利用自然冷源實現(xiàn)機房物理降溫

馬 松

（中國移動通信集團河北有限公司保定分公司，河北 保定710000）

現(xiàn)階段基站能耗從觀念上大多還是循著固有的建站模式一步一步的改進完善，重復(fù)投入、多重改進，效果較差。本文提到的利用自然冷源進行物理降溫是指通過集熱器使機房內(nèi)實現(xiàn)精確散熱，熱量不再從設(shè)備內(nèi)擴散到機房內(nèi)，而是通過使用基站BTS設(shè)備自身風扇系統(tǒng)，將熱量用集熱器收集通過管道直接排放到室外，并將室外通過過濾網(wǎng)的自然冷空氣引入室內(nèi)，形成物理循環(huán)，實現(xiàn)機房降溫，從而減少空調(diào)運行的時間，達到降低基站能耗的目標。通過試驗，可在室外溫度不高于25°的情況下，關(guān)閉空調(diào)，可至少縮短兩個月的空調(diào)運行時間。

1 技術(shù)簡介

1.1 基站現(xiàn)狀及其存在的問題

為了使基站內(nèi)設(shè)備正常工作，需要將基站室內(nèi)環(huán)境溫度維持在設(shè)備允許范圍內(nèi)，目前都是通過配置空調(diào)（或有源換風設(shè)備）來對基站進行降溫處理。普通基站一般配置3P以上空調(diào)來降溫?，F(xiàn)有的基站空調(diào)系統(tǒng)主要存在如下問題：

（1）由于工作時設(shè)備大量散熱，基站在冬季外界溫度很低時仍然要求空調(diào)進行制冷作業(yè)，消耗電能嚴重（部分地區(qū)在11月～3月關(guān)閉空調(diào)）。

（2）基站設(shè)備不間斷的運行，要求空調(diào)能夠長期工作，造成了空調(diào)容易出現(xiàn)故障，增加維修、維護工作量，且影響空調(diào)壽命。

（3）根據(jù)相關(guān)資料統(tǒng)計分析，平均每個基站空調(diào)的電費支出約占整個基站電費支出的40%左右，空調(diào)成了基站中除主設(shè)備外的主要耗電設(shè)備。以3P空調(diào)為例，制冷狀態(tài)下功耗為2.8 kW，而壓縮機工作的能耗為2.6 kW。

因此，在保證室內(nèi)溫度滿足設(shè)備運行需要的范圍內(nèi)，減少空調(diào)的工作時間是實現(xiàn)基站節(jié)能的關(guān)鍵。

1.2 自然冷源運用原理

機房內(nèi)溫度的升高是因電氣設(shè)備的長期運行發(fā)熱而非站外環(huán)境溫度所致。如果一年四季均用空調(diào)來保持站內(nèi)溫度（主要是降溫），不僅消耗大量電力，而且增加空調(diào)運行時間，降低了空調(diào)壽命，既不經(jīng)濟也不環(huán)保。本系統(tǒng)則是在冬、春、秋三季及夏季早、晚的低溫時段，停用空調(diào)，改用空氣流通交換熱量的辦法（在室外溫度較高時，利用集熱器、排熱裝置快速排出熱量也可有效降低空調(diào)運行時間），排出基站室內(nèi)高溫空氣引入室外低溫空氣，達到設(shè)備散熱降溫目的。

機房通風系統(tǒng)充分利用機房室內(nèi)外的溫差而形成熱交換，通過精確散熱，使熱量不擴散到機房內(nèi)，通過使用基站BTS設(shè)備自身風扇系統(tǒng)，將熱空氣引入集熱器，并通過管道迅速排放到室外。依據(jù)空氣熱力學原理，室外冷空氣則通過進風口和濾網(wǎng)補充到室內(nèi)，通過足量的空氣交換，達到一定溫度的熱平衡，實現(xiàn)設(shè)備散熱和機房降溫，從而大幅降低基站電能消耗和營運成本、延長空調(diào)使用壽命。

1.3 通信機房通風系統(tǒng)組成

機房通風降溫系統(tǒng)主要是由主控進氣裝置（進氣箱）、排氣裝置（排氣箱），集熱裝置、室內(nèi)外溫濕度傳感器、防雨透風口、濾塵裝置等組成。通風節(jié)能系統(tǒng)具有如下特點：

（1）基站節(jié)能效果顯著，至少節(jié)能40%以上。

（2）機房空調(diào)處于間隙工作狀態(tài)，延長了空調(diào)的使用壽命，減少維修成本。

（3）采用三級過濾防塵，在外面采用防塵罩過濾、防塵金屬濾網(wǎng)過濾，高精度濾芯過濾，防塵防潮，充分濾除空氣中的微粒，保證抽進來的空氣清潔干凈達標。

（4）后續(xù)拓展功能：預(yù)留升級空間，將來采用微電腦對通風降溫系統(tǒng)和空調(diào)進行智能聯(lián)動控制，具有標準RS232和RS485接口，便于實現(xiàn)遠程監(jiān)控和PC機采集和分析數(shù)據(jù)。

（5）采用微電腦對通風降溫系統(tǒng)和空調(diào)進行智能聯(lián)動控制后，系統(tǒng)啟動時，由溫度傳感器對環(huán)境溫度進行采樣比較，用以確定整個系統(tǒng)的工作狀態(tài)。

（6）系統(tǒng)工作狀態(tài)模式：基站溫度要求保持在28℃左右；當基站溫度在24℃～28℃區(qū)間且室外溫度低于室內(nèi)溫度（一般在10°溫差），基站通風系統(tǒng)運行，實現(xiàn)通風散熱，空調(diào)在關(guān)閉狀態(tài)，處于節(jié)能運行狀態(tài)；基站溫度高于28℃，且室外溫度高于室內(nèi)溫度，排風系統(tǒng)繼續(xù)工作，空調(diào)器開始進入制冷工作模式，實行空調(diào)制冷降溫，進風系統(tǒng)關(guān)閉。

1.4 進出風系統(tǒng)的改造要求

（1）進、出風系統(tǒng)為無源設(shè)備。

（2）注意進出排風口的高度差。根據(jù)自然通風原理可知：增加進出排風口的高度差對增加機房自然通風能力非常重要。在機房高度一定的情況下，盡量降低進風口的位置，使進風風速加大，流經(jīng)工作區(qū)的面積增大，提高自然通風效果，利于排放熱量。

（3）由于設(shè)備在機房是一字排開的，設(shè)備單板是故障的高發(fā)區(qū)，眾多設(shè)備單板需要在很短的時間內(nèi)將熱量釋放，再由自然通風系統(tǒng)將熱量通過對流帶出機房（此時可加裝一臺高質(zhì)量軸流式圓桶型換氣扇增加風量）。

（4）進風系統(tǒng)應(yīng)含過濾設(shè)施，有效過濾進入室內(nèi)的冷空氣，避免灰塵直接進入室內(nèi)，減少對機房環(huán)境造成的影響，過濾設(shè)施便于拆卸與清洗。

（5）機房內(nèi)安裝的進、出風設(shè)施與外界應(yīng)有防護措施，避免室外異物（飛蟲等）通過通風設(shè)施進入機房。

（6）集熱裝置為金屬噴塑罩子，通過罩子與基站BTS設(shè)備自身風扇系統(tǒng)連接，將熱量用集熱器收集通過管道直接排放到室外。

（7）進、出風系統(tǒng)安裝后，不會對機房內(nèi)設(shè)備調(diào)整、擴容造成影響。

（8）預(yù)留進、出風系統(tǒng)與空調(diào)進行聯(lián)動的功能接口。

基站機房利用自然冷源進行物理降溫現(xiàn)場試驗情況如圖1。

圖1 通信機房利用自然冷源降溫圖

2 應(yīng)用前景分析

2.1 效益分析

通信基站的空調(diào)能耗費用是通訊企業(yè)運行維護費用的重要支出之一，在我國當前大力提倡節(jié)能環(huán)保走可持續(xù)發(fā)展道路的形式下，對通信機房的節(jié)能改造迫在眉睫。從通信機房的環(huán)境特點，以及通信設(shè)備對環(huán)境的要求這些方面入手進行節(jié)能改造，不僅不會影響通信設(shè)備的性能，而且可以達到節(jié)能的效果，利國利民。為了解決此問題，對通信機房采用空氣節(jié)能換熱代替空調(diào)運行效果進行了分析。

2.2 運行節(jié)能效益分析

2.2.1 直接效益

（1）理論分析：由全年室外溫度變化規(guī)律和熱交換系統(tǒng)本身的性能可知，在夏季約90天內(nèi)，該熱交換系統(tǒng)仍能承擔部分機房冷卻任務(wù)，外界自然環(huán)境溫度高時，才單獨使用空調(diào)對室內(nèi)降溫。在過渡季或冬季時，由于機房設(shè)備發(fā)熱量較大，室內(nèi)溫度仍然可能升高，而這時室外環(huán)境溫度低，開啟通風降溫系統(tǒng)，就能滿足設(shè)備要求。保定2013年的月平均氣溫（℃）如表1。

表1 保定2013年的月平均氣溫／℃

按照保定氣候條件，對一個基站粗略進行理論計算：

無通風降溫系統(tǒng)情況下，空調(diào)每年工作10個月，每天工作約18 h，壓縮機工作時間占80%。目前普通基站采用空調(diào)為3匹（2.8 kW）。有通風降溫系統(tǒng)時，空調(diào)一年平均工作3個月，每天平均工作約10 h，通風系統(tǒng)根據(jù)環(huán)境溫度隨時工作。按照電費1元／kW·h，30天／月計算，如表2。

表2 兩種方案消耗電量電費比較

（2）實際效果分析：目前基站空調(diào)被設(shè)置為制冷28℃，由于基站是無人值守，基站空調(diào)長時間開啟，存在一定情況的資源浪費。在保定地區(qū)，很多時間段內(nèi)的自然常溫就能滿足電子設(shè)備正常運行的溫度要求，或者僅需一臺空調(diào)間歇工作就能滿足這些電子設(shè)備正常運行的溫度要求，而機房相對密閉的空間，恰恰讓熱量無法有效散出，導(dǎo)致空調(diào)長時間的運轉(zhuǎn)。

為了了解采用通風降溫方式能達到的實際節(jié)能效果，在所屬基站中找了兩個相同載頻和空調(diào)的基站分別進行了測試，其中一個基站安裝換氣節(jié)能系統(tǒng)。測試的結(jié)果是：安裝了換氣節(jié)能系統(tǒng)的基站9天的總用電數(shù)為206度，沒有安裝節(jié)能系統(tǒng)的基站9天的總用電數(shù)為462度，平均每天的節(jié)電度數(shù)為28.4度。按商業(yè)用電電費1元／度計算，一年可節(jié)省28.4×365元＝10 366元，此數(shù)值比理論計算的數(shù)值每年還多節(jié)省了286元，同時也證明了理論分析和實際情況高度一致。

以上只是對一個基站機房的理論分析計算和實測，每個基站每年節(jié)省上萬度電，如按照目前保定全區(qū)4 000余個基站機房計算，保守估計50%的站點使用通風散熱系統(tǒng)，每年就可以減少1 900余萬元的電費支出。

2.2.2 間接效益

該技術(shù)在一定時間內(nèi)可以代替空調(diào)制冷，降低了機房電耗；同時減少了空調(diào)工作運行時間，使空調(diào)的使用年限延長到原來的3倍以上，空調(diào)更新費用和維護費用降低2／3，降低了通訊系統(tǒng)的投資成本及維護費用；在斷電、空調(diào)故障無法運行時，可大大降低機房高溫情況的出現(xiàn)，最大限度地保障了通訊設(shè)備的安全可靠。

3 結(jié)束語

通過以上分析，表明通信機房在利用自然冷源實現(xiàn)機房物理降溫后，節(jié)能效果是顯著的。在保定地區(qū)及河北全境，在溫度允許的范圍內(nèi)，全年均可使用該產(chǎn)品單獨運行或與空調(diào)設(shè)備聯(lián)合運行，這樣就更加增強了機房的節(jié)能效果。