自然冷源在通信機房中的新型節能應用

楊 攀、吳 俊、侯 寧、劉禮庚

（中國移動通信集團廣西有限公司，廣西 南寧530021）

1 前 言

隨著我國經濟的快速發展，能源緊張問題日益突出，通信網絡規模的不斷擴容，特別是通信機房單位面積設備功耗的不斷增加，造成主設備運行能耗逐年上升，通信機房的制冷系統能耗持續升高，已占據通信機房用電總量的很大一部分。因此，如何節約通信機房能耗已成為通信發展與提高通信業務負載能力的一大重要課題。

新型的智能換熱系統利用室外自然冷空氣，通過智能控制器將外部冷空氣經過凈化處理直接引入設備，在設備內部通過隔離的顯熱交換芯體與機房內部熱空氣進行交換，排出機房內部熱量的空氣調節系統。該系統在本身不帶任何制冷元件的條件下實現室內風冷降溫，從而在確保機房設備正常運行的前提下，盡可能減少空調的運行時間，達到節約電能的目的。

2 自然冷源節能原理

圖1為智能換熱系統原理圖。智能換熱系統通過引入低溫的室外空氣，排出高溫的室內空氣，減少機房空調運行時間，從而達到節能的目的。本工程采用機房智能換熱系統，通過智能控制器實時監測室內室外溫度濕度。當室外溫度低于某個設定值，控制器開啟熱交換，關閉機房空調達到節能效果。在確保機房環境的前提下，依據室內外溫濕度，控制風機、空調的切換運行。

在智能熱交換器內除風機外還設置有空氣－空氣熱交換芯體，機房內空氣經過熱交換后仍送入房內，而機房外空氣經過熱交換芯體后再排出機房外，在熱交換芯體內機房內外的空氣進行熱量的交換，低溫室外空氣吸收室內空氣的熱量變成中高溫空氣仍排出室外，也即機房內的熱量隨機房外的空氣排出房外，而高溫室內空氣在熱交換芯體內將熱量交換給室外空氣后變成中低溫空氣再送回室內。由于在熱交換芯體內這兩股空氣是被金屬傳熱壁隔離，機房外空氣不會進入機房內，除溫濕度外不會對室內空氣帶來其它影響。

圖1 智能換熱系統原理圖

3 自然冷源應用環境及智能換熱系統設計

3.1 應用環境

實驗地點為廣西桂林某三層通信機房，機房總面積約為540 m2，機房層高4.6 m，地板高度400 mm，梁下凈高3.7 m（氣消管底離機房地面）。機房的通信設備采用面對面方向布置的方式，目前該機房通信設備區域配套6臺恒溫恒濕機房專用空調，單臺總冷量為70 kW，顯冷量65 kW，風量17 000 m3／h，均采用地板下送風方式。電力電池室區域配套1臺恒溫恒濕機房專用空調，單臺總冷量為60 kW，顯冷量55 kW，風量14 700 m3／h，采用風管上送風方式。

3.2 設計參數

設計參數見表1、表2。

表1 設計參數

表2 室內設計參數

3.3 新風量的計算方法

根據機房設備運行的要求，機房內所要求的環境參數設為：溫度Tn＝24℃，相對濕度φn＝40%，查空氣焓濕圖得焓In＝43.1kJ／kg，含濕量dn＝7.4g／（kg干空氣）。

適合智能換熱機組運行的室外環境參數設定為：溫度Tw＝16℃，相對濕度φw＝50%，查空氣焓濕圖得焓Iw＝30.4kJ／kg，含濕量dw＝5.6g／（kg干空氣）。焓差△I＝In－Iw＝43.1－30.4＝12.7kJ／kg，含濕量差△d＝dn－dw＝（7.4－5.6）g／（kg干空氣）＝1.8g／（kg干空氣）。

新風量計算公式如下：

式中，Q為通信設備產生的熱量；ρ為空氣密度，ρ＝1.2kg／m3

三層機房遠期規劃設備的功耗分布情況：直流設備功耗為：80kW，交流設備功耗為：50kW；按設備功耗全部轉化為熱量計算，設備冷負荷為：q1＝（80＋50）kW＝130kW；新風量（H）＝Q×3 600／（△I×ρ）＝130×3 600／12.7×1.2m3／h＝30 708m3／h。

綜合考慮設備所需新風量和機房內外的可安裝位置等因素，并參考智能換熱機組的產品規格，本設計建議放置3套智能換熱系統，采用地板下送風系統，單套風量為10 000m3／h。智能換熱系統開啟后聯動關閉部分機房恒溫恒濕空調，從而降低機房耗電量。

3.4 智能換熱系統設計

根據機房平面布置，擬安裝3套智能換熱系統，通信設備區配套3臺下送風機組。智能換熱系統均于機房室內布置，機房內空氣經過熱交換后仍送入房內，機房外空氣經過熱交換芯后再排出機房外，在熱交換芯內機房內外的空氣進行熱量交換，低溫室外空氣吸收室內空氣的熱量變成中高溫空氣后排出室外。室外側新風為下部進風，上部排風，保證進風溫度；通信設備室內側為地板下送風，機組上部回風。

控制系統由四大部分組成：溫濕度控制回路：能對室內外溫度、濕度控制?？照{控制回路：與通信機房精密空調系統進行聯動，控制精密空調的啟停。消防聯動控制：新風管和排風管穿越機房處設置70℃全自動防火閥，火災報警時應瞬間關閉，智能換熱機組能與消防聯動，70℃全自動防火閥關閉后，聯動機組風機停止運行。新增的智能換熱系統根據溫濕度控制啟停，并聯動啟閉相應的機房空調機組，把經冷卻后的冷風送到通信機房內，以消除設備產生的散熱量。由于智能換熱系統機組耗電量遠低于相同顯冷量的機房專用空調設備，故在低溫季節里智能換熱機組設備運行時，機房空調的總耗電量將會明顯減少，通過減少機房專用空調開啟臺數，降低能耗與運行成本，從而產生良好的經濟與社會效益。

其他設計參數：新增的3臺智能換熱機組需同步接入機房動力環境監控系統。智能換熱機組進排風管管材采用A級不燃復合風管。在額定工作狀況下，智能換熱系統的噪聲應滿足聲環境質量標準（GB3096－2008）第5.1節中2類聲環境功能區的噪聲限值，具體為：室外距進出風口一米處的噪聲值應滿足：晝間小于60dB（A）；夜間小于50dB（A）。為滿足后期節能減排評估的需求，需在機房內新增4個電量采集點（采集電流和電壓）和6個溫濕度采集點，其中4個電量采集點分別對應三臺機房專用空調和單獨給智能換熱機組供電的交流配電箱。

3.5 空調配電建設方案

根據機房現場查勘情況新增一只交流配電箱單獨給智能換熱機組供電，電源從機房已有交流配電柜內160A空開引出，電纜沿機房已有交流走線架敷設，局部需增加200mm寬或100mm寬的電纜走線架。

4 實驗數據及分析

4.1 需運行智能換熱系統節能的時間分析

以下為廣西全年溫度分布統計：以室內溫度24℃考慮，室內外設定的溫差為7℃（即溫度在17℃以下）有50天，溫差12℃（即溫度在12℃以下）有130天，溫差17℃（即溫度在7℃以下）有50天，總計230天，這意味全年有7個月可運用該設備，這個需要結合桂林的天氣參數說明為基本依據，因為這是節能參數的基礎，天數越多節能率越大。

4.2 效益分析

已知：智能換熱系統的耗電量N1＝4.4 kW，當3套新風節能機組運行時，以室內溫度24℃考慮。

（1）當室內外溫差設定為7℃時，智能換熱系統運行的天數可按50天計算，此狀態下單臺智能換熱系統的顯冷量為Q顯熱＝ηCMΔt＝0.7×1.010 kJ／kg·K×1.2／kg／m3×10 000 m3／h÷3 600×7K＝16.5 kW，3套智能換熱系統全部運行，可以關掉一臺總冷量為70 kW，顯冷量65 kW，風量17 000 m3／h的恒溫恒濕專用空調的一個系統，耗電量N2＝30 kW／2＝15 kW，則在這50天（按全天運行考慮）內，節電量用如下公式計算得出：

式中，μ為本計算天數中機房專用空調使用時間折扣系數，取0.9。

（2）當室內外溫差設定為12℃時，智能換熱系統運行的天數可按130天計算，此狀態下單臺智能換熱系統的顯冷量為Q顯熱＝ηCMΔt＝0.7×1.009 kJ／kg·K×1.24／kg／m3×10 000 m3／h÷3 600×12K＝29.2 kW，3套智能換熱系統全部運行，可以關掉一臺總冷量為70 kW，顯冷量65 kW，風量17 000 m3／h的恒溫恒濕專用空調，耗電量N2＝30 kW，則在這130天（按全天運行考慮）內，節電量為：

式中：μ為本計算天數中機房專用空調使用時間折扣系數，取0.85。

（3）當室內外溫差設定為17℃時，智能換熱系統運行的天數可按50天計算，此狀態下單臺智能換熱系統的顯冷量為Q顯熱＝ηCMΔt＝0.7×1.009kJ／kg·K×1.265／kg／m3×10 000 m3／h÷3 600×17 K＝42.2 kW，3套智能換熱系統全部運行，可以關掉二臺總冷量為70 kW，顯冷量65 kW，風量17 000 m3／h的恒溫恒濕專用空調，耗電量N2＝30 kW×2＝60 kW，則在這50天（按全天運行考慮）內，節電量為：

節電量＝t（N2－N1）μ＝50×24×（60－4.4×3）×0.8 kWh＝44 928 kWh式中，μ為本計算天數中機房專用空調使用時間折扣系數，取0.8。

電費按0.92元／（kWh）計，由以上計算數據可得：（1）全年節電量＝1 944 kWh＋44 554 kWh＋44 928 kWh＝91 426 kWh；（2）投資回收期＝智能換熱系統總投資÷ 全年節電費。

表3 智能換熱系統全年總效益評估數據

通過以上計算結果可以看出，本機房通過智能換熱系統改造后，可取得一定的經濟效益，4.7年即可回收投資。根據綜合能耗計算通則（GB／T2589－2008），每節約1度電（千瓦時）相應節約0.1229千克標準煤。每節約1千克標準煤，將減少2.62千克二氧化碳（CO2）排放量。采用智能換熱機組后將減少二氧化碳的排放量，對社會資源和環境保護做出貢獻，表4為減少二氧化碳的排放量統計表。

表4 減少二氧化碳的排放量統計表

以上數據均為理論推算而來，可能與機房實際運行情況有所差異。因此本設計的效益評估中的所有指標僅做參考使用，所有指標以實際運行數據為準。

5 結 論

從實驗數據表格可以看出，智能換熱系統在通信機房的新型節能應用，大幅度降低了通信機房的用電量，節省了電費支出，達到了節能減排的目的。

［1］邱 凌.自然冷源空調冷藏技術現狀與前景［J］.暖通空調，1993，（2）：30－33.

［2］梁月影.自然通風與自然冷源在山體人防工程中的應用［J］.廣西工學院報，2000，11（4）：77－79.

［3］趙曉峰.自然冷源制冷在通信機房的應用 ［J］.電信技術，2008，08：23－25.