Баки TES: Краткий справочник по аккумуляторам холода в системах охлаждения центров обработки данных
Создано Сегодня
Баки TES: краткий справочник по тепловому аккумулированию в охлаждении центров обработки данных
Бак TES хранит холод либо в виде явного тепла в стратифицированной охлаждённой воде, либо в виде скрытой теплоты во льду, либо в виде скрытой теплоты в материале с фазовым переходом, и он позволяет холодильной установке сглаживать пиковую нагрузку или переживать событие; правильная архитектура выбирается исходя из доступного температурного напора, пространства и задачи, которую должно выполнять хранилище.
Введение
Аккумулятор тепловой энергии (TES) в системе охлаждения центра обработки данных — это бак, который запасает холод, когда он дешёв или в избытке, и отдаёт его, когда этого требуют нагрузка или тариф. Это самый мощный рычаг, имеющийся у большинства систем охлаждения для снижения пикового электропотребления и для прохождения события в энергосети без топлива для генераторов, и он работает с уже имеющимися у вас чиллерами, а не заменяет их.
Это краткий справочник, а не руководство по проектированию. Он рассказывает, что такое бак TES, три архитектуры, обычно используемые на практике, и числа, которые определяют каждую из них, как накопление тепла/холода меняет облик чиллерной станции, сколько это стоит и что приносит, в каких случаях этим не стоит заниматься, и какие вопросы следует задать специалисту, прежде чем вкладывать капитал. Физическая основа — Справочник ASHRAE; эксплуатационные испытания баков-накопителей следуют единым процедурам испытаний, опубликованным IAPMO.
Прочитайте это в первую очередь, когда вы только знакомитесь с темой, а затем задайте вопросы из конца документа инженеру, который будет рассчитывать размеры фактического бака.
Что такое бак TES в одном абзаце
Бак TES — это хранилище холодопроизводительности, а не её генератор. Он содержит объём жидкости при температуре, полезной для установки, заряжается чиллерами, когда есть свободная мощность или дешёвая электроэнергия, и разряжается в охлаждающий змеевик или систему распределения, когда нагрузка или тариф этого требуют. Сам бак не производит охлаждение; он разъединяет время выработки холода и время его использования.
Для центра обработки данных ценность двояка. С операционной точки зрения он проводит установку через сбой электросети или отказ чиллера в течение минут или часов, которые может покрыть тепловая масса, а с экономической — позволяет чиллерам работать ночью или в период действия льготного тарифа, чтобы заполнить бак, а затем срезать или избежать пикового электропотребления в течение дня. Бак является буфером между чиллерами и нагрузкой во времени, а не только по расходу, как это делает буферный бак.
Три архитектуры
Доминируют три архитектуры. Стратифицированное хранение охлаждённой воды — самое простое: высокий бак с водой, заряжаемый холодом внизу и теплом вверху, разделённый термоклином, так что установка забирает холодную воду снизу и возвращает тёплую наверх. Это работает при небольшом температурном перепаде в несколько градусов и использует обычную воду в качестве среды.
Аккумуляция льда использует скрытую теплоту плавления: гораздо более высокую плотность энергии на единицу объёма, чем у воды, реализуется либо как лёд на змеевике, где лёд образуется вокруг труб, по которым течёт рассол, либо как динамический накопитель, который производит и хранит лёд раздельно. Аккумуляция с фазовым переходом занимает промежуточное положение между этими двумя, используя соль или эвтектику, которая плавится и замерзает при заданной температуре, обеспечивая скрытую аккумуляцию при фиксированной температуре без очень низких температур рассола, требуемых льдом.
Числа, определяющие каждую архитектуру
Числа, определяющие каждую архитектуру, — это плотность энергии и требуемый подъём температуры. Стратифицированная охлаждённая вода запасает примерно 1,16 кВт·ч на кубический метр на градус Цельсия дельта-T (rho x cp x delta-T), поэтому колебание в 5 °C (9 °F) даёт около 5,8 кВт·ч/м3, и бак получается большим, но чиллеры остаются при обычных температурах охлаждённой воды.
Лёд запасает около 93 кВт·ч/м³ скрытой теплоты при температуре замерзания, поэтому для того же количества энергии бак получается гораздо меньше, но чиллеры должны производить рассол при температуре около 0 °C (32 °F) или ниже, что требует большего напора и снижает эффективность. Материал с фазовым переходом запасает энергию при температуре своего плавления, обычно десятки кВт·ч/м³, что находится между двумя крайними вариантами. Выбор представляет собой компромисс между объёмом бака, напором чиллера и температурой, которую может принять система распределения. Выбор редко сводится к тому, какой вариант запасает больше энергии на кубический метр, поскольку установка обычно может найти место для бака; он определяется напором чиллера, которого требует выбранная архитектура, и температурой распределения, которую фактически смогут принять существующие теплообменники.
Как это меняет чиллерную станцию
Накопление меняет чиллерную станцию, позволяя ей работать против бака, а не против мгновенной нагрузки. В режиме зарядки чиллеры заполняют бак, рассчитанный на среднюю нагрузку за окно зарядки, а не на пиковую, поэтому меньшая или более медленная чиллерная станция может обслуживать большую пиковую нагрузку, чем без накопления.
В режиме разряда бак обеспечивает часть или всё охлаждение, поэтому чиллеры можно дросселировать или останавливать в часы пика или события. Управление установкой получает степень свободы: когда производить холод, а когда использовать его, — решение принимается на основе тарифа, сигнала сети или плана устойчивости, а не текущего спроса на фанкойлы. Эта свобода и есть актив; бак — это оборудование, которое её обеспечивает.
Сколько это стоит и сколько экономит
Стоимость — это бак, дополнительный насос и распределение, а также средства управления для его зарядки и разрядки; экономия — это пиковая электрическая нагрузка, связанная с ней плата за мощность, а на некоторых рынках — возможность избежать генератора или сократить его топливо. Окупаемость зависит от структуры тарифа и от того, как часто пик действительно срезается, а не от фиксированного процента.
Честно говоря, экономия зависит от тарифа: предприятие с резко выраженным пиком потребления на фоне высокой платы за мощность окупает накопитель быстрее, чем предприятие с равномерным графиком, а кампус, которому нужна устойчивость к сбоям электросети, ценит накопитель за обеспечиваемое им бесперебойное электроснабжение независимо от тарифа. Количественно оцените как снижение потребляемой мощности, так и ценность устойчивости, прежде чем вкладывать капитал, поскольку обычно именно одно из этих двух обстоятельств оправдывает проект.
Когда это не имеет смысла
Теплоаккумулирование не стоит делать, когда график нагрузки уже равномерный, тариф не содержит платы за мощность, которую имеет смысл срезать, или на площадке нет места и нет допуска для подъёма температуры чиллера, требуемого выбранной архитектурой. У установки, которая никогда не выходит на пик относительно тарифа, нет ничего, что мог бы сгладить бак, и капитал простаивает.
Это также не работает, когда система распределения не может использовать температуру аккумулирования: стратифицированная охлаждённая вода требует перепада температур, который принимают теплообменники, лёд требует рассольной установки, которую владелец не будет эксплуатировать, а фазовый переход требует уставки, которую система действительно пересекает. Если единственный способ использовать накопленный холод — перестроить систему распределения, то аккумулирование — неверная первая инвестиция. Согласуйте архитектуру с имеющейся установкой, прежде чем подбирать размер бака.
Вопросы для обсуждения со специалистом
Возьмите с собой на встречу со специалистом короткий конкретный список, чтобы разговор шёл о цифрах, а не о категориях. Вопросы касаются нагрузки, температуры, пространства и денег, и каждый из них ограничивает архитектуру, которая выдержит проверку.
· Какую нагрузку должен выполнять бак: срез пиков, бесперебойную работу или и то, и другое, и на какое время?
· Какую дельту-T система распределения действительно может использовать, и какой подъём температуры чиллера допустим для создания запаса?
· Какой объём и площадь доступны на объекте, и какова допустимая нагрузка на плиту или пол?
· Какова структура тарифов, и какую величину платы за мощность или ценность устойчивости сможет окупить бак?
· Какая архитектура соответствует температуре и пространству, и какова стоимость установки по сравнению с окупаемой ценностью за срок службы объекта?
Ключевые термины и стандарты
Несколько терминов и стандартов определяют любое обсуждение TES. Термоклин — это градуированная граница между тёплой и холодной водой в стратифицированном баке; полная зарядка сохраняет её резкой. Скрытая теплота плавления — это энергия, которую лёд или фазопереходный материал запасает при постоянной температуре во время замерзания или плавления, в отличие от явной теплоты, запасаемой при изменении температуры.
Инженерными справочными материалами являются ASHRAE Handbook - HVAC Systems and Equipment для физики установки и единые процедуры испытаний IAPMO для баков тепловой аккумуляции в части измерения производительности. Бак задаётся своей энергоёмкостью в кВт·ч холода, рабочим перепадом температур, скоростями заряда и разряда и температурой, которую принимает система распределения; держите эти четыре параметра на каждом чертеже, и выбор архитектуры останется честным.
Сравнение архитектур TES: среда, плотность энергии, подъём температуры чиллера
WhatsApp