資料中心儲冰槽：以冰與相變材料進行熱儲存
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資料中心冰儲能槽：冰與相變材料的熱儲能
資料中心的蓄冰槽是一種熱能儲存容器，以冰或相變材料（PCM）中的潛熱形式儲存冷能，在用電尖峰或冷卻需求驟增時釋放，以削減負載並降低成本。與冷水熱儲存相比，冰與PCM因利用熔化潛熱，每單位體積儲存的冷能遠多於前者，但其運轉溫度較低，對冷凍機組造成更大的揚程負擔。該槽體為內襯的螺栓式或製造式容器，參照AWWA D103-09與ISO 28765標準，內部裝有封裝冰球、片冰系統或PCM漿液——依現場的削峰目標與冷卻迴路可接受的溫度來選擇。
熱能儲存讓資料中心能在電力便宜或充裕時製冷，並在電力昂貴或受限時使用。冷水儲存是常見的形式，但它非常佔空間，因為它只儲存顯熱。冰和相變儲存則透過儲存潛熱大幅壓縮該體積，代價是製冷循環溫度更低、負荷更重。對於追求削峰、降低需量電費或縮小佔地面積的資料中心而言，冰或相變材料可能是更好的取捨。常見的錯誤包括：在冷水即可勝任之處指定採用冰、忽略較低溫度對冷凍機組揚程的影響，或是建造了內襯無法承受凍融與泥漿工況的儲槽。
本指南涵蓋資料中心的冰蓄冷槽，從冰/相變材料選項到與 chilled-water 的比較，再到尺寸計算與材料。
冰與相變材料儲存選項
冰與相變材料儲存有多種物理形式，儲槽設計會依所選形式而定。三種常見做法在製冰、儲冰與融冰方式上各有不同。
1. 封裝冰。裝有凝固點抑制溶液的密封球體或膠囊置於水槽中；冷凍設備在夜間將其凍結，循環水則在白天將其融化。儲槽就是一個簡單的容器，內含膠囊與水。
2. 板式或靜態冰。冰在儲槽內的板片或盤管上形成；冷媒或鹵水直接製冰與釋冰。儲槽容納板片堆疊與融冰水迴路。
3. 相變材料（PCM）。一種經過配方設計、具有調校過熔點的材料，能在比水冰更窄的溫度範圍內儲存潛熱，使儲槽得以圍繞資料中心的有用溫度範圍來設計，而非以 0 °C 為基準。
每種形式都會改變儲槽內部結構、熔化／排放路徑，以及所儲存冷卻量送出的溫度。
冰與 PCM 對比冷水 TES
冰與 PCM 每立方公尺的儲冷量約比冷水高一個數量級，但溫度較低且機組揚程較高。此比較是核心選型問題。
· 儲存密度。冰水在幾度的溫差範圍內儲存顯熱；冰則儲存熔化潛熱，因此給定的冷卻容量所需的槽體積要小得多。
· 溫度懲罰。冰與 PCM 的放冷溫度比冰水 TES 更低，因此冷凍機組必須更費力運轉（更大的溫差）來製冰，以體積換取能源與設備規模。
· 削峰適配性。當目標是降低需量電費或將冷卻負載移出尖峰時段時，緊湊型冰/相變材料儲能往往儘管存在懲罰費用仍能回本。
· 冷凍水勝出的情況。當體積不受限制且迴路溫度適中時，冷凍水儲能可避免低溫揚程問題且更為簡單。
這是一項佔地面積與揚程之間的取捨，而非預設選擇密度更高的方案。
屬性 | 冷凍水儲能 | 冰/相變材料儲能 |
儲存機制 | 顯熱 | 潛熱（熔融） |
每冷卻單元體積 | 高 | 低（密度高得多） |
放冷溫度 | 中等（例如 4–7 °C） | 低（接近 0 °C 或 PCM 相變點） |
機組揚程 | 較低 | 較高 |
最佳用途 | 空間充足的場址 | 尖峰削減、佔地面積受限 |
儲槽材料與凍融負荷
冰或 PCM 儲存槽必須承受持續的凍融循環，且對於漿料形式還須承受磨損，因此內襯與槽殼須針對該工況指定。這比靜態水儲存更為嚴苛。
· GFS（玻璃熔接鋼）。以 820–930 °C 燒製的搪瓷形成光滑、堅硬的表層（Ra < 0.8 µm，附著力高於 3,450 N/cm²），可抵抗凍融循環與冰晶/漿料磨損；每片板皆以 1,500 V DC 進行火花測試。
· FBE 內襯螺栓式。經文件記載的環氧內襯（AWWA C550 型式），已針對凍融與溫度範圍進行驗證。
· 製造式容器。對於片冰或緊湊型 PCM 單元，不鏽鋼或 FBE 內襯的製造式儲存槽適合內部盤管或板片堆疊。
· 熱包絡。由於儲存體處於低溫狀態，外部隔熱與密封屋頂可限制會導致庫存過早融化的熱增益。
內襯的選擇需確保反覆凍結及任何容器/漿料磨損在機組運行的數十年間不會使圍護結構劣化。
形式 | 儲罐內部 | 排冰溫度 |
封裝冰 | 水中膠囊 | 近 0 °C 融化 |
板式／靜態冰 | 盤管或板片堆疊 | 近 0 °C 融化 |
PCM | 調校融化材料 | PCM 熔點 |
尖峰削減選型
冰蓄冷槽的容量是根據要移轉的冷卻容量與放冷窗口來決定，並以潛熱儲存體積而非顯熱噸數來表示。三項輸入決定容量。
4. 要移轉的冷卻量。場址希望儲存而非在尖峰時段產生的尖峰需求或離峰目標冷卻容量，以冷卻噸或 kWh 表示。
5. 放冷窗口。儲冷槽在尖峰時段必須放冷的時數，這決定了所需的儲冷速率以及總體積。
6. 溫度與揚程限制。最低可用放冷溫度以及機組可接受的製冷揚程，界定了冰或更高溫相變材料哪個才是正確選擇。
結果是一個緊湊型潛熱儲能裝置，其尺寸依據移轉負載與時段而定，並參照迴路的溫度限制——而非將冷凍水體積錯誤套用於冰的工況。
與冷卻系統的整合
冰或 PCM 儲存裝置透過充放電迴路連接到資料中心冷卻系統，由控制系統依尖峰時段進行排程。整合的嚴謹度至關重要。
· 離峰時充電。當電價較低或中央系統有閒置容量時，冷凍系統會將儲存裝置結冰（或設定 PCM）。
· 尖峰時放電。在尖峰時段，儲存裝置向冷卻迴路供冷，降低冰水主機負載與需量電費。
· 與冷凍水混合。許多場址採用混合方案：以冷凍水 TES 進行中度移峰，並以冰/PCM 應對最尖銳的峰值，兩者協同調度。
此調度策略將高密度蓄能轉化為可量測的尖峰電力需求削減。
專案案例
專用的資料中心冰蓄冷參考案例尚未納入已交付的專案組合中，因此本文以工程指引的形式撰寫，而非專案引述。該公司供應大型螺栓式熱能與蓄水槽的能力已在相鄰領域中得到驗證：海外消防專案已交付 GFS 儲槽，容量分別高達 12,261 m³（印度，3 座，2024-06）及 1,666 m³（新加坡，2 座，2026-01），均依照相同的螺栓式儲槽標準建造。這些參考案例證明了大容量螺栓式儲槽的供應能力及針對可承受凍融循環內襯的品質保證；它們屬於消防專案，並非資料中心冰蓄冷設施，此處僅作為能力背景引用。
Center Enamel 工程能力
Center Enamel（石家莊正中科技有限公司）自2008年起設計並製造螺栓式儲罐。作為中國首家搪瓷鋼（GFS）儲罐製造商，該公司擁有近200項與搪瓷相關的專利，每年生產約300,000塊搪瓷塗層鋼板，已完成超過30,000個安裝項目，並向100多個國家供應其儲罐。新增的150,000平方米生產基地用於提高產能，單個儲罐供應能力可達60,000立方米。製造過程在ISO 9001和ISO 45001下運行，產品認證包括NSF/ANSI 61、WRAS、FDA、LFGB、CE（EN 1090）、ISO 28765、FM、BSCI和EUROCODE，並在應用需要時參考AWWA D103-09、AWWA C550、ISO 28765和NSF/ANSI 61進行設計。
針對冰與 PCM 蓄能，該公司供應 GFS 與 FBE 螺栓式儲槽，配備抗凍融及耐磨內襯、密封隔熱頂蓋，並提供塗層/火花測試文件供審查。
常見問題
Q1：冰蓄能與冷凍水 TES 有何不同？
A1: 冰和PCM儲存熔化潛熱，每體積的冷卻密度遠高於冷水的顯熱，但放冷溫度較低且製冷揚程較高。
Q2: 哪一種更適合尖峰削減？
A2: 冰或PCM適合佔地面積受限的場址以及需求尖峰集中的時段，在這些情況下，儘管溫度較低且揚程較高，高密度儲存仍能回收成本；冷水則適合空間充足、溫度適中的場址。
Q3: 冰/PCM的主要形式有哪些？
A3: 封裝冰（水中的冰囊）、板式或靜態冰（線圈/板上的冰），以及調整至有用熔化溫度的相變材料；每種形式都會改變儲槽內部結構和放冷路徑。
Q4: 凍融循環如何影響儲槽？
A4: 反覆凍結與任何冰晶/漿料磨損都需要堅硬、耐久的內襯；指定 GFS 搪瓷（Ra < 0.8 µm，1,500 V DC 火花測試）或經文件記載的 FBE 等級，並以隔熱層限制熱增益。
Q5: 儲存槽如何決定尺寸？
A5: 從需轉移的冷卻能力、排放窗口，以及機組可接受的最低有效溫度/揚程——以潛熱儲存體積而非冷凍水體積來計量。
Q6: 冰儲能可以與冷凍水 TES 混合使用嗎？
A6: 可以。許多場址採用混合方案，使用冷凍水 TES 進行中度轉移，並以冰/PCM 應對最尖銳的峰值，由控制系統統一調度。
Q7: 適用哪些標準？
A7: 螺栓式構造適用 AWWA D103-09，需要時玻璃搪瓷設計適用 ISO 28765；當迴路水接觸到鄰近飲用水的內襯時，適用 NSF/ANSI 61 與 WRAS。
為資料中心設置的冰蓄冷槽，以機組揚程換取儲存密度，將冷能以防冰或相變材料（PCM）中的潛熱形式儲存，從而在佔地面積或尖峰負載使 chilled water 不切實際的情況下削減尖峰並降低需量電費。依場址的溫度限制選擇形式——封裝式、板式或 PCM——指定耐凍融及耐磨的 GFS 或 FBE 內襯，依移轉負載與時窗決定儲存容量，並將製造參照 AWWA D103-09 與 ISO 28765。如此一來，熱儲存便能在冷卻策略中取得其精簡的一席之地。
與工程師洽談
針對資料中心的儲冰槽，請提供您希望移轉的冷卻能力、尖峰排冰時段、迴路的最低可用溫度與冷凍揚程限制，以及您偏好的冰／PCM 形式。我們將回覆儲存形式建議、符合 GFS 或 FBE 栓接式儲槽規格（含抗凍融內襯與隔熱頂蓋），以及參照 AWWA D103-09 與 ISO 28765 的潛熱儲存選型研究，並附上塗層與火花測試文件。
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