一种通信机房空调节能降耗技术方案设计

2012-09-18魏三强

重庆理工大学学报(自然科学) 2012年6期

魏三强，朱军

(1.安徽宿州职业技术学院计算机信息系，安徽宿州 234101;2.安徽大学电子信息工程学院，合肥 230039)

随着经济的快速发展，降耗增效、环境保护既是各地政府工作的要求，也是各地企业集约发展的方向。近年来，我国不少城市因电力紧张和能源紧缺，时常采取拉闸限电和峰谷调控等措施，但终究不能解决关键的问题。对于很多电信运营商而言，在确保运行稳定的同时，还应充分考虑节约能源。在通信行业的生产过程中，运营商为“机房专用、舒适型空调系统”所纳出的电费在总支出费用中占相当大的比例，如何“有效节能、减少空调电费的开支?”这是电信运营商们需要解决的一个难题［1］。

由于电信企业的运营网络的不断扩大、用户的不断增多，电信企业的设备耗电支出已经成为企业的重要成本支出。统计数据表明，在电信企业的精密机房内，空调耗电量占电费总量的40%以上;在为数众多的局(站)中，空调用电也约占电信企业总用电量的45%左右。设计基于智能通风系统的通信机房空调节能降耗技术方案，就是合理整合不同节能特效的产品，在智能自控系统的调度之下，达到理想的节能降耗效果［2］。

1 方案的设计原则

1)经济性。方案的设计注重性价比，以确保节能为前提，尽量降低成本的投入，使之经济合理。按照通信机房的实际建筑构造，若建有阳台，则可以在阳台上安装柜式进、出风机，用防盗窗封闭进、出风机组;在外风口处，安装防雨型百叶窗，构建金属网架结构。

2)先进性。方案的设计首先确保技术的先进性，从空气动力学、机械原理、电子通信传输与控制等环节，把通信机房的能耗降低到最大程度。

3)可靠性。方案设计的内涵:在确保节能的前题下，力求系统简单、可靠。

4)易操作性。设计应最大程度地减少系统的操作复杂度，使之容易操作。

5)易维护性。设计采用粗效和中效过滤双重除尘结构，更换方便，过滤效果好。在操作该系统时，在智能控制主机面板窗口上设置好工作参数后，能自动控制温控系统的运行，使得系统维护容易［3］。

2 智能通风系统的工作原理

2.1 智能通风系统的基本原理

因通信设备不间断地运行和发热，导致了机房内温度的升高。若在全年中全靠使用空调来维持机房内恒温(恒温保持在25℃左右)，电能耗费量将非常大。一般春、秋、冬三季早晨和晚上的室外温度相对低，因而可用热传递的方法来降低机房内的温度，能减少电能的耗费。

智能通风系统的基本原理是通过空气对流来进行热交换，如图1所示。依据通信机房内温度的分布状态(下面温度相对较低，上面温度相对较高，上下面有3℃左右的温度差)，可把进风口设计在机房低处(做好防水与防破坏)，通过离心风机传入机房外部(过滤后)较低温度的空气中。出风口设计在机房高处，从而排出机房内最高温度点的热量［3－4］。

图1 智能通风系统原理

2.2 智能通风系统的控制原理

利用通信机房的通风智能节能控制器，能选设系统的风机启动/停止温度、空调启动/停止温度和室内外温度差等参数值。系统实时检测室内外的温湿度，可以控制风机和空调的联动运行。若机房外温湿度有一个参数不能满足降低机房内温湿度的要求时，可以使用该智能控制器启动空调，在特殊的数学模型算法程序的规范下，自动控制风机与空调的运行，实现了设备的安全运行和节能双重效果。系统控制的原理［5－7］见图2。

图2 系统控制的原理

2.3 智能通风系统的工作过程

1)温度控制过程。在机房内温度上升到预设的需散热的温度时，智能控制器自动进行比较并确认室外温度低于室内要求的温度，组件能自动打开风门，通过引入机房外部(过滤后)较低温度的空气，排出机房内的热空气;在通风散热之后，若室内温度下降至预设的低温值时，组件能自动关闭风门及风机组，从而阻隔了机房内外空气之间的对流。在通风散热一段时间后，室内温度仍逐渐上升，在温度上升到预设的空调启动温度时，控制器能自动启动空调器，由空调系统把温度控制在25℃;在室内温度下降到预设的空调关闭温度时，控制器能自动关闭空调器，工作过程如此循环。在此过程中，需要注意:空调器启动和关闭是受智能通风系统中的温度传感器所感应的温度控制的，为了保证智能通风系统准确而可靠地运行，须将空调器面板温度与智能通风系统中空调关闭温度的设置相匹配，从而确保智能通风系统准确而可靠地关闭空调。

2)湿度控制过程。在较大空气湿度的气候条件下(比如大雾天或大雨天)，因为延长了通风时间，机房内的湿度值将逐渐上升，当升至其上限值时，组件能自动关闭风门及风机组。伴随着设备产生大量的热量，使室内湿度随之下降。这时，如果室内温度尚未达到空调的启动温度，组件将自动打开风门及风机组，开始通风和散热;如果室内温度值到达了空调的启动温度值，智能控制器能自启空调进行制冷，在室内温度下降到预设的空调关闭温度时，控制器将能自动关闭空调，工作过程反复循环。

3)紧急通风过程。若空调因为出现故障而无法制冷，当机房内温度升到预设的高温报警温度时，系统能紧急自动通风散热;当机房内温度降到预设的最低温度时，进、出风机组件将会自动关闭，从而阻隔了内外空气间的对流［8－9］。

3 适用分析和设计示例

3.1 气候条件

这种设计方案比较适用于我国中北部地区(如皖北地区、苏北地区等，这些地区的季风显著、四季分明)的通信机房。例如，根据皖北地区某市1960—2003年(共44年)的气候资料统计，该市的年平均温度是15.1℃，一年当中最热的月份是8月，平均温度是28.3℃;最冷月份是1月，平均温度是2.9℃，该市全年高于25℃的气温一般只有6、7、8和9月。设计依靠室内外的温度差来降低空调能耗，如果室外温度较高，则不能应用本方案的设计［3］。

3.2 定量估算

参考某机房的发热量与选配空调的总功率，出风量应稍低于进风量，构成正压，通过进低温的冷风和出高温的热风进行散热。按照空气动力学及通风工程的原理，对通风设备的相关参数测算如下:

在空气达到平衡时，进风量Fc约等于排风量Fp。

通信机房设备的散热总量Qz=Pz×η(机房总功耗Pz=I×U)。

机房内的得热总量∑Qd等于散热总量∑Qs(即为热平衡公式);∑Qd=Qz+Qc(进风热量Qc);∑Qs=Qg(排风热量Qg)。

空气的质量=密度×流量。

假定进风的温度是21℃，排风的温度是27℃，通信机房内的均温约是24℃，空气密度ρ=1.29 kg/m3，空气比热容 Cg=1.4，根据上面的热平衡公式，得:

设Lc=Lg=L，得出通风量L=I×U×η÷Cg×(ρg×Tg－ρc×Tc)，取 η =0.6，从以上公式估算出该通信机房的总功耗，进而确定通信机房进、出风机的风量等参数值［3］。

3.3 通信机房内系统的设计示例

通信机房南(西)部的温度一般都高于机房北(东)部的温度，最佳的作法是将进风口设计在通信机房的北(东)面，出风口设计在机房的南(西)面;另外还应充分考虑机房外空气的洁净程度，假如通信机房紧邻马路，最佳的做法是把进风口设计在马路的对面。假设某机房面积约为246 m2(15.8 m ×15.6 m)，层高为 4.6 m，机房专用空调为2台力博特、1台佳力图和1台雅列顿空调(制冷功率均为40 kW·h)，3台常开，1台备用，通信机房内温度常年保持在23℃。通过定量估算，选择通风机组产品为5进5出:5组立式进风机，风量为3000 m3/h;5组吊装出风机，风量为2500 m3/h。该种通信机房内系统的设计示例如图3 所示［10－12］。

图3 智能通风系统设计示例

3.4 选用设备及适用场合

1)设备清单。智能通风节能控制器的设计数量是1台;立式进风机组和吊装出风机组的设计数量是各5组;风机启动器的设计数量是54套(进、出风机组各1套);空调启动器的设计数量是4套(与空调匹配);温湿度传感器的设计数量是2个(1个在室外，1个在室内)。

2)通信机房智能节能控制器应选用直流控制器，为防止在停电时，维修人员也可以操控该控制器;控制器能显示室内外的温湿度，空调、风机的运行状态;控制器的功能是采集通信机房的温度、湿度等参数，对比室内外的温度、湿度数据，自控通风机和空调机的运行;控制器依靠电话数据线把监控的数据参数上传至监控中心，高温与停电时都能报警;另外，通信机房的进、出风机组的各项参数均应达到合理的技术指标。

本方案的核心技术原理是通过机房外的空气降低机房内的温度，一般适于机房外温度较低及机房外湿度合适的环境，如果某通信机房空调的功率是5 kW，依理论估算，这个机房空调的节电度数大约是8.5 kW·h，年总节电量［3］约 75000 kW·h。