixa o armazenamento ligado ao circuito para o tanque de armazenamento de energia térmica
Armazenamento térmico comparado com funções de buffer, e a lista de verificação da especificação
Os dois deveres são separados mais claramente pela escala temporal e pela unidade em que cada um é medido. Um tanque de tamponamento é medido em galões ou metros cúbicos por tonelada e dimensionado em minutos. Um acumulador térmico é medido em toneladas-hora e dimensionado em horas, com um delta-T de projeto e uma janela de descarga. Um tamponamento é um vaso simples; um acumulador necessita de componentes internos e estratificação para o tanque de armazenamento de energia térmica
A especificação, portanto, tem de fixar o dever e a unidade antes de fixar um volume. Indica o dever em horas e em termos de tarifa ou interrupção, a energia em toneladas-hora e kWh juntamente com o volume, o delta-T de projeto e os meios, as taxas de carga e descarga, o período de repouso e a perda de calor de projeto, e a capacidade utilizável com o seu método de verificação para o tanque de armazenamento de energia térmica
· O dever em horas: redução de picos, ride-through ou deslocamento de carga, e o seu evento para o tanque de armazenamento de energia térmica
· A energia em toneladas-hora e kWh, e o delta-T de projeto ou ponto de transição para o tanque de armazenamento de energia térmica
· O meio e o estado físico que ele mantém para o tanque de armazenamento de energia térmica
· A taxa de carga, a taxa de descarga e a janela de descarga para o tanque de armazenamento de energia térmica
· O período de repouso e a perda de calor de projeto para o tanque de armazenamento de energia térmica
· A capacidade utilizável, declarada separadamente do volume do casco para o tanque de armazenamento de energia térmica
· O método de verificação da capacidade utilizável para o tanque de armazenamento de energia térmica
· Os sinais de interface de controle entre o armazenamento e o controlador da planta para o tanque de armazenamento de energia térmica
· Estados seguros definidos para falhas de sonda, válvula e energia auxiliar para o tanque de armazenamento de energia térmica
· Restrições do local quanto à pegada, acesso, capacidade de guindaste e instalação para o tanque de armazenamento de energia térmica
Estudo de Caso do Projeto
Referência de entrega para este serviço, citada da biblioteca de projetos verificados. Nível de correspondência C. Uma entrega de grande volume em vidro fundido com aço citada como evidência de capacidade de fabrico. A biblioteca verificada não contém qualquer projeto de armazenamento de energia térmica ou de armazenamento refrigerado de centros de dados, pelo que este artigo não a utiliza para demonstrar desempenho de estratificação ou capacidade de armazenamento, conforme detalhado para tanques de armazenamento de energia térmica.
ID do projeto | País | Produto | Capacidade | Número de tanques | Dimensões | Conclusão | Âmbito de fornecimento |
NAM-POT-44900-B | Namíbia | Tanque aparafusado de vidro fundido com aço (GFS) | 44.900 m3 | 4 | φ41,26 × 8,4 m (A) por tanque | 2022-09 | Não registado |
Uma entrega de grande volume em vidro fundido com aço citada como evidência de capacidade de fabrico. A biblioteca verificada não contém qualquer projeto de armazenamento de energia térmica ou de armazenamento refrigerado de centros de dados, pelo que este artigo não a utiliza para demonstrar o desempenho de estratificação ou a capacidade de armazenamento, conforme detalhado para o tanque de armazenamento de energia térmica.
Perguntas Frequentes
Q1. O que compra realmente um comprador ao especificar armazenamento térmico?
O comprador adquire a capacidade de reter uma quantidade de energia térmica e movê-la ao longo do tempo. A capacidade de gestão de energia é o produto; o tanque é o recipiente que a entrega. Uma proposta baseada em volume de água não pode ser comparada com uma proposta de armazenamento de gelo, ainda que ambas satisfaçam a mesma função para o tanque de armazenamento de energia térmica
Q2. Porque é que a capacidade é expressa em energia em vez de volume?
Porque o mesmo volume contém quantidades muito diferentes de energia em meios diferentes. O armazenamento sensível em água é limitado pelo delta-T em que o circuito pode operar. O armazenamento latente em gelo em fusão acrescenta o calor de fusão a uma temperatura fixa, pelo que uma pequena variação ainda armazena uma grande quantidade, conforme detalhado para o tanque de armazenamento de energia térmica.
P3. Quais três funções desempenha o armazenamento térmico?
Redução de picos, ride-through e deslocamento de carga. A redução de picos diminui a contribuição da instalação para um pico de procura e recarrega fora do pico. O ride-through mantém a carga durante uma interrupção definida. O deslocamento de carga move o consumo para um período tarifário mais barato. Diferem nas horas envolvidas, pelo que a função deve ser fixada primeiro para o tanque de armazenamento de energia térmica
P4. Como são escolhidos a água gelada, o gelo e os meios de mudança de fase?
A água gelada é a mais simples e contém a menor energia por metro cúbico, limitada pelo delta-T do circuito. O gelo estende a faixa de temperatura para baixo porque a mudança de fase ocorre a uma temperatura fixa, ao custo de um circuito de congelamento e descongelamento e de mais lógica de controle, conforme detalhado para o tanque de armazenamento de energia térmica.
P5. Como é a arquitetura de carga, retenção e descarga?
O modo de carga aceita calor da instalação, o modo de retenção isola o armazenamento e conserva a energia, e o modo de descarga entrega calor ao circuito. A disposição decorre dos modos, com conexões separadas onde as taxas ou temperaturas diferem. A interface de controle deve definir o estado do armazenamento, os sinais de disponibilidade e os dados dos sensores para o tanque de armazenamento de energia térmica
P6. Como a estratificação e a capacidade utilizável se relacionam?
A capacidade utilizável é a fração do invólucro que o armazenamento pode alcançar com água no estado térmico exigido, não o volume do invólucro. Geometria deficiente do difusor, um fluxo de carga rápido ou conexões mal posicionadas misturam as camadas, e a insuficiência aparece como um déficit de energia na descarga em vez de um tanque ausente para o tanque de armazenamento de energia térmica
P7. Como o ganho de calor pela isolação reduz a capacidade?
O ganho de calor através da carcaça, do telhado e da tubulação sai da energia armazenada e escala com a área de superfície, a diferença de temperatura e a condutância do isolamento. Como percentagem de perda diária, um período de repouso de vários dias remove vários dias dessa perda, e o armazenamento entrega menos do que foi carregado para o tanque de armazenamento de energia térmica
P8. Quais são as condições de fiabilidade e falha?
As significativas são a perda de estratificação, que se manifesta como uma insuficiência de capacidade em vez de um alarme; uma sonda de temperatura ou de nível avariada, que remove informação de que a sequência de controlo necessita; uma válvula presa aberta, que deixa o armazenamento ligado ao circuito; e a perda da instalação auxiliar. Cada uma necessita de um estado seguro para o tanque de armazenamento de energia térmica
P9. Como se comparam as funções de armazenamento térmico e de tampão?
Um tanque de armazenamento é medido em galões ou metros cúbicos por tonelada e dimensionado em minutos; ele suaviza uma sobrecarga transitória em um curto intervalo e é um vaso hidraulicamente simples. Um acumulador térmico é medido em toneladas-hora e dimensionado em horas; ele desloca energia ao longo de um período tarifário e precisa de componentes internos, estratificação e um comportamento de falha para o tanque de armazenamento de energia térmica
Q10. O que contém uma lista de verificação de especificação de capacidade e regime de trabalho?
Dez itens: o regime de trabalho declarado em horas com o evento que ele atende; a energia em toneladas-hora e kWh com o delta-T de projeto ou temperatura de transição; os meios e o estado físico mantido; a taxa de carga, a taxa de descarga e a janela; o período de repouso e a perda de calor; a capacidade útil declarada separadamente do volume do casco; o método de verificação; o do tanque de armazenamento de energia térmica
O armazenamento de energia térmica deve ser especificado como uma capacidade em toneladas-hora com um delta-T de projeto declarado, uma janela de descarga declarada e uma perda de calor em repouso declarada, porque uma especificação em termos de volume não pode ser comparada entre um acumulador de água gelada, um acumulador de gelo e um acumulador de mudança de fase, e porque o regime em horas é o que realmente distingue as três aplicações. O corolário é que a capacidade utilizável, a perda durante o período de repouso e o comportamento em falha têm de ser declarados juntamente com o valor de energia, uma vez que é nesses três aspetos que se encontra a diferença entre uma capacidade declarada e uma capacidade efetivamente entregue. Um acumulador especificado desta forma pode ser comparado entre propostas e verificado face ao seu regime na entrada em serviço, o que um acumulador especificado em termos de volume não permite para um tanque de armazenamento de energia térmica
Fale com um Engenheiro
Para um tanque de armazenamento de energia térmica, envie a carga que o armazenamento tem de servir e o evento que cobre, a carga térmica em toneladas e as horas envolvidas, as temperaturas da água gelada no abastecimento e no retorno e o delta-T disponível, a taxa de descarga desejada e a janela, o meio em consideração, o período de repouso entre carga e descarga, as condições ambientais do local, o espaço ocupado e as restrições de grua e acesso, e o sistema de controlo com o qual o armazenamento tem de interagir. Devolveremos um estudo de capacidade que indica a energia em toneladas-hora e kWh, a quantidade de meio e o volume do invólucro, a capacidade utilizável e o requisito de estratificação, a perda de calor de projeto durante o período de repouso, a sequência de carga e descarga, e o comportamento em falha a ser escrito na especificação.
Sobre a Center Enamel
A Shijiazhuang Zhengzhong Technology Co., Ltd (Center Enamel) é uma fabricante profissional dedicada ao projeto e fabricação de tanques de armazenamento parafusados desde 2008. A linha de produtos inclui tanques de Aço Vitrificado (GFS), tanques de Epóxi Fundido (FBE), tanques de aço inoxidável, tanques de aço galvanizado e coberturas geodésicas de alumínio, juntamente com suporte técnico EPC e acessórios para tanques. A produção é realizada sob as normas ISO 9001, ISO 14001 e ISO 45001, e a linha de produtos é certificada pelas normas NSF/ANSI 61, WRAS, CE e EN 1090, ISO 28765, AWWA D103-09 e NFPA onde a aplicação exige. A empresa possui cerca de 200 patentes de esmaltação, opera uma base de produção de 150.000 m2, produz cerca de 300.000 chapas de aço revestidas com esmalte por ano, concluiu mais de 30.000 projetos instalados e enviou tanques para mais de 100 países. A capacidade de projeto de engenharia abrange volumes de tanques de até 60.000 m3, conforme detalhado para tanque de armazenamento de energia térmica.
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