Тепловые аккумуляторы для центров обработки данных: назначение, мощность и архитектура
Создано Сегодня
Баки тепловой энергии для центров обработки данных: нагрузка, ёмкость и архитектура
Когда покупатель указывает резервуар для аккумулирования тепловой энергии, фактически приобретается не единица оборудования, а способность обрабатывать энергию. Значимой является та ёмкость, которую накопитель может принять и впоследствии отдать, выраженная в тонно-часах или в кВт·ч, вместе с расчётным перепадом температур и окном разряда, в течение которого эта энергия может быть высвобождена с полезной скоростью. Указание ёмкости в виде объёма воды лишает покупателя возможности сравнить накопитель холодной воды с ледяным накопителем или накопителем на фазовом переходе, поскольку энергия, содержащаяся в кубическом метре, различается между средами на порядок величины. Затем режим работы определяет архитектуру: срезание пиков, бесперебойная работа и перенос нагрузки — каждый требует различной схемы заряда и разряда, различного интерфейса управления и различного объёма, выраженного в часах, а не в минутах. Изоляция накопителя также не является второстепенной деталью, поскольку суточный приток тепла в несколько процентов от запасённой энергии за период простоя отнимает полезную долю ёмкости.
Для чего на самом деле нужен аккумулятор тепловой энергии
Аккумулятор тепловой энергии — это намеренно организованный объём аккумулирующей среды, назначение которого состоит в том, чтобы удерживать тепловую энергию в течение определённого периода времени и перемещать её в установку или из неё с той скоростью, которую установка не может обеспечить. Энергия перемещается, а не создаётся: аккумулятор заряжается от источника, который иначе работал бы, и разряжается в нагрузку, которая иначе была бы обеспечена для бака тепловой энергии
Эта формулировка важнее, чем оборудование, потому что именно она позволяет сравнивать предложения. Предложение, в котором указан объём резервуара без данных об энергии и окне разряда, не описывает, что именно продаётся. Предложение, в котором указаны энергия, дельта-T и мощности, можно сравнить с предложением на другом теплоносителе для резервуара тепловой энергии
Ёмкость указывается в единицах энергии, а не объёма
Существует два способа указать ёмкость накопителя в единицах энергии. Форма в виде часов нагрузки — самая простая: тепловая нагрузка в тоннах умножается на часы, в течение которых она разряжается, поэтому накопитель, несущий 500 тонн холода в течение 4 часов, вмещает 2 000 тонно-часов. Массовая форма — это та же ёмкость через теплоноситель: объём, умноженный на плотность, удельную теплоёмкость и разность температур для резервуара тепловой энергии
Массовая форма — это место, где среды разделяются, поскольку один и тот же кубический метр содержит очень разные количества энергии в зависимости от механизма. Явное хранение в воде ограничено разностью температур, в пределах которой может работать контур. Скрытое хранение в тающем льде добавляет теплоту плавления при фиксированной температуре, поэтому даже небольшое колебание всё равно запасает большое количество энергии для бака тепловой энергии
Выражение ёмкости | Формула | Что он фиксирует | Иллюстративное значение |
Форма часов нагрузки | Тепловая нагрузка в тоннах, умноженная на часы разряда | Энергия, которую должен отдать аккумулятор | 500 тонн на 4 часа = 2000 тонно-часов |
Форма явной массы | Объём, умноженный на плотность, удельную теплоёмкость и дельту-T | Количество среды для заданной энергии | 100 м3 при 5 K даёт около 2900 кВт·ч |
Скрытая массовая форма | Масса, умноженная на теплоту плавления в точке перехода | Количество среды в фиксированной точке | Лёд при 334 кДж/кг на тонну даёт около 335 кВт·ч |
Полезная доля | Объём оболочки, умноженный на долю, которую могут достичь среды | Штраф за несовершенную стратификацию | 90 процентов полезной ёмкости сохраняет 90 процентов энергии |
Три задачи, которые создают три разных хранилища
Пиковое срезание, бесперебойная работа и перенос нагрузки выглядят похоже со стороны, потому что все три включают бак в системе охлажденной воды, и они различаются тем, что баку поручается делать во время события. Пиковое срезание нацелено на вклад установки в пик спроса: накопитель разряжается, пока этот вклад наиболее высок для бака тепловой энергии
Емкость, которую подразумевает каждая задача, различается по типу, а не только по размеру, и то же самое касается режима отказа. Накопитель для пикового срезания, не заряженный вовремя, ничего не вносит в пик. Накопитель для бесперебойной работы не при правильной температуре не проносит нагрузку через перерыв. Накопитель для переноса нагрузки, теряющий слишком много на стоячий теплоприток, не имеет оставшейся энергии для разряда для бака тепловой энергии
Выбор между охлажденной водой, льдом и фазопереходными средами
Среда определяет температуру, которую может обеспечить накопитель, и скорость, с которой он может заряжаться и разряжаться. Накопление охлаждённой воды — самое простое: накопителем является сама охлаждённая вода, дельта-T контура задаёт плотность энергии, а скорости определяются расходами контура. Он может обеспечивать температуру только выше точки плавления льда для бака тепловой энергии
Ледяное накопление расширяет диапазон вниз, поскольку фазовый переход происходит при фиксированной температуре, а запасённая энергия не ограничена дельта-T. Цена — это контуры замораживания и плавления, обращение со льдом, больший перепад температур между состояниями заряда и разряда и более сложная логика управления. Материалы с фазовым переходом занимают промежуточное положение, запасая скрытую теплоту при выбранной температуре перехода для бака тепловой энергии
Заряд, хранение и разряд: архитектура и интерфейс управления
Каждый тепловой аккумулятор работает в трёх режимах, и интерфейс управления должен определять все три. В режиме зарядки аккумулятор принимает тепло от установки — либо потому, что у установки есть избыточная мощность, либо потому, что тариф делает энергию дешёвой. В режиме удержания аккумулятор изолирован и сохраняет свою энергию. В режиме разрядки он отдаёт тепло в контур, с отдельными подключениями там, где режимам требуются разные скорости для теплового аккумулятора
Интерфейс управления определяет, работает ли аккумулятор на практике. Контроллер установки должен знать, когда аккумулятор доступен, сколько энергии он содержит и с какой скоростью может её отдавать, а контроллер аккумулятора должен знать, что делает установка. Этот обмен представляет собой набор определённых сигналов: индикация состояния, доступность зарядки, доступность разрядки, запасённая энергия или датчики температуры, а также сигналы разрешения для теплового аккумулятора
Стратификация и остающаяся после неё полезная ёмкость
В аккумуляторе холодной воды полезная ёмкость — это не объём корпуса. Это та доля корпуса, которую аккумулятор действительно может охватить водой в нужном тепловом состоянии, и эта доля определяется тем, насколько хорошо аккумулятор сохраняет свои слои. Холодная вода, загруженная сверху, опускается сквозь более тёплую воду под ней и вытесняет тёплую воду вверх для теплового аккумулятора
Это напрямую влияет на энергетический расчёт, и именно этот эффект чаще всего отсутствует в предложении. Аккумулятор, заданный по объёму корпуса, предполагает, что весь объём доступен при проектном дельта-T. Несовершенное расслоение даёт меньший полезный объём, поэтому недостача проявляется как нехватка энергии при разряде, а не как отсутствующий бак. В спецификации должна указываться полезная ёмкость для теплового аккумулятора
Изоляция и теплоприток как потеря ёмкости
Каждый тепловой аккумулятор теряет тепло через свою оболочку, крышу и трубопроводы, и эти потери напрямую вычитаются из запасённой энергии. Потери пропорциональны площади поверхности, разности между температурой аккумулятора и температурой окружающей среды, а также теплопроводности изоляции, поэтому они масштабируются с геометрией, определяющей ёмкость. Соотношение площади поверхности и объёма определяет, являются ли потери незначительной погрешностью или серьёзной долей для теплового аккумулятора
Наиболее наглядно эффект выражается в виде суточного процента потерь. Если аккумулятор теряет за сутки количество тепла, равное небольшому проценту от запасённой энергии, то при длительном простое этот процент теряется каждый день, и аккумулятор отдаёт меньше, чем было в него заложено. Аккумулятор, заряженный в выходные для разрядки в понедельник утром, теряет три дня стояночных потерь тепла для теплового аккумулятора
Надёжность и значимые условия отказов
У теплового аккумулятора больше способов выйти из строя, чем у резервуара без возложенной на него функции, потому что у него есть активные внутренние компоненты, интерфейс управления и сохраняемое состояние, которое может деградировать. Условия отказа, которые стоит учитывать при проектировании, — это потеря стратификации, отказ датчика температуры или уровня, заклинивший клапан и отказ вспомогательной установки, которая перемещает воду для резервуара тепловой энергии
Потеря стратификации — это постепенный отказ, который проявляется как нехватка ёмкости, а не как сигнал тревоги, поэтому полезную ёмкость необходимо проверять испытанием. Отказавший датчик лишает информации, от которой зависит последовательность управления, и правильным поведением является определённое резервное состояние. Клапан, заклинивший в открытом положении, оставляет аккумулятор подключённым к контуру для резервуара тепловой энергии
Тепловое хранение по сравнению с буферными функциями и контрольный перечень требований
Эти две функции наиболее четко разделяются по временному масштабу и по единице измерения каждой из них. Буферный бак измеряется в галлонах или кубических метрах на тонну и рассчитывается в минутах. Тепловой аккумулятор измеряется в тонно-часах и рассчитывается в часах, с проектным дельта-T и окном разряда. Буфер — это простой сосуд; аккумулятор требует внутренних элементов и стратификации для бака-аккумулятора тепловой энергии
Таким образом, спецификация должна зафиксировать функцию и единицу измерения до того, как она зафиксирует объем. В ней указываются функция в часах и в терминах тарифа или перерыва, энергия в тонно-часах и кВт·ч наряду с объемом, проектный дельта-T и среда, скорости заряда и разряда, период простоя и проектные теплопотери, а также полезная емкость с методом ее проверки для бака-аккумулятора тепловой энергии
· Функция в часах: пиковое сглаживание, бесперебойная работа или перенос нагрузки, и соответствующее событие для бака-аккумулятора тепловой энергии
· Энергия в тонно-часах и кВт·ч, а также расчётная дельта-T или точка перехода для бака тепловой аккумуляции
· Теплоноситель и его физическое состояние для бака тепловой аккумуляции
· Скорость зарядки, скорость разрядки и окно разрядки для бака тепловой аккумуляции
· Период простоя и расчётные теплопотери для бака тепловой аккумуляции
· Полезная ёмкость, указываемая отдельно от объёма корпуса для бака тепловой аккумуляции
· Метод проверки полезной ёмкости для бака тепловой аккумуляции
· Сигналы интерфейса управления между накопителем и контроллером установки для бака тепловой аккумуляции
· Определённые безопасные состояния при отказах датчика, клапана и вспомогательного питания для бака тепловой аккумуляции
· Ограничения площадки по занимаемой площади, доступу, грузоподъёмности крана и монтажу для бака тепловой аккумуляции
Пример из практики проекта
Справочная поставка для данного объекта, взятая из проверенной библиотеки проектов. Уровень соответствия C. Крупнообъёмная поставка резервуаров из стеклоплавильного покрытия по стали, указанная как подтверждение производственных возможностей. В проверенной библиотеке отсутствует проект теплового накопителя энергии или системы охлаждения с накоплением для центра обработки данных, поэтому в данной статье она не используется для демонстрации эффективности стратификации или ёмкости накопления, как подробно описано для резервуара теплового накопителя энергии.
Идентификатор проекта | Страна | Продукт | Ёмкость | Количество резервуаров | Габариты | Завершение | Объём поставки |
NAM-POT-44900-B | Намибия | Болтовой резервуар со стеклоплавильным покрытием по стали (GFS) | 44 900 м3 | 4 | φ41,26 × 8,4 м (В) на резервуар | 2022-09 | Не зафиксировано |
Крупнообъёмная поставка из стеклоплавильного стекла, приведённая в качестве доказательства производственных возможностей. В проверенной библиотеке нет проекта по хранению тепловой энергии или охлаждённому хранению для центров обработки данных, поэтому в этой статье она не используется для демонстрации характеристик стратификации или ёмкости хранения, как подробно описано для резервуара тепловой энергии.
Часто задаваемые вопросы
Вопрос 1. Что покупатель фактически приобретает при заказе теплового накопителя?
Покупатель приобретает возможность удерживать определённое количество тепловой энергии и перемещать её во времени. Способность обрабатывать энергию — это продукт; резервуар — это контейнер, который её обеспечивает. Предложение по объёму воды нельзя сравнивать с предложением по ледяному накопителю, даже если оба удовлетворяют одну и ту же задачу для резервуара тепловой энергии.
Вопрос 2. Почему ёмкость выражается в энергии, а не в объёме?
Потому что один и тот же объём содержит очень разное количество энергии в разных средах. Явное аккумулирование в воде ограничено дельта-T, в пределах которого может работать контур. Скрытое аккумулирование в тающем льде добавляет теплоту плавления при фиксированной температуре, поэтому даже небольшое колебание всё равно запасает большое количество, как подробно описано для бака тепловой энергии.
В3. Какие три функции выполняет тепловое аккумулирование?
Сглаживание пиков, прохождение провалов и перенос нагрузки. Сглаживание пиков снижает вклад установки в пик спроса и восполняет заряд вне пика. Прохождение провалов обеспечивает нагрузку в течение определённого перерыва. Перенос нагрузки перемещает потребление в более дешёвый тарифный период. Они различаются по задействованным часам, поэтому функцию необходимо определить в первую очередь для бака тепловой энергии
В4. Как выбираются охлаждённая вода, лёд и фазопереходные среды?
Охлаждённая вода — это самый простой вариант, и она содержит наименьшее количество энергии на кубический метр, что ограничено дельтой-T контура. Лёд расширяет диапазон температур в сторону низких значений, поскольку фазовый переход происходит при фиксированной температуре, ценой этого являются контур замораживания и плавления и более сложная логика управления, как подробно описано для бака тепловой энергии.
Вопрос 5. Как выглядит архитектура заряда, удержания и разряда?
Режим зарядки принимает тепло от установки, режим удержания изолирует накопитель и сохраняет энергию, а режим разрядки передаёт тепло в контур. Компоновка следует из режимов, с отдельными подключениями там, где различаются расходы или температуры. Интерфейс управления должен определять состояние накопителя, сигналы доступности и данные датчиков для бака тепловой аккумуляции
Вопрос 6. Как соотносятся стратификация и полезная ёмкость?
Полезная ёмкость — это доля корпуса, которую накопитель может охватить водой в требуемом тепловом состоянии, а не объём корпуса. Плохая геометрия диффузора, быстрый поток зарядки или неудачно расположенные подключения перемешивают слои, и недостача проявляется как дефицит энергии при разрядке, а не как отсутствующий бак для тепловой аккумуляции
Вопрос 7. Как теплоприток через изоляцию снижает ёмкость?
Потери тепла через оболочку, крышу и трубопроводы покрываются за счёт запасённой энергии и масштабируются с площадью поверхности, разностью температур и теплопроводностью изоляции. В пересчёте на суточный процент потерь период простоя в несколько дней устраняет несколько дней этих потерь, и накопитель отдаёт меньше, чем было в него запасено, для теплового аккумулятора
Вопрос 8. Каковы условия надёжности и отказов?
Значимыми из них являются потеря стратификации, которая проявляется как нехватка ёмкости, а не как сигнал тревоги; отказ датчика температуры или уровня, который лишает информацию, необходимую для последовательности управления; клапан, застрявший в открытом положении, из-за чего накопитель остаётся подключённым к контуру; и потеря вспомогательной установки. Каждый из них требует безопасного состояния для теплового аккумулятора
Вопрос 9. Как соотносятся функции теплового накопления и буферизации?
Буферный бак измеряется в галлонах или кубических метрах на тонну и подбирается в минутах; он сглаживает переходный процесс на коротком интервале и представляет собой гидравлически простой сосуд. Тепловой аккумулятор измеряется в тонно-часах и подбирается в часах; он переносит энергию через тарифный период и требует внутренних устройств, стратификации и поведения при отказе для бака-аккумулятора тепловой энергии
Вопрос 10. Что содержит контрольный перечень характеристик мощности и нагрузки?
Десять пунктов: нагрузка, указанная в часах с событием, которое она обслуживает; энергия в тонно-часах и кВт·ч с расчётной дельтой-T или температурой перехода; среды и удерживаемое физическое состояние; скорость заряда, скорость разряда и окно; период простоя и теплопотери; полезная ёмкость, указанная отдельно от объёма корпуса; метод проверки; для бака-аккумулятора тепловой энергии
Тепловую энергию следует указывать как ёмкость в тонно-часах с указанным расчётным перепадом температур, указанным окном разряда и указанными потерями тепла в режиме ожидания, поскольку спецификация в объёмных единицах не позволяет сравнивать аккумулятор холодной воды, ледяной аккумулятор и аккумулятор на фазовом переходе, а также потому, что именно рабочая нагрузка в часах фактически отличает эти три применения. Из этого следует, что полезная ёмкость, потери за период ожидания и поведение при отказе должны указываться наряду с показателем энергии, поскольку именно в этих трёх аспектах обнаруживается разница между заявленной ёмкостью и фактически поставленной ёмкостью. Аккумулятор, специфицированный таким образом, можно сравнивать между предложениями и проверять по его рабочей нагрузке при вводе в эксплуатацию, чего нельзя сделать для аккумулятора тепловой энергии, специфицированного в объёмных единицах.
Связаться с инженером
Для бака тепловой аккумуляции отправьте нагрузку, которую накопитель должен обслуживать, и событие, которое он покрывает, тепловую нагрузку в тоннах и задействованные часы, температуры охлажденной воды на подаче и обратке и доступную дельту-T, желаемую скорость и окно разряда, рассматриваемые среды, период стояния между зарядом и разрядом, окружающие условия на площадке, ограничения по занимаемой площади, крану и доступу, а также систему управления, с которой накопитель должен взаимодействовать. Мы вернем исследование мощности с указанием энергии в тонно-часах и кВт·ч, количества среды и объема корпуса, полезной емкости и требования к стратификации, проектных теплопотерь за период стояния, последовательности заряда и разряда, а также поведения при отказах, которое должно быть внесено в спецификацию.
О Center Enamel
Шицзячжуан Чжэнчжун Текнолоджи Ко., Лтд. (Center Enamel) — профессиональный производитель, специализирующийся на проектировании и изготовлении сборных резервуаров для хранения с 2008 года. Ассортимент продукции включает резервуары из стеклоплавильной стали (GFS), резервуары с эпоксидным покрытием методом плавления (FBE), резервуары из нержавеющей стали, оцинкованные стальные резервуары и алюминиевые геодезические купольные крыши, а также техническую поддержку EPC и вспомогательное оборудование для резервуаров. Производство осуществляется в соответствии с ISO 9001, ISO 14001 и ISO 45001, а ассортимент продукции сертифицирован по NSF/ANSI 61, WRAS, CE и EN 1090, ISO 28765, AWWA D103-09 и NFPA там, где этого требует применение. Компания владеет почти 200 патентами на эмалирование, располагает производственной базой площадью 150 000 м2, выпускает около 300 000 стальных пластин с эмалевым покрытием в год, реализовала более 30 000 установленных проектов и поставила резервуары более чем в 100 стран. Возможности инженерного проектирования охватывают объемы резервуаров до 60 000 м3, как подробно описано для резервуара тепловой энергии.
WhatsApp