Tanques de Armazenamento de Energia Térmica para Data Centers: Comparação entre Água, Gelo e PCM
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Tanques de Armazenamento de Energia Térmica para Data Centers: Comparação entre Água, Gelo e PCM
A água gelada é a rota de menor risco para a maioria dos sites. Os tanques de armazenamento de energia térmica para data centers que contêm água armazenam cerca de 1,16 kWh por metro cúbico por kelvin, aproximadamente 7 kWh/m3 com um delta de 6 K antes das perdas. O gelo proporciona várias vezes essa densidade em igual volume, mas acrescenta colheita, degelo e um circuito indireto. O PCM fica entre os dois e geralmente custa mais por quilowatt-hora utilizável. Os tanques de água operam perto da pressão atmosférica com isolamento maduro, controle de estratificação e prática de fabricação. Os tanques de armazenamento de energia térmica para data centers são especificados em três meios - água gelada, gelo e material de mudança de fase - e cada meio altera a carcaça, não apenas a contagem de vasos.
As densidades dos racks continuam aumentando e, com elas, a parcela da energia do site gasta para afastar o calor da carga de TI. Os chillers são dimensionados para a pior hora, não para a média, e essa hora define tanto a conta do equipamento quanto a tarifa de demanda. O armazenamento de energia térmica desloca o resfriamento para horas baratas: a planta opera intensamente fora do horário de pico, enche um tanque e atravessa o pico da tarde com frio armazenado.
Três meios armazenam frio. Água gelada em um tanque isolado estratificado é o projeto de referência. Gelo, formado em serpentinas ou colhido por máquina dentro de um tanque de água, aumenta a energia por metro cúbico. Materiais de mudança de fase encapsulados visam ao mesmo objetivo com uma transição sólido-líquido. Todos os três reduzem a tonelagem de pico do chiller; nenhum deles reduz o total de quilowatts-hora do local, e cada um altera o layout, os controles e o plano de manutenção.
Esta comparação percorre os números que definem a aquisição de tanques de armazenamento de energia térmica para data centers: capacidade por metro cúbico, custo por quilowatt-hora utilizável, que fração do frio armazenado pode ser retirada e como cada rota se comporta sob manutenibilidade simultânea.
O que as Três Rotas Realmente Armazenam
A densidade de armazenamento define o tamanho do tanque. Para um tanque de líquido, a capacidade segue `Q = V x rho x cp x dT`. A água a cerca de 1000 kg/m3 e 4,186 kJ/kg.K armazena 4,186 MJ por metro cúbico por kelvin, aproximadamente 1,163 kWh/m3.K. Na faixa comum de 6 K, de 6 °C a 12 °C, isso equivale a cerca de 7 kWh/m3.
O gelo troca mudança de massa por calor latente. O congelamento a 334 kJ/kg armazena muito mais por unidade de massa do que o resfriamento sensível, então um tanque de serpentina envolta ou de colheita com a mesma pegada armazena várias vezes o frio de um tanque de água. O curto-circuito térmico através da camada de gelo consome silenciosamente essa vantagem entre ciclos.
O PCM fica entre os dois, atrás de um trocador de calor. Sais ou parafinas encapsulados mudam de fase a uma temperatura fixa e normalmente são mantidos atrás de um circuito intermediário, que retém uma fração do calor latente por metro cúbico quando se contabilizam o invólucro e a área de transferência.
Estas três densidades definem o tamanho do vaso para tanques de armazenamento de energia térmica para data centers. A água precisa do maior número de metros cúbicos para a mesma função, o gelo o menor, e o PCM fica no meio.
1. Água: menor custo por kWh, maior tanque, conexão direta ao chiller em muitos projetos.
2. Gelo: compacto, indireto e com uma temperatura de aproximação mais elevada na serpentina.
3. PCM: de compacto a médio, com itens de encapsulamento e separação de fases a observar.
Custo de Capital, Pegada e Layout da Planta
O volume do tanque é o custo visível; o balanço de planta é o silencioso. Um tanque de água precisa de uma casca isolada, bocais de entrada e saída, um difusor, uma bomba e controles. Gelo e PCM adicionam um pacote de trocador de calor, um circuito de fluido secundário e, no caso do gelo, uma sequência de degelo que consome do tanque enquanto ele opera.
A pegada escolhe a rota em campi apertados. Onde existe um parque de tanques disponível, o armazenamento de água vence em custo por quilowatt-hora armazenado em todas as categorias operacionais. Onde a área de laje é fixa, mas há altura de casa de máquinas, gelo ou PCM se justifica mesmo com um custo maior por kWh, porque a alternativa é um segundo edifício de chillers.
A mudança na condição de pressão altera o escopo estrutural. Um tanque de água próximo à pressão atmosférica está fora do limite de pressão, portanto os bocais e aberturas são projetados apenas para carga hidráulica. Máquinas de gelo pressurizadas operam em pressão manométrica positiva e trazem consigo o vaso, seu reforço e seu regime de inspeção.
· Água gelada: menor capital por quilowatt-hora utilizável, maior pegada, sem circuito indireto em muitos projetos.
· Gelo: duas a quatro vezes o capital de um tanque de água, pegada compacta, circuito indireto sempre.
· PCM: capital de médio a alto, pegada de compacta a média, circuito indireto sempre.
Eficiência Utilizável, Perdas e Extração
A eficiência de carga e descarga difere. Um tanque de água perde uma pequena parte do conteúdo por dia através do isolamento e da mistura, e os projetistas aplicam 70-90 por cento da teoria para a capacidade utilizável após estratificação, curto-circuito e perda por mistura.
O gelo perde para o curto-circuito térmico. O calor que atravessa o envelope derrete gelo que nunca foi carregado para uso, então a planta deve sobrecarregar. A qualidade do isolamento e a geometria do vaso definem essa taxa.
O PCM perde no lado da transferência. A baixa condutividade na camada de mudança de fase limita a potência de carga e descarga pela área superficial em vez do volume, então dimensionar para a taxa de pico aumenta o vaso e corrói o ganho de densidade.
Rota | Densidade teórica | Proporção utilizável | Principal mecanismo de perda |
Água gelada | ~1,16 kWh/m3.K | 70-90 por cento | Colapso da estratificação, fuga ambiente |
Gelo | Várias vezes a água | 60-85 por cento da carga | Curto-circuito térmico, retirada de degelo |
PCM | Gama média | 60-80 por cento do latente | Transferência limitada por condução, separação |
Operação, Manutenção e Comportamento de Falha
Os sistemas de água falham lentamente e de forma visível. A estratificação erode-se, os difusores obstruem-se e um retorno de sobre-temperatura mistura o tanque. A química é a que a instalação já utiliza: biocida, inibidor, controlo de incrustações e limpeza periódica.
As instalações de gelo têm uma lista mecânica. A incrustação das serpentinas, a formação de pontes de gelo, o emperramento da válvula de degelo e a fuga do circuito recorrem, tudo dentro de um vaso isolado, o que torna o acesso difícil.
O PCM adiciona itens de estabilidade do material. Danos ao encapsulante, segregação em hidratos de sal e incrustação no trocador de calor precisam, cada um, de um ponto de monitoramento ativo desde o primeiro dia. Na prática, registre a temperatura de entrada e saída, o nível e a velocidade do difusor para o tanque de água, a frequência de degelo e a fração de gelo para a planta de gelo, e a potência de carga e descarga com deriva da faixa de fase para o skid de PCM.
Especificação Técnica
Item | TES de água gelada | TES de gelo | TES de PCM |
Meio de armazenamento | Água, 5-7 a 12-14 °C | Gelo em água, serpentina ou colheita | Sal encapsulado ou parafina |
Fórmula de capacidade | Q = V x rho x cp x dT | m x 334 kJ/kg, menos curto-circuito | m x calor latente, menos penalidade do trocador de calor |
Faixa utilizável | Delta de 5-7 K | Ponto de fusão próximo de 0 °C | Temperatura de mudança de fase fixa |
Condição de pressão | Próximo da atmosférica | Manômetro positivo baixo | Atmosférica a manômetro baixo |
Isolamento | Lã mineral, revestimento de alumínio | Parede mais pesada, vedação ao vapor | Lã mineral, vedação ao vapor |
Trocador de calor | Nem sempre necessário | Sempre | Sempre |
Potência de descarga de pico | Bocal, bomba e difusor | Área de superfície da serpentina | Caminho e área de condução |
Escopo do casco | Os tanques de armazenamento de energia térmica para data centers usam o mesmo escopo de casco, revestimento e isolamento que qualquer grande vaso atmosférico de água | ||
Referências de projeto | Prática AWWA D103, orientação ASHRAE DC9 | Prática de vasos, especificação de máquinas | Prática de vasos, especificação de materiais |
Caso de Projeto
Campo | Valor |
Projeto | Armazenamento de água potável na Namíbia (P-A) |
Produto | 01 Tanque de aço vitrificado |
Capacidade | 44.900 m3 no total |
Dimensões | 4 tanques, diâmetro de 41,26 m, altura de 8,4 m |
Conclusão | Setembro de 2022 |
Embora nossos projetos de referência entregues no setor de água e águas residuais incluam este escopo potável, o escopo de TES para data centers é projetado com os mesmos padrões. Quatro tanques parafusados com 41,26 m de diâmetro demonstram a contagem de painéis, o diâmetro do casco e a sequência de montagem no local que um grande vaso atmosférico de água exige. Os tanques de armazenamento de energia térmica para data centers herdam o mesmo escopo de casco quando o meio é água e o vaso permanece próximo à pressão atmosférica.
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) na 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 o design é referenciado às normas AWWA D103-09, AWWA C550 e NFPA onde a aplicação exige.
Requisito de médio versus casca
· Água, gelo e PCM impõem cada um um requisito diferente de casco: água precisa de volume e isolamento, gelo precisa de uma serpentina ou coletor interno, PCM precisa de um conjunto de cápsulas que o tanque deve acomodar geometricamente.
· O primeiro passo de menor risco é um casco atmosférico preenchido com água dimensionado a partir da curva de carga de resfriamento, porque mantém o projeto hidráulico e de controle inalterado em relação à planta base.
· Nossas entregas de tanques de água, lideradas pelo esquema de 44.900 m³ da Namíbia, são o precedente direto para um armazenamento baseado em água.
Perguntas Frequentes
P1: O armazenamento de gelo sempre supera a água gelada em custo?
R1: Não. O gelo armazena mais frio por metro cúbico, então o vaso é menor, mas o pacote de máquinas, a sequência de degelo e o circuito indireto aumentam o custo instalado por quilowatt-hora utilizável. Com terreno disponível, a água proporciona o retorno mais rápido.
P2: Qual volume de tanque eu preciso para oito horas de redução de pico?
R2: Dimensione primeiro os quilowatts-hora armazenados: carga em kW vezes horas de deslocamento, dividido pelo fator utilizável, depois divida pela densidade do meio escolhido. A 6 K, a água oferece cerca de 7 kWh/m3 antes do fator de 70-90 por cento.
P3: Um tanque TES de água ajuda durante uma interrupção de energia?
A3: Ajuda. O armazenamento a frio cobre a planta enquanto os geradores e as unidades UPS arrancam, e um tanque atmosférico fornece caudal sem uma alimentação pressurizada. Os projetistas atribuem-lhe um tempo de funcionamento autónomo definido, não um tempo de funcionamento ilimitado.
P4: Um tanque de gelo ou PCM pode se juntar a uma planta de água gelada existente?
R4: Sim, como uma ilha indireta com seu próprio trocador e circuito. A interface é um par de conexões e um sinal de controle, então os chillers existentes mantêm sua interface de planta atrás do novo armazenamento.
P5: Qual meio lida melhor com água de má qualidade?
R5: Um interior de esmalte aplicado em fábrica ou epóxi fundido mantém o casco fora do contato com a água armazenada, então a química afeta o lado da água em vez do aço. Ambos são reparáveis em campo para um tanque aberto para inspeção a cada poucos anos.
P6: Qual é a perda em standby em um tanque isolado?
R6: Um tanque atmosférico bem isolado perde uma pequena fração de carga por dia, reposta no próximo ciclo. A espessura do isolamento, a vedação de vapor e os detalhes de suporte importam mais do que o material do casco.
P7: Vale a pena executar um piloto de PCM primeiro?
A7: A maioria dos operadores testa um vaso em um salão não crítico para registrar a potência de carga e descarga, a deriva da faixa de fase e a incrustação, o que responde se a temperatura de mudança de fase corresponde à água de retorno.
As três rotas armazenam frio de maneiras diferentes, e apenas uma é barata por quilowatt-hora. A água tem o menor custo de capital, a interface hidráulica mais simples e o histórico de manutenção mais profundo, pagando em volume. O gelo compra compacidade com maior custo e partes móveis. O PCM oferece uma faixa de temperatura ajustável e paga por isso em área de transferência e gestão de material. Onde há terra disponível e a janela é longa, o tanque de água é a resposta de referência, e as outras duas se justificam pela pegada, não pela termodinâmica.
Fale com um Engenheiro
Envie a carga do salão em kW, a janela de armazenamento em horas, as temperaturas de ida e retorno do chiller e o layout da planta disponível para um tanque. Retornaremos um cálculo de dimensionamento em metros cúbicos, os quilowatts-hora utilizáveis após o fator de estratificação e perda, e a especificação de bocal, difusor e isolamento. Para uma comparação de meios, solicite o mesmo cálculo para gelo e PCM, para que a escolha se baseie na capacidade utilizável, não na densidade nominal.
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