基于余熱回收的電池室溫度補償研究與應用

謝 昆，王智慧，朱 林

（中國移動通信集團內蒙古有限公司，內蒙古 呼和浩特 010000）

0 引 言

目前，蓄電池使用非常廣泛，應用于各行業的數據中心機房，是機房設備在市電故障情況下提供不間斷供電的重要保障，是維護工作的重中之重。蓄電池最佳運行溫度是25 ℃。環境溫度過高，會使電池過充電產生氣體；環境溫度過低，會使電池充電不足。目前，蓄電池多數獨立存放于電池室。由于電池室內嚴禁設置暖氣等加熱裝置，冬季電池室溫度最低可達-15 ℃，嚴重影響電池的容量和使用壽命。所以，如何控制機房環境溫度保證電池穩定工作至關重要。

1 傳統技術的缺點及存在的問題

目前，大多數蓄電池單獨存放且存放區域內嚴禁配備采暖設備，導致冬季電池環境溫度長期處于0 ℃以下。蓄電池長期處于低溫下工作，電解液粘度和極板活性降低，嚴重影響電池的容量、壽命以及放電性能，最終導致市電故障時電池不能持久放電，存在服務器宕機的風險。通常采用以下幾種方式進行補償。

1.1 增加建筑物保溫，風險高投資巨大

通過在電池室墻體夾層中增加保溫，保證電池室內溫度不易散失，減小室外溫度對室內溫度影響。該方案符合常規做法，但施工過程中嚴重影響機房潔凈度，可能引起設備短路，影響現有設備運行，風險高，投資巨大。

1.2 電暖氣溫度補償，效果差效率低下

為了彌補蓄電池環境的低溫保障電池能夠持久放電，很多數據中心機房采用加裝電暖氣的方式對電池進行溫度補償。電暖氣對局部加熱效果明顯，但是運用于空間大的電池室效果極其不明顯，未帶來明顯的溫度補償且不節能，同時存在安全隱患。

1.3 加裝多聯機空調，極端環境效果差

通過在電池室增加多聯機空調提升制熱量。該方案不涉及對現有結構的改動，只需新增設備，但所需設備數量較多，增加了維護成本，且多聯機空調室外機在低于-15 ℃下無法起到制熱效果[1]。而其電池室內加裝空調，漏水隱患較大。

2 總體解決方案

現數據中心電池室需要補償熱量，而UPS間由于UPS逆變過程產生大量熱量，需要配置空調降溫。本文提出基于余熱回收的電池室溫度補償方案，運用空氣對流原理，利用相鄰UPS間余熱來補償電池環境溫度，同時采用BA控制系統智能化控制環境溫度和設備運行狀態，不僅提高了電池室的環境溫度，而且降低了UPS間的溫度。

采用空氣對流原理，將UPS間熱空氣通過送、排風機導入蓄電池室，提高電池室的溫度，同時降低了UPS間的溫度。為了防止導入后的熱空氣熱量仍不滿足電池室溫度需求，送風機可以加裝電加熱器作為輔助加熱裝置。現場部署合理的溫度采集點，建立智能監控管理平臺對現場的溫度測點、送、排風機以及電加熱器等設備進行聯動，根據采集的環境溫度變化自動實現蓄電池室風機、電加熱器的啟停，無需人員值守，達到節能降耗、延長電池壽命的目的。整體系統改造方案如圖1所示。

圖1 整體系統改造方案示意圖

3 具體方案實施

基于余熱回收的電池室溫度補償方案包括3個方面：理論計算、設備選型和現場實施。

3.1 理論計算

3.1.1 蓄電池室熱功率計算

以中國移動（呼和浩特）數據中心為例，根據《嚴寒和寒冷地區居住建筑節能設計標準》（JGJ26—2010）規范，結合數據中心的建筑結構形式，計算得出電池室電池室維持25 ℃時需要的總功率為45 kW[2]。

3.1.2 UPS間熱功率計算

以中國移動（呼和浩特）數據中心B01機房1號UPS間為例，單臺UPS容量400 kVA，3N系統架構，UPS負載率約60%，功率因數0.9，逆變器損耗約5%。單臺UPS損耗功率為9.72 kW，故UPS間12臺UPS損耗功率共計116.6 kW，其中包括維持UPS間環境25℃所消耗的功率20 kW（利用電池室計算標準結合數據中心的建筑結構形式，計算得出保持UPS間環境25℃所消耗的功率20 kW左右）以及UPS間導流至電池室的余熱96 kW，完全滿足電池室45 kW熱負荷的需求。根據理論計算，當UPS負載率達到28%及以上時，完全可以通過余熱滿足電池室的環境溫度補償；當負載率低于28%時，需借用電加熱器進行輔助加熱。

3.1.3 風量計算

為了熱量實時傳導，需要配置送、排風機，選用常規風管尺寸為800 mm×600 mm，設計送風風速4 m/s，根據Q=VF（其中Q為風量，V為風速，F為風管橫截面積），可算出每秒風量為1.98 m3，從而得出每小時風量約為7 000 m3。為了保證室內正壓，回風管應選用小于送風風管尺寸的600 mm×600 mm風管，設計回風風速4.5 m/s，根據Q=VF算出每秒風量為1.62 m3，每小時風量約為6 000 m3。

3.2 設備選型

現場選用2臺轉數1 250 r/min、風量7 000 m3/h、功率3 kW的防爆型變頻送風機，2臺轉數1 000 r/min、風量6 000 m3/h、功率1.1 kW的防爆型變頻排風機，以及2臺功率為45 kW的電加熱器，進出風溫度為28 ℃/45 ℃，可根據外界溫度自動啟停的管道式電加熱器，外加5個溫度采集器。

3.3 現場硬件部署

電池室與UPS之間墻體每間隔5 m、標高4 m依次安裝送回風風機，同時2臺送風加裝電加熱器，電池室周圍每隔10 m加裝一個溫度傳感器。現場實施如圖2所示。

圖2 現場實施平面圖

3.4 控制系統實現

本文利用不同位置的溫度傳感器對蓄電池室的溫度進行監控采集，當采集到同時多個點溫度低于一定溫度閾值時，啟動送、排風機進行電池室與UPS間的氣流循環；當溫度低于下限閾值時，啟動送風風機里的電加熱器輔助供熱補償。現場控制器（DDC）將電池室溫度傳感器采集到的環境溫度數值上傳至綜合監控平臺，通過對平臺邏輯編程，判讀現有系統遠程監測的溫度數據，調用遠程控制功能實現現場風機自動運行，降低維護工作量，減少電能消耗，延長電池壽命，如圖3所示。

圖3 控制系統圖

主要控制系統包括智能系統硬件架構和智能控制策略。其中，智能系統硬件架構包含現場溫度采集測點、風機控制測點、DDC控制單元以及NAE網絡接入設備。風機具備遠程快速啟動、關停功能，可在智能控制平臺自動或者手動隨時切換模式。智能控制策略主要包含3個方面——智能切換、智能調節和智能選擇[3]。對于智能切換，根據蓄電池室溫度，對余熱回收系統的運行模式進行切換，包括自然冷卻模式、余熱冷卻模式與電加熱冷卻模式3種運行模式；對于智能調節，根據電池室溫度情況，對啟動風機、電加熱器數量進行加減智能調節操作；對于智能選擇，根據各風機和電加熱器的運行時間、告警信息等參數（如表1所示），智能選擇需要啟動的風機組。

表1 智能調節變量表

當溫度采集器采集到電池室溫度低于25 ℃高于20 ℃時，綜合監控平臺聯動離心式風機啟動將UPS間余熱送至蓄電池室；當溫度采集器采集到電池室溫度低于20 ℃時，綜合監控平臺聯動離心式風機啟動將UPS間余熱送至蓄電池室的同時啟動電加熱器，一同為蓄電池室進行送風。啟停邏輯表[4]，如表2所示。

表2 啟停邏輯表

最終現場安裝完畢后試運行啟動風機，UPS間內的溫度下降明顯，電池室溫度也得到了改善，如圖4所示。

3.5 系統調試

為了使系統運行更加穩定，該方案進行了現場風機、電加熱器等設備的硬件調試，以及BA系統的單機調試、系統聯動調試以及模擬調試。

對于設備的單機調試，DDC現場控制器驗證，傳感器校驗；風機控制器驗證；風機閥門驗證；電加熱器通電測試、DDC通電測試、風機通電測試以及設備快速啟動功能測試等。

對于系統級聯調，預設系統冬、夏、過渡季節溫度參數，并在相應工況下進行實時跟蹤調整，保證系統達到最佳運行狀態；對所有遙測、遙控功能進行測試，確保功能正常。

圖4 控制界面

對于模擬調試，模擬冬季來臨電池室溫度過低，監控平臺報環境低溫告警，驗證采集系統、監控系統是否正常，聯動風機電加熱器是否正常啟動，現場溫度回升后系統告警是否清除，現場風機、電加熱器是否停止運轉。

4 效能分析

余熱回收補償電池室溫度技術系統方案帶來的預期收益可從改善設備環境、節約能耗資源、延長設備壽命以及降低人工成本4個方面進行評估。自2018年11月開始在中國移動（呼和浩特）數據中心測試部署，一個冬季的測試運行中，為數據中心生產運營帶來了巨大的經濟效益，相關數據計算如下。

4.1 改善環境溫度

通過加裝離心式風機及風管，充分利用UPS設備運轉時產生的余熱導入電池室，為蓄電池環境做溫度補償，大大提升了蓄電池室的環境溫度，直接提高了蓄電池運行能力及壽命。采用余熱回收技術補償電池室溫度后，UPS間與電池環境溫度較改造前得到明顯改善，現場電池環境溫度與標準溫度的溫差保持在2 ℃之內。以中國移動（呼和浩特）數據中心B01機房為例，2019年1月某天電池室平均溫度保持在24.5 ℃（如圖5所示），完全滿足電池最佳工作環境的溫度需求。

4.2 節約能耗資源

采用余熱回收補償電池室溫度技術系統后，利用UPS間及蓄電池室環境的溫度差，將空氣通過主動送風的方式進行對流交換，減少了UPS間空調以及蓄電池室電暖氣的使用，降低了運行成本，實現了節能降耗。以2019年中國移動（呼和浩特）數據中心三棟機房樓為例，一個采暖季3個機樓可以節省空調系統能耗2.9×104kW·h，能耗降低47%，如圖6所示。

圖5 電池室環境溫度統計

圖6 節能降耗統計

4.3 延長設備壽命

運用余熱回收技術補償電池室溫度后，提升了電池室的溫度，可有效延長設備使用壽命。以呼和浩特數據中心為例，一個電池室有4 608塊電池，每塊電池延長壽命2年，可節省更換電池費用約185萬元。

4.4 降低人工成本

現場通過部署合理的溫度采集點，建立智能監控管理平臺對現場的溫度測點、送、排風機以及電加熱器等設備進行聯動，通過智能化平臺遠程操作自動控制調節，能夠根據采集的環境溫度變化自動實現蓄電池室風機、電加熱器的啟停，無需人員值守，減少了運維巡檢人員數量，從而有效降低了人工成本。該技術實施后，電池室巡檢工作量減少到原采用電暖氣所需人數的25%，可節約人工成本約10萬元。

5 結 論

本文利用UPS間與蓄電池室環境溫差，將熱量進行回收利用，減少了UPS間空調以及蓄電池室電暖氣的使用，充分利用設備余熱，提高了能量利用率，大大降低了輔助設備能耗，同時智能采集聯動控制的邏輯，通過溫度傳感器與綜合監控平臺采集控制，實現了現場無人值守即可調節蓄電池室環境溫度的功能，大大降低了人工成本，節能降耗，降本增效。目前，該成果的核心控制部分已通過國家專利初審，成果具有普適性，行業內具有類似問題和場景的數據中心、核心機房均可以引入，具有一定的實踐指導意義。