自然冷源在通信机房中的新型节能应用

2014-05-10刘礼庚

通信电源技术 2014年1期

杨攀、吴俊、侯宁、刘礼庚

（中国移动通信集团广西有限公司，广西南宁530021）

1 前言

随着我国经济的快速发展，能源紧张问题日益突出，通信网络规模的不断扩容，特别是通信机房单位面积设备功耗的不断增加，造成主设备运行能耗逐年上升，通信机房的制冷系统能耗持续升高，已占据通信机房用电总量的很大一部分。因此，如何节约通信机房能耗已成为通信发展与提高通信业务负载能力的一大重要课题。

新型的智能换热系统利用室外自然冷空气，通过智能控制器将外部冷空气经过净化处理直接引入设备，在设备内部通过隔离的显热交换芯体与机房内部热空气进行交换，排出机房内部热量的空气调节系统。该系统在本身不带任何制冷元件的条件下实现室内风冷降温，从而在确保机房设备正常运行的前提下，尽可能减少空调的运行时间，达到节约电能的目的。

2 自然冷源节能原理

图1为智能换热系统原理图。智能换热系统通过引入低温的室外空气，排出高温的室内空气，减少机房空调运行时间，从而达到节能的目的。本工程采用机房智能换热系统，通过智能控制器实时监测室内室外温度湿度。当室外温度低于某个设定值，控制器开启热交换，关闭机房空调达到节能效果。在确保机房环境的前提下，依据室内外温湿度，控制风机、空调的切换运行。

在智能热交换器内除风机外还设置有空气－空气热交换芯体，机房内空气经过热交换后仍送入房内，而机房外空气经过热交换芯体后再排出机房外，在热交换芯体内机房内外的空气进行热量的交换，低温室外空气吸收室内空气的热量变成中高温空气仍排出室外，也即机房内的热量随机房外的空气排出房外，而高温室内空气在热交换芯体内将热量交换给室外空气后变成中低温空气再送回室内。由于在热交换芯体内这两股空气是被金属传热壁隔离，机房外空气不会进入机房内，除温湿度外不会对室内空气带来其它影响。

图1 智能换热系统原理图

3 自然冷源应用环境及智能换热系统设计

3.1 应用环境

实验地点为广西桂林某三层通信机房，机房总面积约为540 m2，机房层高4.6 m，地板高度400 mm，梁下净高3.7 m（气消管底离机房地面）。机房的通信设备采用面对面方向布置的方式，目前该机房通信设备区域配套6台恒温恒湿机房专用空调，单台总冷量为70 kW，显冷量65 kW，风量17 000 m3／h，均采用地板下送风方式。电力电池室区域配套1台恒温恒湿机房专用空调，单台总冷量为60 kW，显冷量55 kW，风量14 700 m3／h，采用风管上送风方式。

3.2 设计参数

设计参数见表1、表2。

表1 设计参数

表2 室内设计参数

3.3 新风量的计算方法

根据机房设备运行的要求，机房内所要求的环境参数设为：温度Tn＝24℃，相对湿度φn＝40%，查空气焓湿图得焓In＝43.1kJ／kg，含湿量dn＝7.4g／（kg干空气）。

适合智能换热机组运行的室外环境参数设定为：温度Tw＝16℃，相对湿度φw＝50%，查空气焓湿图得焓Iw＝30.4kJ／kg，含湿量dw＝5.6g／（kg干空气）。焓差△I＝In－Iw＝43.1－30.4＝12.7kJ／kg，含湿量差△d＝dn－dw＝（7.4－5.6）g／（kg干空气）＝1.8g／（kg干空气）。

新风量计算公式如下：

式中，Q为通信设备产生的热量；ρ为空气密度，ρ＝1.2kg／m3

三层机房远期规划设备的功耗分布情况：直流设备功耗为：80kW，交流设备功耗为：50kW；按设备功耗全部转化为热量计算，设备冷负荷为：q1＝（80＋50）kW＝130kW；新风量（H）＝Q×3 600／（△I×ρ）＝130×3 600／12.7×1.2m3／h＝30 708m3／h。

综合考虑设备所需新风量和机房内外的可安装位置等因素，并参考智能换热机组的产品规格，本设计建议放置3套智能换热系统，采用地板下送风系统，单套风量为10 000m3／h。智能换热系统开启后联动关闭部分机房恒温恒湿空调，从而降低机房耗电量。

3.4 智能换热系统设计

根据机房平面布置，拟安装3套智能换热系统，通信设备区配套3台下送风机组。智能换热系统均于机房室内布置，机房内空气经过热交换后仍送入房内，机房外空气经过热交换芯后再排出机房外，在热交换芯内机房内外的空气进行热量交换，低温室外空气吸收室内空气的热量变成中高温空气后排出室外。室外侧新风为下部进风，上部排风，保证进风温度；通信设备室内侧为地板下送风，机组上部回风。

控制系统由四大部分组成：温湿度控制回路：能对室内外温度、湿度控制。空调控制回路：与通信机房精密空调系统进行联动，控制精密空调的启停。消防联动控制：新风管和排风管穿越机房处设置70℃全自动防火阀，火灾报警时应瞬间关闭，智能换热机组能与消防联动，70℃全自动防火阀关闭后，联动机组风机停止运行。新增的智能换热系统根据温湿度控制启停，并联动启闭相应的机房空调机组，把经冷却后的冷风送到通信机房内，以消除设备产生的散热量。由于智能换热系统机组耗电量远低于相同显冷量的机房专用空调设备，故在低温季节里智能换热机组设备运行时，机房空调的总耗电量将会明显减少，通过减少机房专用空调开启台数，降低能耗与运行成本，从而产生良好的经济与社会效益。

其他设计参数：新增的3台智能换热机组需同步接入机房动力环境监控系统。智能换热机组进排风管管材采用A级不燃复合风管。在额定工作状况下，智能换热系统的噪声应满足声环境质量标准（GB3096－2008）第5.1节中2类声环境功能区的噪声限值，具体为：室外距进出风口一米处的噪声值应满足：昼间小于60dB（A）；夜间小于50dB（A）。为满足后期节能减排评估的需求，需在机房内新增4个电量采集点（采集电流和电压）和6个温湿度采集点，其中4个电量采集点分别对应三台机房专用空调和单独给智能换热机组供电的交流配电箱。

3.5 空调配电建设方案

根据机房现场查勘情况新增一只交流配电箱单独给智能换热机组供电，电源从机房已有交流配电柜内160A空开引出，电缆沿机房已有交流走线架敷设，局部需增加200mm宽或100mm宽的电缆走线架。

4 实验数据及分析

4.1 需运行智能换热系统节能的时间分析

以下为广西全年温度分布统计：以室内温度24℃考虑，室内外设定的温差为7℃（即温度在17℃以下）有50天，温差12℃（即温度在12℃以下）有130天，温差17℃（即温度在7℃以下）有50天，总计230天，这意味全年有7个月可运用该设备，这个需要结合桂林的天气参数说明为基本依据，因为这是节能参数的基础，天数越多节能率越大。

4.2 效益分析

已知：智能换热系统的耗电量N1＝4.4 kW，当3套新风节能机组运行时，以室内温度24℃考虑。

（1）当室内外温差设定为7℃时，智能换热系统运行的天数可按50天计算，此状态下单台智能换热系统的显冷量为Q显热＝ηCMΔt＝0.7×1.010 kJ／kg·K×1.2／kg／m3×10 000 m3／h÷3 600×7K＝16.5 kW，3套智能换热系统全部运行，可以关掉一台总冷量为70 kW，显冷量65 kW，风量17 000 m3／h的恒温恒湿专用空调的一个系统，耗电量N2＝30 kW／2＝15 kW，则在这50天（按全天运行考虑）内，节电量用如下公式计算得出：

式中，μ为本计算天数中机房专用空调使用时间折扣系数，取0.9。

（2）当室内外温差设定为12℃时，智能换热系统运行的天数可按130天计算，此状态下单台智能换热系统的显冷量为Q显热＝ηCMΔt＝0.7×1.009 kJ／kg·K×1.24／kg／m3×10 000 m3／h÷3 600×12K＝29.2 kW，3套智能换热系统全部运行，可以关掉一台总冷量为70 kW，显冷量65 kW，风量17 000 m3／h的恒温恒湿专用空调，耗电量N2＝30 kW，则在这130天（按全天运行考虑）内，节电量为：

式中：μ为本计算天数中机房专用空调使用时间折扣系数，取0.85。

（3）当室内外温差设定为17℃时，智能换热系统运行的天数可按50天计算，此状态下单台智能换热系统的显冷量为Q显热＝ηCMΔt＝0.7×1.009kJ／kg·K×1.265／kg／m3×10 000 m3／h÷3 600×17 K＝42.2 kW，3套智能换热系统全部运行，可以关掉二台总冷量为70 kW，显冷量65 kW，风量17 000 m3／h的恒温恒湿专用空调，耗电量N2＝30 kW×2＝60 kW，则在这50天（按全天运行考虑）内，节电量为：

节电量＝t（N2－N1）μ＝50×24×（60－4.4×3）×0.8 kWh＝44 928 kWh式中，μ为本计算天数中机房专用空调使用时间折扣系数，取0.8。

电费按0.92元／（kWh）计，由以上计算数据可得：（1）全年节电量＝1 944 kWh＋44 554 kWh＋44 928 kWh＝91 426 kWh；（2）投资回收期＝智能换热系统总投资÷ 全年节电费。

表3 智能换热系统全年总效益评估数据

通过以上计算结果可以看出，本机房通过智能换热系统改造后，可取得一定的经济效益，4.7年即可回收投资。根据综合能耗计算通则（GB／T2589－2008），每节约1度电（千瓦时）相应节约0.1229千克标准煤。每节约1千克标准煤，将减少2.62千克二氧化碳（CO2）排放量。采用智能换热机组后将减少二氧化碳的排放量，对社会资源和环境保护做出贡献，表4为减少二氧化碳的排放量统计表。