Бак-аккумулятор льда для центра обработки данных: аккумулирование тепла с помощью льда и фазопереходного материала
Создано Сегодня
Бак для хранения льда для центра обработки данных: тепловое хранение со льдом и ПКМ
Ледяной аккумулятор холода для центра обработки данных — это сосуд для аккумулирования тепловой энергии, который запасает холод в виде скрытой теплоты в льду или фазопереходном материале (PCM) и отдаёт его в периоды пикового электропотребления или скачков холодильной нагрузки, чтобы сгладить нагрузку и снизить затраты. По сравнению с аккумулированием холода в охлаждённой воде лёд и PCM запасают гораздо больше холода на единицу объёма, поскольку используют скрытую теплоту плавления, но работают при более низкой температуре и создают большую нагрузку на холодильную установку. Резервуар представляет собой футерованный болтовой или сварной сосуд, соответствующий AWWA D103-09 и ISO 28765, содержащий либо капсулированные ледяные шары, либо пластинчатую ледовую систему, либо суспензию PCM — выбор определяется целью сглаживания пиков на объекте и температурой, которую может принять холодильный контур.
Аккумулирование тепловой энергии позволяет центру обработки данных производить охлаждение, когда это дешево или доступно в избытке, и использовать его, когда это дорого или ограничено. Накопление охлажденной воды — привычная форма, но она требует большого объема, поскольку запасает только явное тепло. Ледяное и фазопереходное аккумулирование резко сокращают этот объем за счет запасания скрытого тепла, ценой более холодного и напряженного холодильного цикла. Для центра обработки данных, стремящегося к сглаживанию пиков, снижению платы за мощность или уменьшению занимаемой площади, лед или фазопереходный материал (PCM) могут оказаться более выгодным решением. Ошибки — это выбор льда там, где подошла бы охлажденная вода, игнорирование влияния более низкой температуры на подъем установки или строительство резервуара, облицовка которого не выдерживает циклов замораживания-оттаивания и работы с суспензией.
Это руководство описывает работу резервуара для хранения льда для центра обработки данных — от вариантов использования льда/фазово-переходных материалов (PCM) до сравнения с системой охлаждённой воды, расчёта размеров и выбора материалов.
Варианты хранения льда и фазово-переходных материалов (PCM)
Хранение льда и фазово-переходных материалов (PCM) существует в нескольких физических формах, и конструкция резервуара зависит от выбранной формы. Три распространённых подхода различаются способом производства, хранения и таяния льда.
1. Инкапсулированный лёд. Герметичные шары или капсулы, заполненные раствором с пониженной температурой замерзания, помещаются в резервуар с водой; холодильная установка замораживает их ночью, а циркулирующая вода растапливает их днём. Резервуар представляет собой простой замкнутый объём с капсулами и водой.
2. Пластинчатый или статический лёд. Лёд образуется на пластинах или змеевиках внутри резервуара; хладагент или рассол непосредственно наращивают и сбрасывают лёд. В резервуаре размещаются пакет пластин и контур талой воды.
3. Материал с фазовым переходом (PCM). Специально разработанный материал с настроенной температурой плавления накапливает скрытую теплоту в более узком диапазоне, чем водный лёд, что позволяет проектировать резервуар с учётом полезного температурного диапазона центра обработки данных, а не 0 °C.
Каждая форма изменяет внутреннее устройство резервуара, путь плавления/разряда и температуру, при которой подаётся накопленный холод.
Лёд и ПКМ против аккумулятора холода с охлаждённой водой
Лёд и ПКМ запасают примерно на порядок больше холода на кубический метр, чем охлаждённая вода, но при более низкой температуре и более высоком подъёме установки. Это сравнение является ключевым вопросом выбора.
· Плотность хранения. Охлаждённая вода запасает явную теплоту в пределах нескольких градусов подъёма температуры; лёд запасает скрытую теплоту плавления, поэтому для заданной холодопроизводительности требуется гораздо меньший объём бака.
· Температурный штраф. Лёд и PCM разряжаются при более низкой температуре, чем ТЭС с охлаждённой водой, поэтому холодильная установка работает с большей нагрузкой (больший подъём температуры) для производства льда, обменивая объём на энергию и размер оборудования.
· Соответствие пиковому сглаживанию. Там, где цель — снижение платы за мощность или перенос охлаждения за пределы пикового окна, компактный ледовый/ПКМ-накопитель часто окупается, несмотря на штраф.
· Когда выигрывает охлаждённая вода. Там, где объём не ограничен и температура контура умеренная, ТЭС на охлаждённой воде избегает низкотемпературного напора и проще.
Решение — это компромисс между занимаемой площадью и напором, а не выбор по умолчанию в пользу более плотного варианта.
Атрибут | ТЭС на охлаждённой воде | Ледовый / ПКМ-накопитель |
Механизм накопления | Явная теплота | Скрытая теплота (плавление) |
Объём на единицу охлаждения | Высокий | Низкий (намного плотнее) |
Температура разряда | Умеренная (например, 4–7 °C) | Низкая (около 0 °C или точка ПКМ) |
Подъём установки | Ниже | Выше |
Лучшее применение | Площадки с доступным объёмом | Сглаживание пиков, ограниченная площадь |
Материал резервуара и режим замораживания-оттаивания
Резервуар для хранения льда или PCM должен выдерживать непрерывные циклы замораживания-оттаивания, а для суспензионных форм — истирание, поэтому облицовка и корпус проектируются с учётом этих условий. Это сложнее, чем статическое хранение воды.
· GFS (стекло, сплавленное со сталью). Эмаль, обожжённая при 820–930 °C, образует гладкую твёрдую поверхность (Ra < 0,8 мкм, адгезия выше 3 450 Н/см²), устойчивую к циклам замораживания-оттаивания и истиранию гранулами/суспензией; каждая панель проходит испытание искрой при 1 500 В пост. тока.
· Болтовой резервуар с облицовкой FBE. Документированное эпоксидное покрытие (в стиле AWWA C550), проверенное для циклов замораживания-оттаивания и температурного диапазона.
· Изготовленные сосуды. Для установок с плиточным льдом или компактными PCM подходят изготовленные резервуары из нержавеющей стали или с облицовкой FBE, соответствующие внутреннему змеевику или пакету пластин.
· Тепловой контур. Поскольку хранилище холодное, внешняя изоляция и герметичная крыша ограничивают теплоприток, который преждевременно расплавил бы запас.
Обшивка выбирается так, чтобы повторяющееся замораживание и любое истирание от поддонов/шлама не ухудшали целостность ёмкости на протяжении десятилетий эксплуатации установки.
Форма | Внутренние элементы резервуара | Температура разряда |
Инкапсулированный лёд | Капсулы в воде | Плавление около 0 °C |
Пластинчатый / статический лёд | Пакет змеевиков или пластин | Плавление около 0 °C |
ПКМ | Настроенный материал плавления | Точка плавления ПКМ |
Расчёт для сглаживания пиков
Объём бака-аккумулятора льда определяется исходя из холодопроизводительности, которую нужно сместить, и окна разрядки, выражается как объём скрытой теплоты, а не как чувствительные тонны. Три входных параметра задают ёмкость.
4. Смещаемая холодопроизводительность. Холодопроизводительность пикового спроса или целевая холодопроизводительность внепикового периода, в холодильных тоннах или кВт·ч, которую объект хочет запасать, а не вырабатывать в пиковый период.
5. Окно разрядки. Количество часов, в течение которых аккумулятор должен разряжаться в пиковый период, что определяет требуемую скорость разрядки, а также общий объём.
6. Ограничение по температуре и напору. Наименьшая полезная температура разряда и напор холодильной установки, который может принять завод, определяют, является ли лёд или ПКМ с более высокой температурой правильным выбором.
Результат — компактный латентный накопитель, рассчитанный на смещённую нагрузку и окно, с привязкой к температурным пределам контура, а не объём охлаждённой воды, ошибочно применённый к ледовой нагрузке.
Интеграция с системой охлаждения
Ледяной или PCM-накопитель подключается к системе охлаждения центра обработки данных через контур заряда/разряда, который система управления планирует с учётом пикового окна. Дисциплина интеграции имеет значение.
· Заряд вне пиковых часов. Холодильная установка замораживает накопитель (или задаёт состояние PCM), когда электроэнергия дешевле или центральная установка имеет резервную мощность.
· Разряд в пиковые часы. В течение пикового окна накопитель питает контур охлаждения, снижая нагрузку на чиллеры и плату за мощность.
· Смешивайте с охлаждённой водой. Многие объекты используют гибридную схему: TES на охлаждённой воде для умеренного смещения нагрузки и лёд/ПКМ для наиболее острого пика, планируемые совместно.
Такое планирование превращает плотный запас в измеримое снижение пиковой электрической нагрузки.
Пример проекта
Специализированный справочный объект по льдоаккумуляции для центров обработки данных пока не входит в поставленный портфель, поэтому данная статья написана как инженерное руководство, а не как ссылка на проект. Способность компании поставлять крупные болтовые резервуары для тепловой и водяной аккумуляции демонстрируется в смежных секторах: в рамках зарубежных программ противопожарной защиты были поставлены резервуары GFS объёмом до 12 261 м³ (Индия, 3 резервуара, 2024-06) и 1 666 м³ (Сингапур, 2 резервуара, 2026-01), изготовленные по тем же стандартам болтовых резервуаров. Эти референсы подтверждают поставку крупнообъёмных болтовых резервуаров и обеспечение качества для облицовок, способных выдерживать циклы замораживания-оттаивания; это проекты противопожарной защиты, а не установки льдоаккумуляции для центров обработки данных, и приводятся здесь исключительно как контекст возможностей.
Инженерные возможности Center Enamel
Center Enamel (Shijiazhuang Zhengzhong Technology Co., Ltd) занимается проектированием и изготовлением сборных резервуаров с 2008 года. Являясь первым в Китае производителем резервуаров из стеклоплавильной стали (GFS), компания владеет почти 200 патентами, связанными с эмалью, производит около 300 000 стальных пластин с эмалевым покрытием в год, реализовала более 30 000 установленных проектов и поставляет свои резервуары более чем в 100 стран. Новая производственная база площадью 150 000 м² была добавлена для увеличения производственных мощностей, а единичные резервуары поставляются объёмом до 60 000 м³. Производство осуществляется в соответствии с ISO 9001 и ISO 45001, сертификация продукции включает NSF/ANSI 61, WRAS, FDA, LFGB, CE (EN 1090), ISO 28765, FM, BSCI и EUROCODE, а проектирование выполняется с учётом AWWA D103-09, AWWA C550, ISO 28765 и NSF/ANSI 61 там, где этого требует применение.
Для льда и ПКМ-накопления компания поставляет болтовые резервуары GFS и FBE с покрытиями, устойчивыми к замораживанию-оттаиванию и истиранию, герметичными изолированными крышами и документацией по покрытию/искровому тестированию для проверки.
Часто задаваемые вопросы
В1: Чем накопление льда отличается от TES на охлаждённой воде?
A1: Лёд и PCM запасают скрытую теплоту плавления, обеспечивая гораздо более высокую плотность охлаждения на единицу объёма, чем явная теплота охлаждённой воды, но при более низкой температуре разряда и более высоком подъёме холодильного цикла.
В2: Что лучше для сглаживания пиков?
А2: Лёд или PCM подходят для площадок с ограниченной площадью и резких окон пикового спроса, где плотный запас окупается, несмотря на более низкую температуру и более высокий подъём; охлаждённая вода подходит для площадок с доступным объёмом и умеренной температурой.
В3: Каковы основные формы льда/PCM?
А3: Инкапсулированный лёд (капсулы в воде), пластинчатый или статический лёд (лёд на змеевиках/пластинах) и фазопереходный материал, настроенный на полезную температуру плавления; каждый из них изменяет внутреннее устройство резервуара и путь разряда.
В4: Как циклы замораживания-оттаивания влияют на резервуар?
A4: Повторяющееся замораживание и любое истирание гранулами/суспензией требуют твёрдой износостойкой облицовки; предусмотрена эмаль GFS (Ra < 0,8 мкм, испытание искрой при 1 500 В пост. тока) или документированный класс FBE, с изоляцией для ограничения теплопритока.
Q5: Как определяется размер резервуара?
A5: От требуемой холодопроизводительности, окна разгрузки и минимально допустимой полезной температуры/напора, которые принимает установка — рассчитывается как объём скрытого хранения, а не объём охлаждённой воды.
Q6: Может ли ледяное хранилище сочетаться с TES на охлаждённой воде?
A6: Да. Многие объекты используют гибридную схему: TES на охлаждённой воде для умеренного сдвига и лёд/ПКМ для наиболее резкого пика, планируемые совместно системой управления.
Q7: Какие стандарты применяются?
A7: AWWA D103-09 для болтовой конструкции и ISO 28765 для стеклоэмалевого исполнения, где это требуется; NSF/ANSI 61 и WRAS применяются, когда вода контура контактирует с обшивкой, смежной с питьевой водой.
Ледяной аккумулятор для центра обработки данных обменивает подъем установки на плотность хранения, запасая холод в виде скрытой теплоты в льду или фазовом переходном материале (PCM), чтобы сглаживать пики и сокращать плату за мощность там, где ограниченная площадь или резкие пики делают использование охлажденной воды непрактичным. Выбирайте форму — капсулированную, пластинчатую или PCM — в соответствии с температурными ограничениями площадки, указывайте покрытие GFS или FBE, устойчивое к циклам замораживания-оттаивания и истиранию, подбирайте размер аккумулятора под смещенную нагрузку и временное окно, а изготовление ссылайте на AWWA D103-09 и ISO 28765. При таком подходе тепловое аккумулирование заслуженно занимает свое компактное место в стратегии охлаждения.
Связаться с инженером
Для аккумулятора холода с ледяным хранением для центра обработки данных сообщите нам холодопроизводительность, которую вы хотите сместить, пиковое окно разряда, минимально полезную температуру вашего контура и предел подъёма холодильной установки, а также предпочтительную форму льда/ПКМ. Мы вернём рекомендацию по форме хранения, спецификацию болтового резервуара GFS или FBE с футеровкой, устойчивой к замораживанию-оттаиванию, и изолированной крышей, а также исследование расчёта скрытого хранения со ссылкой на AWWA D103-09 и ISO 28765 с документацией по покрытию и испытанию на искру.
WhatsApp