利用自然冷源实现机房物理降温

马 松

（中国移动通信集团河北有限公司保定分公司，河北 保定710000）

现阶段基站能耗从观念上大多还是循着固有的建站模式一步一步的改进完善，重复投入、多重改进，效果较差。本文提到的利用自然冷源进行物理降温是指通过集热器使机房内实现精确散热，热量不再从设备内扩散到机房内，而是通过使用基站BTS设备自身风扇系统，将热量用集热器收集通过管道直接排放到室外，并将室外通过过滤网的自然冷空气引入室内，形成物理循环，实现机房降温，从而减少空调运行的时间，达到降低基站能耗的目标。通过试验，可在室外温度不高于25°的情况下，关闭空调，可至少缩短两个月的空调运行时间。

1 技术简介

1.1 基站现状及其存在的问题

为了使基站内设备正常工作，需要将基站室内环境温度维持在设备允许范围内，目前都是通过配置空调（或有源换风设备）来对基站进行降温处理。普通基站一般配置3P以上空调来降温。现有的基站空调系统主要存在如下问题：

（1）由于工作时设备大量散热，基站在冬季外界温度很低时仍然要求空调进行制冷作业，消耗电能严重（部分地区在11月～3月关闭空调）。

（2）基站设备不间断的运行，要求空调能够长期工作，造成了空调容易出现故障，增加维修、维护工作量，且影响空调寿命。

（3）根据相关资料统计分析，平均每个基站空调的电费支出约占整个基站电费支出的40%左右，空调成了基站中除主设备外的主要耗电设备。以3P空调为例，制冷状态下功耗为2.8 kW，而压缩机工作的能耗为2.6 kW。

因此，在保证室内温度满足设备运行需要的范围内，减少空调的工作时间是实现基站节能的关键。

1.2 自然冷源运用原理

机房内温度的升高是因电气设备的长期运行发热而非站外环境温度所致。如果一年四季均用空调来保持站内温度（主要是降温），不仅消耗大量电力，而且增加空调运行时间，降低了空调寿命，既不经济也不环保。本系统则是在冬、春、秋三季及夏季早、晚的低温时段，停用空调，改用空气流通交换热量的办法（在室外温度较高时，利用集热器、排热装置快速排出热量也可有效降低空调运行时间），排出基站室内高温空气引入室外低温空气，达到设备散热降温目的。

机房通风系统充分利用机房室内外的温差而形成热交换，通过精确散热，使热量不扩散到机房内，通过使用基站BTS设备自身风扇系统，将热空气引入集热器，并通过管道迅速排放到室外。依据空气热力学原理，室外冷空气则通过进风口和滤网补充到室内，通过足量的空气交换，达到一定温度的热平衡，实现设备散热和机房降温，从而大幅降低基站电能消耗和营运成本、延长空调使用寿命。

1.3 通信机房通风系统组成

机房通风降温系统主要是由主控进气装置（进气箱）、排气装置（排气箱），集热装置、室内外温湿度传感器、防雨透风口、滤尘装置等组成。通风节能系统具有如下特点：

（1）基站节能效果显著，至少节能40%以上。

（2）机房空调处于间隙工作状态，延长了空调的使用寿命，减少维修成本。

（3）采用三级过滤防尘，在外面采用防尘罩过滤、防尘金属滤网过滤，高精度滤芯过滤，防尘防潮，充分滤除空气中的微粒，保证抽进来的空气清洁干净达标。

（4）后续拓展功能：预留升级空间，将来采用微电脑对通风降温系统和空调进行智能联动控制，具有标准RS232和RS485接口，便于实现远程监控和PC机采集和分析数据。

（5）采用微电脑对通风降温系统和空调进行智能联动控制后，系统启动时，由温度传感器对环境温度进行采样比较，用以确定整个系统的工作状态。

（6）系统工作状态模式：基站温度要求保持在28℃左右；当基站温度在24℃～28℃区间且室外温度低于室内温度（一般在10°温差），基站通风系统运行，实现通风散热，空调在关闭状态，处于节能运行状态；基站温度高于28℃，且室外温度高于室内温度，排风系统继续工作，空调器开始进入制冷工作模式，实行空调制冷降温，进风系统关闭。

1.4 进出风系统的改造要求

（1）进、出风系统为无源设备。

（2）注意进出排风口的高度差。根据自然通风原理可知：增加进出排风口的高度差对增加机房自然通风能力非常重要。在机房高度一定的情况下，尽量降低进风口的位置，使进风风速加大，流经工作区的面积增大，提高自然通风效果，利于排放热量。

（3）由于设备在机房是一字排开的，设备单板是故障的高发区，众多设备单板需要在很短的时间内将热量释放，再由自然通风系统将热量通过对流带出机房（此时可加装一台高质量轴流式圆桶型换气扇增加风量）。

（4）进风系统应含过滤设施，有效过滤进入室内的冷空气，避免灰尘直接进入室内，减少对机房环境造成的影响，过滤设施便于拆卸与清洗。

（5）机房内安装的进、出风设施与外界应有防护措施，避免室外异物（飞虫等）通过通风设施进入机房。

（6）集热装置为金属喷塑罩子，通过罩子与基站BTS设备自身风扇系统连接，将热量用集热器收集通过管道直接排放到室外。

（7）进、出风系统安装后，不会对机房内设备调整、扩容造成影响。

（8）预留进、出风系统与空调进行联动的功能接口。

基站机房利用自然冷源进行物理降温现场试验情况如图1。

图1 通信机房利用自然冷源降温图

2 应用前景分析

2.1 效益分析

通信基站的空调能耗费用是通讯企业运行维护费用的重要支出之一，在我国当前大力提倡节能环保走可持续发展道路的形式下，对通信机房的节能改造迫在眉睫。从通信机房的环境特点，以及通信设备对环境的要求这些方面入手进行节能改造，不仅不会影响通信设备的性能，而且可以达到节能的效果，利国利民。为了解决此问题，对通信机房采用空气节能换热代替空调运行效果进行了分析。

2.2 运行节能效益分析

2.2.1 直接效益

（1）理论分析：由全年室外温度变化规律和热交换系统本身的性能可知，在夏季约90天内，该热交换系统仍能承担部分机房冷却任务，外界自然环境温度高时，才单独使用空调对室内降温。在过渡季或冬季时，由于机房设备发热量较大，室内温度仍然可能升高，而这时室外环境温度低，开启通风降温系统，就能满足设备要求。保定2013年的月平均气温（℃）如表1。

表1 保定2013年的月平均气温／℃

按照保定气候条件，对一个基站粗略进行理论计算：

无通风降温系统情况下，空调每年工作10个月，每天工作约18 h，压缩机工作时间占80%。目前普通基站采用空调为3匹（2.8 kW）。有通风降温系统时，空调一年平均工作3个月，每天平均工作约10 h，通风系统根据环境温度随时工作。按照电费1元／kW·h，30天／月计算，如表2。

表2 两种方案消耗电量电费比较

（2）实际效果分析：目前基站空调被设置为制冷28℃，由于基站是无人值守，基站空调长时间开启，存在一定情况的资源浪费。在保定地区，很多时间段内的自然常温就能满足电子设备正常运行的温度要求，或者仅需一台空调间歇工作就能满足这些电子设备正常运行的温度要求，而机房相对密闭的空间，恰恰让热量无法有效散出，导致空调长时间的运转。

为了了解采用通风降温方式能达到的实际节能效果，在所属基站中找了两个相同载频和空调的基站分别进行了测试，其中一个基站安装换气节能系统。测试的结果是：安装了换气节能系统的基站9天的总用电数为206度，没有安装节能系统的基站9天的总用电数为462度，平均每天的节电度数为28.4度。按商业用电电费1元／度计算，一年可节省28.4×365元＝10 366元，此数值比理论计算的数值每年还多节省了286元，同时也证明了理论分析和实际情况高度一致。

以上只是对一个基站机房的理论分析计算和实测，每个基站每年节省上万度电，如按照目前保定全区4 000余个基站机房计算，保守估计50%的站点使用通风散热系统，每年就可以减少1 900余万元的电费支出。

2.2.2 间接效益

该技术在一定时间内可以代替空调制冷，降低了机房电耗；同时减少了空调工作运行时间，使空调的使用年限延长到原来的3倍以上，空调更新费用和维护费用降低2／3，降低了通讯系统的投资成本及维护费用；在断电、空调故障无法运行时，可大大降低机房高温情况的出现，最大限度地保障了通讯设备的安全可靠。

3 结束语

通过以上分析，表明通信机房在利用自然冷源实现机房物理降温后，节能效果是显著的。在保定地区及河北全境，在温度允许的范围内，全年均可使用该产品单独运行或与空调设备联合运行，这样就更加增强了机房的节能效果。