Тепловые аккумуляторы для центров обработки данных: сравнение воды, льда и фазопереходных материалов
Создано Сегодня
Баки тепловой энергии для центров обработки данных: сравнение воды, льда и PCM
Холодная вода — это маршрут с наименьшим риском для большинства площадок. Баки тепловой энергии для центров обработки данных, содержащие воду, запасают около 1,16 кВт·ч на кубический метр на кельвин, примерно 7 кВт·ч/м3 при дельте 6 K до потерь. Лёд даёт в несколько раз большую плотность при равном объёме, но добавляет намораживание, оттаивание и промежуточный контур. ТФМ находится между ними и обычно стоит дороже за полезный киловатт-час. Водяные баки работают при давлении, близком к атмосферному, с отработанной изоляцией, контролем стратификации и технологией изготовления. Баки тепловой энергии для центров обработки данных проектируются в трёх средах — холодная вода, лёд и фазопереходный материал — и каждая среда меняет оболочку, а не только количество сосудов.
Плотность стоек продолжает расти, а вместе с ней и доля энергии площадки, расходуемая на отвод тепла от ИТ-нагрузки. Чиллеры подбираются по худшему часу, а не по среднему, и именно этот час определяет как стоимость оборудования, так и плату за мощность. Накопление тепловой энергии переносит охлаждение в дешёвые часы: установка работает на полную мощность вне пиковых часов, заполняет бак и проходит дневной пик на накопленном холоде.
Три среды сохраняют этот холод. Охлаждённая вода в стратифицированном изолированном резервуаре является эталонной конструкцией. Лёд, образующийся на змеевиках или собираемый машиной внутри водяного резервуара, повышает энергию на кубический метр. Инкапсулированные материалы с фазовым переходом преследуют ту же цель с помощью перехода из твёрдого состояния в жидкое. Все три снижают пиковую мощность чиллера; ни один из них не уменьшает общее потребление киловатт-часов на объекте, и каждый меняет компоновку, систему управления и план технического обслуживания.
Это сравнение рассматривает цифры, которые определяют закупку резервуаров тепловой энергии для центров обработки данных: ёмкость на кубический метр, стоимость за полезный киловатт-час, какую долю накопленного холода можно извлечь и как каждый вариант ведёт себя при параллельном обслуживании.
Что на самом деле накапливают три варианта
Плотность хранения определяет размер бака. Для жидкостного бака ёмкость описывается формулой `Q = V x rho x cp x dT`. Вода при плотности около 1000 кг/м3 и теплоёмкости 4,186 кДж/кг·К запасает 4,186 МДж на кубический метр на кельвин, что примерно равно 1,163 кВт·ч/м3·К. При обычном диапазоне 6 К от 6 °C до 12 °C это составляет около 7 кВт·ч/м3.
Лёд обменивает изменение массы на скрытую теплоту. Замерзание при 334 кДж/кг запасает гораздо больше на единицу массы, чем ощутимое охлаждение, поэтому бак с обёрнутой змеевиком трубой или бак-накопитель с той же занимаемой площадью вмещает в несколько раз больше холода, чем водяной бак. Тепловое шунтирование через слой льда незаметно съедает это преимущество между циклами.
Фазопереходный материал (PCM) занимает промежуточное положение между ними и находится за теплообменником. Инкапсулированные соли или парафины меняют фазу при фиксированной температуре и обычно размещаются за промежуточным контуром, который удерживает лишь часть скрытой теплоты на кубический метр с учётом оболочки и площади теплопередачи.
Эти три плотности определяют размер резервуара для тепловых накопителей энергии для центров обработки данных. Вода требует наибольшего количества кубических метров для одной и той же нагрузки, лёд — наименьшего, ТФМ — промежуточное значение.
1. Вода: самая низкая стоимость за кВт·ч, самый большой резервуар, прямое подключение к чиллеру во многих проектах.
2. Лёд: компактный, косвенный, и более высокая температура приближения на теплообменнике.
3. PCM: от компактного до среднего, с инкапсуляцией и вопросами фазового разделения, за которыми нужно следить.
Капитальные затраты, занимаемая площадь и компоновка установки
Объём резервуара — это видимая стоимость; вспомогательное оборудование — тихая. Водяной резервуар нуждается в изолированном корпусе, входных и выходных патрубках, диффузоре, насосе и средствах управления. Лёд и PCM добавляют комплект теплообменника, контур вторичного теплоносителя, а в случае льда — последовательность оттаивания, которая забирает из резервуара во время его работы.
Занимаемая площадь определяет маршрут на стеснённых площадках. Там, где есть свободный резервуарный парк, водяное хранение выигрывает по стоимости за запасённый киловатт-час в каждой эксплуатационной категории. Там, где площадь плиты фиксирована, но есть высота машинного зала, лёд или PCM оправданы даже при более высокой стоимости за кВт·ч, потому что альтернатива — второе здание чиллера.
Изменение условий давления меняет границы конструкции. Бак с водой при почти атмосферном давлении находится вне границы давления, поэтому патрубки и отверстия рассчитываются только на гидравлическую нагрузку. Льдогенераторы, работающие под давлением, находятся при положительном избыточном давлении, и вместе с ними появляются сосуд, его усиление и режим его inspections.
· Охлаждённая вода: наименьшие капитальные затраты на полезный киловатт-час, наибольшая занимаемая площадь, во многих конструкциях отсутствует промежуточный контур.
· Лёд: капитальные затраты в два–четыре раза выше, чем у водяного бака, компактная занимаемая площадь, промежуточный контур всегда.
· PCM: от средних до высоких капитальных затрат, от компактной до средней занимаемой площади, промежуточный контур всегда.
Полезная эффективность, потери и отбор
Эффективность зарядки и разрядки различается. Водяной бак теряет небольшую долю содержимого в день через изоляцию и перемешивание, и проектировщики применяют 70–90 процентов от теоретического значения для полезной ёмкости после стратификации, короткого замыкания и потерь на перемешивание.
Лёд проигрывает из-за теплового короткого замыкания. Тепло, проходящее через оболочку, плавит лёд, который не был заряжен для использования, поэтому установка должна заряжаться с избытком. Качество изоляции и геометрия резервуара определяют эту скорость.
ТФМ проигрывает на стороне теплопередачи. Низкая теплопроводность в фазопереходном слое ограничивает мощность зарядки и разрядки по площади поверхности, а не по объёму, поэтому подбор размера под пиковую мощность увеличивает резервуар и снижает выигрыш в плотности.
Маршрут | Теоретическая плотность | Полезная доля | Основной механизм потерь |
Охлаждённая вода | ~1,16 кВт·ч/м3·К | 70-90 процентов | Разрушение стратификации, утечка в окружающую среду |
Лёд | В несколько раз больше воды | 60-85 процентов заряда | Тепловое шунтирование, отбор при оттаивании |
ТФМ (материал с фазовым переходом) | Средний диапазон | 60-80 процентов скрытой теплоты | Передача, ограниченная теплопроводностью, разделение |
Эксплуатация, техническое обслуживание и поведение при отказах
Водяные системы выходят из строя медленно и заметно. Стратификация разрушается, диффузоры загрязняются, а возврат с повышенной температурой перемешивает бак. Химическая обработка — та же, что уже применяется на станции: биоцид, ингибитор, контроль накипи и периодическая очистка.
Ледяные установки имеют механический перечень отказов. Обрастание змеевиков, мостообразование льда, залипание клапана оттаивания и утечки в контуре повторяются, и всё это внутри изолированного сосуда, что затрудняет доступ.
PCM добавляет элементы материальной стабильности. Повреждение инкапсулянта, сегрегация в солевых гидратах и загрязнение теплообменника — каждый из этих факторов требует точки постоянного мониторинга с первого дня. На практике регистрируйте температуру на входе и выходе, уровень и скорость диффузора для водяного бака, частоту оттайки и долю льда для льдогенератора, а также мощность заряда и разряда с дрейфом фазовой полосы для PCM-модуля.
Техническая спецификация
Пункт | ТЭС с охлаждённой водой | ТЭС со льдом | ТЭС с PCM |
Аккумулирующая среда | Вода, от 5-7 до 12-14 °C | Лёд в воде, змеевик или сборный | Инкапсулированная соль или парафин |
Формула ёмкости | Q = V x rho x cp x dT | m x 334 кДж/кг, за вычетом потерь | m x скрытая теплота, за вычетом штрафа теплообменника |
Рабочий диапазон | Дельта 5-7 K | Точка плавления около 0 °C | Фиксированная температура фазового перехода |
Условие давления | Близко к атмосферному | Низкое избыточное давление | От атмосферного до низкого избыточного |
Изоляция | Минеральная вата, алюминиевая облицовка | Более тяжелая стена, пароизоляция | Минеральная вата, пароизоляция |
Теплообменник | Не всегда требуется | Всегда | Всегда |
Пиковая мощность разряда | Сопло, насос и диффузор | Площадь поверхности змеевика | Путь и площадь теплопроводности |
Объем оболочки | Резервуары для хранения тепловой энергии для центров обработки данных используют ту же оболочку, покрытие и объем изоляции, что и любая крупная атмосферная водяная емкость | ||
Проектные ссылки | Практика AWWA D103, руководство ASHRAE DC9 | Практика резервуаров, спецификация оборудования | Практика резервуаров, спецификация материалов |
Пример проекта
Поле | Значение |
Проект | Хранение питьевой воды в Намибии (P-A) |
Продукт | 01 Резервуар из стеклоплавильной стали |
Ёмкость | Всего 44 900 м3 |
Размеры | 4 резервуара, диаметр 41,26 м, высота 8,4 м |
Завершение | Сентябрь 2022 |
Хотя наши реализованные референсные проекты в секторе водоснабжения и водоотведения включают этот питьевой объём, объём TES для центров обработки данных проектируется по тем же стандартам. Четыре болтовых резервуара диаметром 41,26 м демонстрируют количество панелей, диаметр оболочки и последовательность сборки на площадке, необходимые для крупного атмосферного водяного резервуара. Резервуары для хранения тепловой энергии для центров обработки данных наследуют тот же объём оболочки, когда среда — вода, а резервуар остаётся при давлении, близком к атмосферному.
Инженерные возможности Center Enamel
Center Enamel (Shijiazhuang Zhengzhong Technology Co., Ltd) занимается проектированием и изготовлением сборных резервуаров с 2008 года. Будучи первым в Китае производителем резервуаров из стеклоэмалированной стали (GFS), компания владеет почти 200 патентами, связанными с эмалью, выпускает примерно 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 и NFPA там, где этого требует применение.
Средний в сравнении с требованием к корпусу
· Вода, лед и PCM предъявляют разные требования к оболочке: воде нужен объем и изоляция, льду нужен внутренний змеевик или коллектор, PCM нужен пучок капсул, который резервуар должен геометрически вмещать.
· Наименее рискованным первым шагом является атмосферная оболочка, заполненная водой, размер которой определяется по кривой холодильной нагрузки, поскольку это оставляет гидравлическую и управляющую конструкцию неизменной по сравнению с базовой установкой.
· Наши поставки водяных резервуаров, возглавляемые намибийской схемой на 44 900 м³, являются прямым предшественником хранилища на водной основе.
Часто задаваемые вопросы
В1: Всегда ли ледяное хранилище выигрывает у охлаждённой воды по стоимости?
О1: Нет. Лёд удерживает больше холода на кубический метр, поэтому резервуар меньше, но машинный блок, цикл оттаивания и косвенный контур повышают установленную стоимость за полезный киловатт-час. При наличии земли вода обеспечивает более короткий срок окупаемости.
В2: Какой объём резервуара мне нужен для восьми часов сглаживания пиков?
О2: Сначала рассчитайте запасаемые киловатт-часы: нагрузка в кВт умножается на часы сдвига, делится на коэффициент полезного использования, затем делится на плотность выбранной среды. При 6 К вода обеспечивает около 7 кВт·ч/м³ до применения коэффициента 70–90 процентов.
В3: Помогает ли резервуар водяного TES при перебое электропитания?
A3: Это помогает. Хранимая холодная вода покрывает потребности установки, пока запускаются генераторы и ИБП, а атмосферный резервуар обеспечивает поток без подачи под давлением. Проектировщики приписывают ему определённое время автономной работы, а не неограниченное время работы.
В4: Может ли резервуар со льдом или фазовым переходом быть подключён к существующей системе охлаждённой воды?
О4: Да, как косвенный остров с собственным теплообменником и контуром. Интерфейс представляет собой пару соединений и управляющий сигнал, поэтому существующие чиллеры сохраняют свой заводской интерфейс за новым накопителем.
В5: Какой материал лучше справляется с плохим качеством воды?
О5: Заводская эмаль или наплавленный эпоксидный слой изолирует корпус от контакта с хранимой водой, поэтому химический состав влияет на водную сторону, а не на сталь. Оба покрытия подлежат ремонту на месте для резервуара, открываемого для осмотра каждые несколько лет.
В6: Каковы потери в режиме ожидания у изолированного резервуара?
О6: Хорошо изолированный атмосферный резервуар теряет небольшую часть заряда в день, которая восполняется в следующем цикле. Толщина изоляции, пароизоляция и деталировка опор важнее, чем материал корпуса.
В7: Стоит ли сначала запустить пилотный проект с фазовым переходом?
A7: Большинство операторов испытывают один резервуар в некритичном зале для регистрации мощности заряда и разряда, дрейфа фазовой полосы и загрязнения, что отвечает на вопрос, соответствует ли температура фазового перехода температуре обратной воды.
Три маршрута по-разному запасают холод, и только один из них дёшев в расчёте на киловатт-час. Вода обладает наименьшими капитальными затратами, простейшим гидравлическим интерфейсом и самой глубокой историей обслуживания, но платить за это приходится объёмом. Лёд покупает компактность более высокой стоимостью и движущимися частями. ТФМ предлагает регулируемый температурный диапазон и расплачивается за это площадью теплообмена и управлением материалами. Там, где есть земля и длинное окно, водяной бак — эталонный ответ, а два других оправданы занимаемой площадью, а не термодинамикой.
Связаться с инженером
Отправьте нагрузку зала в кВт, окно накопления в часах, температуры подачи и возврата чиллера, а также доступную компоновку установки для бака. Мы вернём расчёт размеров в кубических метрах, полезные киловатт-часы с учётом стратификации и коэффициента потерь, а также спецификацию патрубков, диффузора и изоляции. Для сравнения сред запросите тот же расчёт для льда и PCM, чтобы выбор основывался на полезной ёмкости, а не на паспортной плотности.
WhatsApp