利用自然冷源實現機房物理降溫

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實現精確散熱，熱量不再從設備內擴散到機房內，而是通過使用基站BTS設備自身風扇系統，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的自然冷空氣引入室內，形成物理循環，實現機房降溫，從而減少空調運行的時間，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，關閉空調，可至少縮短兩個月的空調運行時間。

1 技術簡介

1.1 基站現狀及其存在的問題

為了使基站內設備正常工作，需要將基站室內環境溫度維持在設備允許范圍內，目前都是通過配置空調（或有源換風設備）來對基站進行降溫處理。普通基站一般配置3P以上空調來降溫。現有的基站空調系統主要存在如下問題：

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

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

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

因此，在保證室內溫度滿足設備運行需要的范圍內，減少空調的工作時間是實現基站節能的關鍵。

1.2 自然冷源運用原理

機房內溫度的升高是因電氣設備的長期運行發熱而非站外環境溫度所致。如果一年四季均用空調來保持站內溫度（主要是降溫），不僅消耗大量電力，而且增加空調運行時間，降低了空調壽命，既不經濟也不環保。本系統則是在冬、春、秋三季及夏季早、晚的低溫時段，停用空調，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運行時間），排出基站室內高溫空氣引入室外低溫空氣，達到設備散熱降溫目的。

機房通風系統充分利用機房室內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，通過使用基站BTS設備自身風扇系統，將熱空氣引入集熱器，并通過管道迅速排放到室外。依據空氣熱力學原理，室外冷空氣則通過進風口和濾網補充到室內，通過足量的空氣交換，達到一定溫度的熱平衡，實現設備散熱和機房降溫，從而大幅降低基站電能消耗和營運成本、延長空調使用壽命。

1.3 通信機房通風系統組成

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

（1）基站節能效果顯著，至少節能40%以上。

（2）機房空調處于間隙工作狀態，延長了空調的使用壽命，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）后續拓展功能：預留升級空間，將來采用微電腦對通風降溫系統和空調進行智能聯動控制，具有標準RS232和RS485接口，便于實現遠程監控和PC機采集和分析數據。

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

（6）系統工作狀態模式：基站溫度要求保持在28℃左右；當基站溫度在24℃～28℃區間且室外溫度低于室內溫度（一般在10°溫差），基站通風系統運行，實現通風散熱，空調在關閉狀態，處于節能運行狀態；基站溫度高于28℃，且室外溫度高于室內溫度，排風系統繼續工作，空調器開始進入制冷工作模式，實行空調制冷降溫，進風系統關閉。

1.4 進出風系統的改造要求

（1）進、出風系統為無源設備。

（2）注意進出排風口的高度差。根據自然通風原理可知：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，流經工作區的面積增大，提高自然通風效果，利于排放熱量。

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

（4）進風系統應含過濾設施，有效過濾進入室內的冷空氣，避免灰塵直接進入室內，減少對機房環境造成的影響，過濾設施便于拆卸與清洗。

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

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

（7）進、出風系統安裝后，不會對機房內設備調整、擴容造成影響。

（8）預留進、出風系統與空調進行聯動的功能接口。

基站機房利用自然冷源進行物理降溫現場試驗情況如圖1。

圖1 通信機房利用自然冷源降溫圖

2 應用前景分析

2.1 效益分析

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

2.2 運行節能效益分析

2.2.1 直接效益

（1）理論分析：由全年室外溫度變化規律和熱交換系統本身的性能可知，在夏季約90天內，該熱交換系統仍能承擔部分機房冷卻任務，外界自然環境溫度高時，才單獨使用空調對室內降溫。在過渡季或冬季時，由于機房設備發熱量較大，室內溫度仍然可能升高，而這時室外環境溫度低，開啟通風降溫系統，就能滿足設備要求。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：

無通風降溫系統情況下，空調每年工作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為3匹（2.8 kW）。有通風降溫系統時，空調一年平均工作3個月，每天平均工作約10 h，通風系統根據環境溫度隨時工作。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：目前基站空調被設置為制冷28℃，由于基站是無人值守，基站空調長時間開啟，存在一定情況的資源浪費。在保定地區，很多時間段內的自然常溫就能滿足電子設備正常運行的溫度要求，或者僅需一臺空調間歇工作就能滿足這些電子設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，導致空調長時間的運轉。

為了了解采用通風降溫方式能達到的實際節能效果，在所屬基站中找了兩個相同載頻和空調的基站分別進行了測試，其中一個基站安裝換氣節能系統。測試的結果是：安裝了換氣節能系統的基站9天的總用電數為206度，沒有安裝節能系統的基站9天的總用電數為462度，平均每天的節電度數為28.4度。按商業用電電費1元／度計算，一年可節省28.4×365元＝10 366元，此數值比理論計算的數值每年還多節省了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，每個基站每年節省上萬度電，如按照目前保定全區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，每年就可以減少1 900余萬元的電費支出。

2.2.2 間接效益

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

3 結束語

通過以上分析，表明通信機房在利用自然冷源實現機房物理降溫后，節能效果是顯著的。在保定地區及河北全境，在溫度允許的范圍內，全年均可使用該產品單獨運行或與空調設備聯合運行，這樣就更加增強了機房的節能效果。