Bồn Lưu Trữ Nhiệt Năng cho Trung Tâm Dữ Liệu: So Sánh Nước, Đá và PCM
Tạo vào Hôm nay
Bồn Lưu Trữ Nhiệt Năng cho Trung Tâm Dữ Liệu: So Sánh Nước, Đá và PCM
Nước lạnh là lựa chọn ít rủi ro nhất đối với hầu hết các cơ sở. Bể tích trữ năng lượng nhiệt cho trung tâm dữ liệu chứa nước lưu trữ khoảng 1,16 kWh trên mét khối trên kelvin, tương đương khoảng 7 kWh/m3 ở chênh lệch 6 K trước tổn thất. Băng cho mật độ cao gấp nhiều lần ở cùng thể tích nhưng bổ sung thêm khâu thu hoạch, xả băng và một vòng tuần hoàn gián tiếp. PCM nằm giữa hai loại trên và thường có chi phí cao hơn trên mỗi kilowatt-giờ khả dụng. Bể nước hoạt động gần áp suất khí quyển với lớp cách nhiệt, kiểm soát phân tầng và quy trình chế tạo đã trưởng thành. Bể tích trữ năng lượng nhiệt cho trung tâm dữ liệu được chỉ định theo ba môi trường - nước lạnh, băng và vật liệu chuyển pha - và mỗi môi trường thay đổi vỏ bể, không chỉ số lượng bình chứa.
Mật độ rack không ngừng tăng, kéo theo đó là tỷ lệ năng lượng của site dành cho việc tản nhiệt khỏi tải IT cũng tăng. Chiller được định cỡ cho giờ cao điểm nhất, không phải giờ trung bình, và chính giờ đó quyết định cả hóa đơn thiết bị lẫn phí công suất. Lưu trữ nhiệt năng dịch chuyển làm mát vào những giờ giá rẻ: nhà máy chạy hết công suất ngoài giờ cao điểm, nạp đầy bồn chứa, và vượt qua cao điểm buổi chiều nhờ lượng lạnh đã lưu trữ.
Ba phương tiện lưu trữ lạnh đó. Nước lạnh trong bể cách nhiệt phân tầng là thiết kế tham chiếu. Đá, được tạo thành trên các cuộn dây hoặc thu hoạch bằng máy bên trong bể nước, làm tăng năng lượng trên mỗi mét khối. Vật liệu chuyển pha được bao bọc nhắm đến cùng mục tiêu với sự chuyển đổi từ rắn sang lỏng. Cả ba đều giảm tải lạnh đỉnh điểm; không phương pháp nào giảm tổng số kilowatt-giờ tại chỗ, và mỗi phương pháp thay đổi bố cục, hệ thống điều khiển và kế hoạch bảo trì.
So sánh này đi qua các số liệu quyết định việc mua sắm bể lưu trữ năng lượng nhiệt cho trung tâm dữ liệu: dung lượng trên mỗi mét khối, chi phí trên mỗi kilowatt-giờ khả dụng, tỷ lệ lạnh lưu trữ có thể rút ra, và cách mỗi phương án hoạt động dưới khả năng bảo trì đồng thời.
Ba phương án thực sự lưu trữ những gì
Mật độ lưu trữ quyết định kích thước bồn. Đối với bồn chứa chất lỏng, dung lượng tuân theo `Q = V x rho x cp x dT`. Nước ở khoảng 1000 kg/m3 và 4.186 kJ/kg.K chứa 4.186 MJ mỗi mét khối mỗi kelvin, tương đương khoảng 1.163 kWh/m3.K. Ở dải 6 K phổ biến từ 6 độ C đến 12 độ C, con số này vào khoảng 7 kWh/m3.
Đá đánh đổi sự thay đổi khối lượng lấy ẩn nhiệt. Đông đặc ở 334 kJ/kg lưu trữ nhiều hơn hẳn trên mỗi đơn vị khối lượng so với làm lạnh hiện nhiệt, vì vậy bồn dạng cuộn dây bọc hoặc bồn thu hoạch có cùng diện tích chiếm chỗ chứa được lượng lạnh gấp nhiều lần bồn nước. Hiện tượng đoản mạch nhiệt qua lớp đá âm thầm bào mòn lợi thế đó giữa các chu kỳ.
PCM nằm giữa hai loại trên, phía sau một bộ trao đổi nhiệt. Các muối hoặc paraffin được bao bọc chuyển pha ở nhiệt độ cố định và thường được giữ phía sau một vòng tuần hoàn trung gian, vòng này chỉ giữ được một phần ẩn nhiệt trên mỗi mét khối sau khi tính cả vỏ và diện tích truyền nhiệt.
Ba mật độ này quyết định kích thước bồn chứa năng lượng nhiệt cho trung tâm dữ liệu. Nước cần nhiều mét khối nhất cho cùng một nhiệm vụ, băng cần ít nhất, PCM ở giữa.
1. Nước: chi phí thấp nhất trên mỗi kWh, bồn chứa lớn nhất, kết nối trực tiếp với chiller trong nhiều thiết kế.
2. Đá: gọn nhẹ, gián tiếp và nhiệt độ tiếp cận cao hơn tại dàn trao đổi nhiệt.
3. PCM: từ gọn nhẹ đến trung bình, cần lưu ý các vấn đề về bao gói và phân tách pha.
Chi phí vốn, diện tích chiếm chỗ và bố trí nhà máy
Thể tích bồn là chi phí hữu hình; hệ thống phụ trợ mới là phần âm thầm. Một bồn nước cần vỏ cách nhiệt, các đầu nối vào và ra, bộ khuếch tán, máy bơm và hệ thống điều khiển. Đá và PCM bổ sung thêm một bộ trao đổi nhiệt, một vòng chất lỏng thứ cấp, và trong trường hợp dùng đá là một chu trình xả băng lấy từ bồn trong khi bồn đang vận hành.
Diện tích chiếm chỗ quyết định lựa chọn trên các khuôn viên chật hẹp. Ở nơi có sẵn khu bồn dự phòng, tích trữ nước thắng về chi phí trên mỗi kilowatt-giờ lưu trữ trong mọi hạng mục vận hành. Ở nơi diện tích sàn cố định nhưng có chiều cao phòng máy, đá hoặc PCM được biện minh ngay cả khi chi phí trên mỗi kWh cao hơn, vì giải pháp thay thế là một tòa nhà chiller thứ hai.
Sự thay đổi điều kiện áp suất làm thay đổi phạm vi kết cấu. Bể nước gần áp suất khí quyển nằm ngoài ranh giới áp suất, vì vậy các vòi phun và lỗ mở chỉ được thiết kế cho tải trọng thủy lực. Máy làm đá có áp suất hoạt động ở áp suất dư dương và kéo theo bình chứa, phần gia cường và chế độ kiểm tra của nó.
· Nước lạnh: vốn đầu tư trên mỗi kilowatt-giờ khả dụng thấp nhất, diện tích chiếm chỗ lớn nhất, không có vòng tuần hoàn gián tiếp trong nhiều thiết kế.
· Đá: vốn đầu tư gấp hai đến bốn lần bể nước, diện tích chiếm chỗ nhỏ gọn, luôn có vòng tuần hoàn gián tiếp.
· PCM: vốn đầu tư từ trung bình đến cao, diện tích chiếm chỗ từ nhỏ gọn đến trung bình, luôn có vòng tuần hoàn gián tiếp.
Hiệu suất khả dụng, tổn thất và rút năng lượng
Hiệu suất sạc và xả khác nhau. Bồn nước mất một phần nhỏ dung lượng mỗi ngày qua cách nhiệt và trộn lẫn, và các nhà thiết kế áp dụng 70-90 phần trăm lý thuyết cho dung lượng khả dụng sau khi tính đến tổn thất do phân tầng, đoản mạch nhiệt và trộn lẫn.
Băng bị mất do đoản mạch nhiệt. Nhiệt xuyên qua vỏ làm tan băng chưa được sạc để sử dụng, vì vậy nhà máy phải sạc quá mức. Chất lượng cách nhiệt và hình dạng bồn quyết định tốc độ đó.
PCM bị mất ở phía truyền nhiệt. Độ dẫn nhiệt thấp trong lớp chuyển pha giới hạn công suất sạc và xả theo diện tích bề mặt thay vì theo thể tích, vì vậy việc định cỡ cho tốc độ đỉnh làm tăng kích thước bồn và làm giảm lợi ích về mật độ.
Lộ trình | Mật độ lý thuyết | Tỷ lệ khả dụng | Cơ chế tổn thất chính |
Nước lạnh | ~1,16 kWh/m3.K | 70-90 phần trăm | Sự phân tầng sụp đổ, rò rỉ môi trường xung quanh |
Băng | Gấp vài lần nước | 60-85 phần trăm dung lượng nạp | Ngắn mạch nhiệt, rút nước xả đá |
PCM | Tầm trung | 60-80 phần trăm tiềm ẩn | Truyền dẫn giới hạn, tách pha |
Vận hành, Bảo trì và Hành vi Hỏng hóc
Hệ thống nước hỏng chậm và rõ ràng. Sự phân tầng bị xói mòn, bộ khuếch tán bị bẩn, và dòng hồi lưu quá nhiệt trộn lẫn bể chứa. Hóa chất là loại mà nhà máy đã vận hành: diệt khuẩn, ức chế, kiểm soát cặn và vệ sinh định kỳ.
Nhà máy băng có danh sách cơ khí. Cặn cuộn dây, cầu băng, kẹt van xả đá và rò rỉ vòng lặp tái diễn, tất cả bên trong bình cách nhiệt, khiến việc tiếp cận trở nên khó khăn.
PCM bổ sung các hạng mục ổn định vật liệu. Hư hỏng chất bao gói, phân tầng trong muối hydrat và cáu cặn bộ trao đổi nhiệt đều cần một điểm giám sát trực tiếp ngay từ ngày đầu. Trong thực tế, ghi nhật ký nhiệt độ đầu vào và đầu ra, mức và vận tốc bộ khuếch tán cho bể nước, tần suất xả băng và phần băng cho nhà máy băng, và công suất nạp và xả với độ trôi dải pha cho skid PCM.
Đặc tả kỹ thuật
Hạng mục | TES nước lạnh | TES băng | TES PCM |
Môi trường lưu trữ | Nước, 5-7 đến 12-14 độ C | Băng trong nước, cuộn hoặc thu hoạch | Muối hoặc parafin được bao gói |
Công thức dung lượng | Q = V x rho x cp x dT | m x 334 kJ/kg, trừ hao hụt | m x nhiệt ẩn, trừ tổn thất HX |
Dải khả dụng | Delta 5-7 K | Điểm nóng chảy gần 0 độ C | Nhiệt độ chuyển pha cố định |
Điều kiện áp suất | Gần áp suất khí quyển | Áp suất dương thấp | Từ áp suất khí quyển đến áp suất thấp |
Cách nhiệt | Bông khoáng, lớp phủ nhôm | Tường nặng hơn, lớp niêm phong hơi | Bông khoáng, lớp niêm phong hơi |
Bộ trao đổi nhiệt | Không phải lúc nào cũng cần thiết | Luôn luôn | Luôn luôn |
Công suất xả đỉnh | Vòi phun, máy bơm và bộ khuếch tán | Diện tích bề mặt cuộn dây | Đường dẫn và diện tích truyền dẫn |
Phạm vi vỏ | Bể lưu trữ năng lượng nhiệt cho trung tâm dữ liệu sử dụng cùng phạm vi vỏ, lớp phủ và cách nhiệt như bất kỳ bình nước áp suất khí quyển lớn nào | ||
Tài liệu tham khảo thiết kế | Thực hành AWWA D103, hướng dẫn ASHRAE DC9 | Thực hành bồn chứa, thông số máy | Thực hành bồn chứa, thông số vật liệu |
Trường hợp dự án
Trường | Giá trị |
Dự án | Kho chứa nước uống Namibia (P-A) |
Sản phẩm | 01 Bể thép tráng men nung chảy |
Dung tích | Tổng 44.900 m3 |
Kích thước | 4 bồn chứa, đường kính 41,26 m, chiều cao 8,4 m |
Hoàn thành | Tháng 9 năm 2022 |
Trong khi các dự án tham chiếu đã bàn giao của chúng tôi trong lĩnh vực nước và nước thải bao gồm phạm vi nước uống này, phạm vi TES cho trung tâm dữ liệu được thiết kế theo cùng tiêu chuẩn. Bốn bồn chứa bulông với đường kính 41,26 m chứng minh số lượng tấm panel, đường kính vỏ và trình tự lắp ráp tại công trường mà một bồn chứa nước áp suất khí quyển lớn yêu cầu. Bồn chứa năng lượng nhiệt cho trung tâm dữ liệu thừa hưởng cùng phạm vi vỏ khi môi trường là nước và bồn chứa duy trì gần áp suất khí quyển.
Năng lực Kỹ thuật của Center Enamel
Center Enamel (Shijiazhuang Zhengzhong Technology Co., Ltd) đã thiết kế và chế tạo bồn chứa lắp ghép bằng bu lông từ năm 2008. Là nhà sản xuất bồn thép tráng men nung chảy (GFS) đầu tiên tại Trung Quốc, công ty sở hữu gần 200 bằng sáng chế liên quan đến men, sản xuất khoảng 300.000 tấm thép phủ men mỗi năm, đã hoàn thành hơn 30.000 dự án lắp đặt và cung cấp bồn chứa của mình đến hơn 100 quốc gia. Cơ sở sản xuất mới rộng 150.000 m² được bổ sung để nâng cao năng lực sản xuất, và các bồn đơn lẻ được cung cấp lên đến 60.000 m³. Hoạt động sản xuất diễn ra theo ISO 9001 và ISO 45001, với chứng nhận sản phẩm bao gồm NSF/ANSI 61, WRAS, FDA, LFGB, CE (EN 1090), ISO 28765, FM, BSCI và EUROCODE, và thiết kế tham chiếu theo AWWA D103-09, AWWA C550 và NFPA khi ứng dụng yêu cầu.
Yêu cầu trung bình so với dạng vỏ
· Nước, băng và PCM mỗi loại đặt ra một yêu cầu vỏ khác nhau: nước cần thể tích và cách nhiệt, băng cần cuộn dây hoặc ống góp bên trong, PCM cần một bó viên nang mà bể phải chứa được về mặt hình học.
· Bước đầu tiên có rủi ro thấp nhất là một vỏ chứa đầy nước áp suất khí quyển được định cỡ từ đường cong tải làm mát, vì nó giữ nguyên thiết kế thủy lực và điều khiển so với nhà máy cơ sở.
· Các đợt giao hàng bồn nước của chúng tôi, dẫn đầu bởi dự án Namibia 44.900 m³, là tiền lệ trực tiếp cho một kho chứa dựa trên nước.
Các câu hỏi thường gặp
Q1: Lưu trữ băng có luôn rẻ hơn nước lạnh về chi phí không?
A1: Không. Băng giữ nhiều lạnh hơn trên mỗi mét khối, nên bồn chứa nhỏ hơn, nhưng cụm máy, chu trình xả băng và vòng tuần hoàn gián tiếp làm tăng chi phí lắp đặt trên mỗi kilowatt-giờ hữu dụng. Khi có đất sẵn, nước mang lại thời gian hoàn vốn ngắn hơn.
Q2: Tôi cần thể tích bồn bao nhiêu cho tám giờ cắt đỉnh?
A2: Trước tiên hãy tính kilowatt-giờ lưu trữ: phụ tải tính bằng kW nhân với số giờ dịch chuyển, chia cho hệ số hữu dụng, rồi chia cho mật độ của môi trường đã chọn. Ở 6 K, nước cung cấp khoảng 7 kWh/m3 trước hệ số 70-90 phần trăm.
Q3: Bồn TES nước có giúp ích khi mất điện không?
A3: Nó giúp ích. Lượng dự trữ lạnh bao phủ nhà máy trong khi máy phát điện và bộ UPS khởi động, và một bồn chứa khí quyển cung cấp dòng chảy mà không cần nguồn cấp có áp suất. Các nhà thiết kế ghi nhận nó có thời gian chạy tự động xác định, không phải thời gian chạy vô hạn.
Q4: Bể đá hoặc bể PCM có thể kết nối với hệ thống nước lạnh hiện hữu không?
A4: Có, như một đảo gián tiếp với bộ trao đổi nhiệt và vòng tuần hoàn riêng. Giao diện bao gồm một cặp kết nối và một tín hiệu điều khiển, do đó các máy làm lạnh hiện hữu vẫn giữ giao diện nhà máy của chúng phía sau hệ thống lưu trữ mới.
Q5: Môi chất nào chịu được chất lượng nước kém tốt nhất?
A5: Lớp men phủ tại nhà máy hoặc epoxy liên kết nóng chảy bên trong giữ cho vỏ bể không tiếp xúc với nước lưu trữ, do đó thành phần hóa học ảnh hưởng đến phía nước thay vì thép. Cả hai đều có thể sửa chữa tại hiện trường đối với bể được mở để kiểm tra vài năm một lần.
Q6: Tổn thất dự phòng trên bể cách nhiệt là bao nhiêu?
A6: Bể khí quyển được cách nhiệt tốt mất một phần nhỏ lượng tích trữ mỗi ngày, được bù lại vào chu kỳ tiếp theo. Độ dày cách nhiệt, niêm phong hơi và chi tiết hỗ trợ quan trọng hơn vật liệu vỏ.
Q7: Liệu có đáng chạy thử nghiệm PCM trước tiên không?
A7: Hầu hết các nhà vận hành thử nghiệm một bồn chứa trên một hành lang không quan trọng để ghi lại công suất sạc và xả, độ trôi dải pha và cặn bẩn, điều này trả lời liệu nhiệt độ chuyển pha có khớp với nước hồi lưu hay không.
Ba tuyến đường lưu trữ lạnh theo cách khác nhau, và chỉ một tuyến là rẻ trên mỗi kilowatt-giờ. Nước có chi phí vốn thấp nhất, giao diện thủy lực đơn giản nhất và hồ sơ bảo trì sâu nhất, được trả giá bằng thể tích. Đá mua sự gọn nhẹ bằng chi phí cao hơn và các bộ phận chuyển động. PCM cung cấp một dải nhiệt độ có thể điều chỉnh và phải trả giá bằng diện tích truyền nhiệt và quản lý vật liệu. Ở nơi có đất sẵn có và cửa sổ thời gian dài, bể nước là câu trả lời tham chiếu, và hai phương án còn lại được biện minh bởi dấu chân diện tích chứ không phải bởi nhiệt động lực học.
Nói chuyện với Kỹ sư
Gửi phụ tải sảnh tính bằng kW, cửa sổ lưu trữ tính bằng giờ, nhiệt độ cấp và hồi của chiller, và mặt bằng nhà máy hiện có cho một bồn chứa. Chúng tôi sẽ trả về tính toán kích thước theo mét khối, số kilowatt-giờ khả dụng sau hệ số phân tầng và tổn thất, cùng thông số kỹ thuật vòi phun, bộ khuếch tán và cách nhiệt. Để so sánh môi trường lưu trữ, hãy yêu cầu tính toán tương tự cho đá và PCM để lựa chọn dựa trên dung lượng khả dụng, không phải mật độ danh nghĩa.
WhatsApp