一種通信機房空調(diào)節(jié)能降耗技術(shù)方案設(shè)計

魏三強，朱 軍

(1.安徽宿州職業(yè)技術(shù)學院計算機信息系，安徽宿州 234101;2.安徽大學電子信息工程學院，合肥 230039)

隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展，降耗增效、環(huán)境保護既是各地政府工作的要求，也是各地企業(yè)集約發(fā)展的方向。近年來，我國不少城市因電力緊張和能源緊缺，時常采取拉閘限電和峰谷調(diào)控等措施，但終究不能解決關(guān)鍵的問題。對于很多電信運營商而言，在確保運行穩(wěn)定的同時，還應充分考慮節(jié)約能源。在通信行業(yè)的生產(chǎn)過程中，運營商為“機房專用、舒適型空調(diào)系統(tǒng)”所納出的電費在總支出費用中占相當大的比例，如何“有效節(jié)能、減少空調(diào)電費的開支?”這是電信運營商們需要解決的一個難題［1］。

由于電信企業(yè)的運營網(wǎng)絡(luò)的不斷擴大、用戶的不斷增多，電信企業(yè)的設(shè)備耗電支出已經(jīng)成為企業(yè)的重要成本支出。統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，在電信企業(yè)的精密機房內(nèi)，空調(diào)耗電量占電費總量的40%以上;在為數(shù)眾多的局(站)中，空調(diào)用電也約占電信企業(yè)總用電量的45%左右。設(shè)計基于智能通風系統(tǒng)的通信機房空調(diào)節(jié)能降耗技術(shù)方案，就是合理整合不同節(jié)能特效的產(chǎn)品，在智能自控系統(tǒng)的調(diào)度之下，達到理想的節(jié)能降耗效果［2］。

1 方案的設(shè)計原則

1)經(jīng)濟性。方案的設(shè)計注重性價比，以確保節(jié)能為前提，盡量降低成本的投入，使之經(jīng)濟合理。按照通信機房的實際建筑構(gòu)造，若建有陽臺，則可以在陽臺上安裝柜式進、出風機，用防盜窗封閉進、出風機組;在外風口處，安裝防雨型百葉窗，構(gòu)建金屬網(wǎng)架結(jié)構(gòu)。

2)先進性。方案的設(shè)計首先確保技術(shù)的先進性，從空氣動力學、機械原理、電子通信傳輸與控制等環(huán)節(jié)，把通信機房的能耗降低到最大程度。

3)可靠性。方案設(shè)計的內(nèi)涵:在確保節(jié)能的前題下，力求系統(tǒng)簡單、可靠。

4)易操作性。設(shè)計應最大程度地減少系統(tǒng)的操作復雜度，使之容易操作。

5)易維護性。設(shè)計采用粗效和中效過濾雙重除塵結(jié)構(gòu)，更換方便，過濾效果好。在操作該系統(tǒng)時，在智能控制主機面板窗口上設(shè)置好工作參數(shù)后，能自動控制溫控系統(tǒng)的運行，使得系統(tǒng)維護容易［3］。

2 智能通風系統(tǒng)的工作原理

2.1 智能通風系統(tǒng)的基本原理

因通信設(shè)備不間斷地運行和發(fā)熱，導致了機房內(nèi)溫度的升高。若在全年中全靠使用空調(diào)來維持機房內(nèi)恒溫(恒溫保持在25℃左右)，電能耗費量將非常大。一般春、秋、冬三季早晨和晚上的室外溫度相對低，因而可用熱傳遞的方法來降低機房內(nèi)的溫度，能減少電能的耗費。

智能通風系統(tǒng)的基本原理是通過空氣對流來進行熱交換，如圖1所示。依據(jù)通信機房內(nèi)溫度的分布狀態(tài)(下面溫度相對較低，上面溫度相對較高，上下面有3℃左右的溫度差)，可把進風口設(shè)計在機房低處(做好防水與防破壞)，通過離心風機傳入機房外部(過濾后)較低溫度的空氣中。出風口設(shè)計在機房高處，從而排出機房內(nèi)最高溫度點的熱量［3－4］。

圖1 智能通風系統(tǒng)原理

2.2 智能通風系統(tǒng)的控制原理

利用通信機房的通風智能節(jié)能控制器，能選設(shè)系統(tǒng)的風機啟動/停止溫度、空調(diào)啟動/停止溫度和室內(nèi)外溫度差等參數(shù)值。系統(tǒng)實時檢測室內(nèi)外的溫濕度，可以控制風機和空調(diào)的聯(lián)動運行。若機房外溫濕度有一個參數(shù)不能滿足降低機房內(nèi)溫濕度的要求時，可以使用該智能控制器啟動空調(diào)，在特殊的數(shù)學模型算法程序的規(guī)范下，自動控制風機與空調(diào)的運行，實現(xiàn)了設(shè)備的安全運行和節(jié)能雙重效果。系統(tǒng)控制的原理［5－7］見圖2。

圖2 系統(tǒng)控制的原理

2.3 智能通風系統(tǒng)的工作過程

1)溫度控制過程。在機房內(nèi)溫度上升到預設(shè)的需散熱的溫度時，智能控制器自動進行比較并確認室外溫度低于室內(nèi)要求的溫度，組件能自動打開風門，通過引入機房外部(過濾后)較低溫度的空氣，排出機房內(nèi)的熱空氣;在通風散熱之后，若室內(nèi)溫度下降至預設(shè)的低溫值時，組件能自動關(guān)閉風門及風機組，從而阻隔了機房內(nèi)外空氣之間的對流。在通風散熱一段時間后，室內(nèi)溫度仍逐漸上升，在溫度上升到預設(shè)的空調(diào)啟動溫度時，控制器能自動啟動空調(diào)器，由空調(diào)系統(tǒng)把溫度控制在25℃;在室內(nèi)溫度下降到預設(shè)的空調(diào)關(guān)閉溫度時，控制器能自動關(guān)閉空調(diào)器，工作過程如此循環(huán)。在此過程中，需要注意:空調(diào)器啟動和關(guān)閉是受智能通風系統(tǒng)中的溫度傳感器所感應的溫度控制的，為了保證智能通風系統(tǒng)準確而可靠地運行，須將空調(diào)器面板溫度與智能通風系統(tǒng)中空調(diào)關(guān)閉溫度的設(shè)置相匹配，從而確保智能通風系統(tǒng)準確而可靠地關(guān)閉空調(diào)。

2)濕度控制過程。在較大空氣濕度的氣候條件下(比如大霧天或大雨天)，因為延長了通風時間，機房內(nèi)的濕度值將逐漸上升，當升至其上限值時，組件能自動關(guān)閉風門及風機組。伴隨著設(shè)備產(chǎn)生大量的熱量，使室內(nèi)濕度隨之下降。這時，如果室內(nèi)溫度尚未達到空調(diào)的啟動溫度，組件將自動打開風門及風機組，開始通風和散熱;如果室內(nèi)溫度值到達了空調(diào)的啟動溫度值，智能控制器能自啟空調(diào)進行制冷，在室內(nèi)溫度下降到預設(shè)的空調(diào)關(guān)閉溫度時，控制器將能自動關(guān)閉空調(diào)，工作過程反復循環(huán)。

3)緊急通風過程。若空調(diào)因為出現(xiàn)故障而無法制冷，當機房內(nèi)溫度升到預設(shè)的高溫報警溫度時，系統(tǒng)能緊急自動通風散熱;當機房內(nèi)溫度降到預設(shè)的最低溫度時，進、出風機組件將會自動關(guān)閉，從而阻隔了內(nèi)外空氣間的對流［8－9］。

3 適用分析和設(shè)計示例

3.1 氣候條件

這種設(shè)計方案比較適用于我國中北部地區(qū)(如皖北地區(qū)、蘇北地區(qū)等，這些地區(qū)的季風顯著、四季分明)的通信機房。例如，根據(jù)皖北地區(qū)某市1960—2003年(共44年)的氣候資料統(tǒng)計，該市的年平均溫度是15.1℃，一年當中最熱的月份是8月，平均溫度是28.3℃;最冷月份是1月，平均溫度是2.9℃，該市全年高于25℃的氣溫一般只有6、7、8和9月。設(shè)計依靠室內(nèi)外的溫度差來降低空調(diào)能耗，如果室外溫度較高，則不能應用本方案的設(shè)計［3］。

3.2 定量估算

參考某機房的發(fā)熱量與選配空調(diào)的總功率，出風量應稍低于進風量，構(gòu)成正壓，通過進低溫的冷風和出高溫的熱風進行散熱。按照空氣動力學及通風工程的原理，對通風設(shè)備的相關(guān)參數(shù)測算如下:

在空氣達到平衡時，進風量Fc約等于排風量Fp。

通信機房設(shè)備的散熱總量Qz=Pz×η(機房總功耗Pz=I×U)。

機房內(nèi)的得熱總量∑Qd等于散熱總量∑Qs(即為熱平衡公式);∑Qd=Qz+Qc(進風熱量Qc);∑Qs=Qg(排風熱量Qg)。

空氣的質(zhì)量=密度×流量。

假定進風的溫度是21℃，排風的溫度是27℃，通信機房內(nèi)的均溫約是24℃，空氣密度ρ=1.29 kg/m3，空氣比熱容 Cg=1.4，根據(jù)上面的熱平衡公式，得:

設(shè)Lc=Lg=L，得出通風量L=I×U×η÷Cg×(ρg×Tg－ρc×Tc)，取 η =0.6，從以上公式估算出該通信機房的總功耗，進而確定通信機房進、出風機的風量等參數(shù)值［3］。

3.3 通信機房內(nèi)系統(tǒng)的設(shè)計示例

通信機房南(西)部的溫度一般都高于機房北(東)部的溫度，最佳的作法是將進風口設(shè)計在通信機房的北(東)面，出風口設(shè)計在機房的南(西)面;另外還應充分考慮機房外空氣的潔凈程度，假如通信機房緊鄰馬路，最佳的做法是把進風口設(shè)計在馬路的對面。假設(shè)某機房面積約為246 m2(15.8 m ×15.6 m)，層高為 4.6 m，機房專用空調(diào)為2臺力博特、1臺佳力圖和1臺雅列頓空調(diào)(制冷功率均為40 kW·h)，3臺常開，1臺備用，通信機房內(nèi)溫度常年保持在23℃。通過定量估算，選擇通風機組產(chǎn)品為5進5出:5組立式進風機，風量為3000 m3/h;5組吊裝出風機，風量為2500 m3/h。該種通信機房內(nèi)系統(tǒng)的設(shè)計示例如圖3 所示［10－12］。

圖3 智能通風系統(tǒng)設(shè)計示例

3.4 選用設(shè)備及適用場合

1)設(shè)備清單。智能通風節(jié)能控制器的設(shè)計數(shù)量是1臺;立式進風機組和吊裝出風機組的設(shè)計數(shù)量是各5組;風機啟動器的設(shè)計數(shù)量是54套(進、出風機組各1套);空調(diào)啟動器的設(shè)計數(shù)量是4套(與空調(diào)匹配);溫濕度傳感器的設(shè)計數(shù)量是2個(1個在室外，1個在室內(nèi))。

2)通信機房智能節(jié)能控制器應選用直流控制器，為防止在停電時，維修人員也可以操控該控制器;控制器能顯示室內(nèi)外的溫濕度，空調(diào)、風機的運行狀態(tài);控制器的功能是采集通信機房的溫度、濕度等參數(shù)，對比室內(nèi)外的溫度、濕度數(shù)據(jù)，自控通風機和空調(diào)機的運行;控制器依靠電話數(shù)據(jù)線把監(jiān)控的數(shù)據(jù)參數(shù)上傳至監(jiān)控中心，高溫與停電時都能報警;另外，通信機房的進、出風機組的各項參數(shù)均應達到合理的技術(shù)指標。

本方案的核心技術(shù)原理是通過機房外的空氣降低機房內(nèi)的溫度，一般適于機房外溫度較低及機房外濕度合適的環(huán)境，如果某通信機房空調(diào)的功率是5 kW，依理論估算，這個機房空調(diào)的節(jié)電度數(shù)大約是8.5 kW·h，年總節(jié)電量［3］約 75000 kW·h。

3.5 養(yǎng)護

機房通風口因為長時間都在運行，肯定有一些微粒被吸附于表面，需要定期(一季度)清洗初效濾網(wǎng)1～2次，6個月清洗中效濾網(wǎng)1～2次。另外，應定期巡檢設(shè)備，及早發(fā)現(xiàn)并排除掉故障及隱患。

4 結(jié)束語

在中國的大部分城市，一年當中有大半年時段的室外溫度都低于25℃，這些氣候下的溫度基本能適合通信機房內(nèi)設(shè)備的工作環(huán)境需求。因而，通過智能通風技術(shù)達到通信機房內(nèi)部降溫的目標，不但節(jié)能環(huán)保，還能延長空調(diào)的使用年限，又能增加電信企業(yè)的經(jīng)濟效益，這種通信機房空調(diào)的節(jié)能降耗技術(shù)設(shè)計方案具有良好的市場應用價值。

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