Dimensionnez un réservoir de stockage d’énergie thermique en eau glacée en fonction du déficit de refroidissement à couvrir, de sa durée et de la plage de températures réellement exploitable par les équipements raccordés. La demande totale de refroidissement du bâtiment ne suffit pas à déterminer le volume nécessaire du réservoir.

Une conception pratique doit répondre à deux exigences distinctes : disposer d’une énergie frigorifique stockée suffisante pour couvrir toute la période de pointe et d’une capacité de décharge suffisante pour répondre au déficit instantané maximal. Un réservoir peut satisfaire l’une de ces exigences sans satisfaire l’autre. Déterminez ces deux paramètres avant de comparer les dimensions des réservoirs ou les offres.

Définir la charge de refroidissement que le réservoir doit couvrir

Commencez par établir le profil de charge frigorifique sur la période de décharge prévue. Comparez la charge à chaque intervalle à la capacité frigorifique de la centrale qui restera disponible selon la stratégie d’exploitation prévue. Le stockage fournit la différence chaque fois que la demande dépasse cette capacité disponible.

Énergie de stockage requise = somme de chaque déficit de refroidissement × sa durée.

Utilisez la demande de refroidissement thermique, exprimée en kW de froid, et non la consommation électrique. Si l’objectif est de limiter la puissance électrique appelée, traduisez cette limite en un programme de fonctionnement des groupes frigorifiques réalisable, en tenant compte du rendement de la centrale et de la puissance auxiliaire.

Dans les centres de données, distinguez l’écrêtement des pointes en fonctionnement normal de la continuité du refroidissement lors d’une interruption de la centrale. L’écrêtement des pointes peut nécessiter un stockage couvrant une partie seulement de la charge pendant plusieurs heures. Une exigence de continuité peut nécessiter un débit de décharge beaucoup plus élevé pendant une période plus courte, le temps que les équipements redémarrent.

Si un même réservoir remplit ces deux fonctions, définissez la réserve minimale que l’écrêtement des pointes ne peut pas consommer. Sinon, un réservoir déchargé pour réduire les coûts risque de ne plus disposer d’assez d’énergie en cas d’interruption. Déterminez également si la conception doit couvrir des événements simultanés ou des scénarios d’exploitation distincts.

Convertir le besoin de refroidissement en volume de réservoir

Pour un pré-dimensionnement avec de l’eau, la relation est la suivante :

V = E ÷ (1.163 × ΔT × f)

• V : volume d’eau du réservoir, en mètres cubes.
• E : énergie frigorifique utile requise, en kWh de froid.
• ΔT : différence de température exploitable, en °C, entre l’eau froide chargée et l’eau de retour chaude de conception.
• f : facteur de capacité utile effective, qui tient compte de la part du stockage théorique disponible avant que la température de décharge dépasse la limite autorisée.

Le coefficient 1.163 représente approximativement la capacité thermique d’un mètre cube d’eau par degré Celsius. Pour les mélanges eau-glycol, utilisez la masse volumique et la capacité thermique massique correspondant à leur concentration et à leur température de fonctionnement.

Le facteur de capacité utile doit tenir compte de la configuration du réservoir envisagée et des conditions d’exploitation. Il peut intégrer le mélange, la formation de la thermocline et le volume d’eau inaccessible. Avant d’ajouter d’autres marges, vérifiez si la capacité indiquée par le fournisseur tient déjà compte de ces effets. Les gains de chaleur pendant le stockage et les pertes de distribution doivent également être pris en compte de manière explicite afin d’éviter de les omettre ou de les comptabiliser deux fois.

Exemple de calcul

Supposons que le stockage doive fournir un déficit constant de refroidissement de 600 kW pendant trois heures. L’énergie utile requise est de 1,800 kWh. Avec une différence de température exploitable supposée de 6°C et un facteur de capacité utile indicatif de 0.85 :

V = 1,800 ÷ (1.163 × 6 × 0.85) ≈ 304 m³.

Il s’agit d’une estimation préliminaire du volume d’eau sur la base de ces hypothèses. Elle ne détermine pas les dimensions extérieures du réservoir et ne tient pas compte de toutes les marges propres au projet. La revanche, les composants internes, l’isolation, l’accès et les dégagements nécessaires à l’installation influent sur la configuration finale.

Si la différence de température exploitable tombe à 4°C, le même calcul donne environ 455 m³. Cela montre pourquoi confirmer les températures de fonctionnement dès le début peut éviter une augmentation importante de l’emprise au sol par la suite.

Utiliser des températures que le système de refroidissement peut maintenir

La différence de température de conception doit rester réalisable pendant la décharge du stockage. Un couple de températures de départ et de retour prévu ne suffit pas si l’eau de retour réelle est plus froide, si un débit de dérivation mélange les circuits ou si les équipements terminaux nécessitent un débit supérieur aux prévisions.

Dans un réservoir d’eau glacée stratifié, l’eau froide occupe la partie inférieure et l’eau de retour plus chaude entre par le haut. Les diffuseurs limitent les perturbations entre ces zones. La couche de transition, ou thermocline, occupe un volume et évolue pendant le fonctionnement ; le réservoir ne fournit pas indéfiniment son eau à la température initiale.

Définissez la température maximale admissible à la sortie du réservoir au moment où le stockage est considéré comme épuisé. Cette limite doit être déterminée en fonction des exigences des équipements de refroidissement raccordés. Le réservoir peut encore contenir de l’eau plus froide que l’eau de retour une fois cette limite atteinte, mais l’énergie restante peut ne plus être utile à l’application.

Lorsqu’un échangeur thermique sépare le circuit du réservoir de celui de l’installation, incluez son écart de température dans le bilan thermique. Pour les équipements refroidis par liquide alimentés via des CDUs, suivez les températures requises à travers chaque échangeur. La température de fluide admissible au niveau de l’équipement ne détermine pas directement une température acceptable pour le réservoir de stockage.

Vérifier le débit de décharge avant de valider le volume

L’énergie stockée détermine la durée ; le débit et la différence de température déterminent la puissance frigorifique. Pour l’eau, un calcul préliminaire du débit de décharge est le suivant :

Débit en m³/h = puissance frigorifique en kW ÷ (1.163 × ΔT).

Dans l’exemple d’une puissance de 600 kW et d’une différence de température de 6°C, le débit requis est d’environ 86 m³/h. Si le profil de charge comporte un déficit de courte durée supérieur, dimensionnez le circuit de décharge pour répondre à cette exigence plus élevée, même si l’énergie totale requise reste inchangée.

Vérifiez le régime des pompes, les pertes de charge dans les conduites, la capacité des vannes, les performances de l’échangeur thermique et les limites de fonctionnement des diffuseurs au débit requis. Une vitesse d’entrée excessive peut perturber la stratification et réduire la capacité de stockage utile. Augmenter la taille des pompes sans vérifier les composants internes du réservoir peut donc réduire la durée de fonctionnement du système.

La configuration hydraulique est également importante. Un réservoir atmosphérique raccordé à un circuit sous pression nécessite une interface hydraulique et une gestion de pression adaptées. Vérifiez la pression statique, les dispositions relatives à la dilatation et les conditions d’aspiration des pompes lors du choix du réservoir.

Vérifier que le réservoir peut se recharger avant la prochaine pointe

Un réservoir capable de couvrir un seul événement de décharge peut néanmoins échouer dans le cadre d’un programme quotidien répétitif. Pendant la charge, la centrale frigorifique doit alimenter la charge en temps réel et reconstituer le stockage dans le délai disponible.

Estimez le temps de charge en divisant l’énergie à reconstituer, pertes applicables comprises, par la puissance frigorifique nette disponible pour la charge. Cette puissance peut être limitée par la demande nocturne, les performances du groupe frigorifique à la température de charge requise ou les limites de l’échangeur thermique.

Vérifiez la séquence de fonctionnement sur plusieurs journées consécutives de forte demande. Tenez compte de l’état de charge initial, de la réserve requise et de toute période pendant laquelle la charge est indisponible. Un réservoir plus grand ne résout pas un déficit permanent de capacité de charge.

Le stockage thermique peut décaler la production de froid vers les périodes où les tarifs de l’électricité sont avantageux ou où la production d’énergie renouvelable est disponible. La réduction de la consommation électrique totale dépend des conditions de charge, des gains de chaleur, de l’énergie de pompage et du rendement de la centrale. Évaluez séparément la réduction de la puissance appelée et la consommation d’énergie.

Spécifier les performances utiles dans le lot d’équipements

Demandez une puissance frigorifique utile garantie dans des conditions définies, accompagnée d’un profil de température de décharge. Le seul volume nominal laisse trop d’incertitude quant aux performances du réservoir une fois raccordé à la centrale.

Le cahier des charges d’approvisionnement doit préciser :

• L’énergie frigorifique requise, la puissance maximale de décharge et sa durée.
• L’état de charge initial, la température de retour, la plage de débit et la température maximale admissible à la sortie.
• La manière dont le volume utile, les pertes thermiques et toute réserve de conception sont pris en compte.
• La puissance de charge, la période de charge disponible et l’état de charge final requis.
• La géométrie du réservoir, les charges structurelles, les exigences d’accès et les interfaces hydrauliques.
• Les séquences de commande et les critères de réception pour la charge, l’écrêtement des pointes et la réponse aux interruptions.

Shandong Liangdi Energy Saving Technology Co., Ltd. fournit des réservoirs de stockage d’eau glacée pour centres de données, des CDUs, des collecteurs de distribution d’eau et des unités d’échange thermique. Pour coordonner ces composants, utilisez un programme commun de températures et de débits afin que chaque équipement soit sélectionné en fonction des mêmes exigences d’exploitation.

Lors de la mise en service, démontrez les performances de décharge dans les conditions convenues et vérifiez la transition entre le refroidissement par la centrale et le refroidissement par le stockage. Des capteurs de température placés à plusieurs hauteurs du réservoir peuvent aider à suivre la stratification et à estimer la capacité restante, mais les systèmes de commande doivent relier ces mesures à l’énergie frigorifique utile.

Avant de fixer l’emprise du réservoir, arrêtez le profil de charge, la température de départ admissible, la température de retour réaliste et le programme de charge. Ces paramètres déterminent si un volume supplémentaire apporte une capacité utile et si le système sélectionné peut fournir cette capacité au moment de la pointe.