通讯基站柜内空调的传热传质模拟分析

宋建中，鲁祥友，景艳阳

（1南京华东建筑工程设计有限公司，江苏 南京 210000；2安徽建筑大学环境与能源工程学院，安徽 合肥 230601）

位于夏热冬冷地区的通信基站，由于夏季极端高温天数多，湿热的环境导致基站的空调持续运转时间加长。另外，现在基站都承担4G通讯业务,5G基站也在加快建设，而通讯工程发展速度与基站设备运行速度能力相关，空调的制冷能力影响通讯设备正常运转及运行速度。周余俊检测了扬州239个户外基站，当室外环境温度上升至39℃，地表温度会达到60℃左右，机柜内设备表层温度受到环境和设备自散热影响，表面温度可达90℃左右。李建冰等对基站机柜出风口进行改造，通过“烟囱效应”增加自然通风能力，减少高温报警次数。吕鹏程基于呼和浩特当地气候特点，采取了安装定时器，不同温度时段设定启停次数，并且加大出风口风机功率，增加机柜内通风口等措施，降低了夏季机柜维修率。本文根据当地气候数据，从室外环境和设备内部两个影响因素模拟分析了机柜内温度分布情况。

1 机柜几何模型

以江苏日高温控公司型号：DKC20机柜为模拟机柜，机柜材料为钢材，传热系数 k=5.5W/m·K，可用制冷功率2000W，内循环风量520m/h，外循环风量580m/h，空调安装尺寸为350×280×950（mm)，其中进风口尺寸为262×250（mm），出风口尺寸为φ184(mm)，机柜尺寸为 0.75×0.75×2（m）。三维模型图见图1（a），经过三种不同网格尺寸验证无关性后，网格分布如图1（b）。接触外界空气机柜表面积 A=0.75×0.75+0.75×2×4=6.5625m。承担移动通讯4G业务的机柜配置设定为1个环动监控（50W)，DRFU(230W)5个（1150W），其他开关(50W)和设备自发热250W,所以机柜内设备产热量Q为1500W（电子元件材料设定为钢材，比热502.48J/kg·K，密度 8030kg/m)。

图1 机柜三维模型及其网格划分图

机柜空调选型计算公式：

式中：

t：机柜外最高温度，℃

t：机柜内控制温度，℃

K：机柜壁面材料传热系数，W/m.K

A：机柜表面积，m

Q：机柜承担的总热量，W

Q：机柜内散热设备产生的总热量，W

Q：由机柜外环境传至机柜内的热量，W

2 传热模型能量求解方程

本文运用ANSYS FLUENT传热模型对机柜不同状态的模拟求解，fluent求解能量方程如下。

①模型中流体域能量传输方程：

公式（3）前三项分别表示传导、物种扩散和粘性耗散引起的能量转移；

S：能量源项（包括化学反应热、辐射、连续相和离散相间传热以及定义的其他体积热源等),W；

单位质量的能量E：

不可压缩流体显热焓h：

Y是物种j和公式（6）的质量分数

②固体域的能量方程：

显焓h：

方程中：

ρ：流体密度，kg/m

P：压力，Pa

k：有效电导率（k+k，k湍流热导率）

C：比热,J/(kg·K)

T：流体温度，K

3 机柜模型不同边界条件模拟

3.1 模拟边界条件设定及结果

机柜内控制温度为29℃，机柜外最高温度设定为37℃及连续极端高温导致机柜周围温度上升至47℃。机柜外温度37℃时机柜外传至机柜内的热量为288.75W，楼顶机柜周围温度达到47℃时机柜接收外界热量为649.6475W，按机柜选型计算外界温度47℃时机柜内总热量已超DCK20机柜所能承担的制冷量。

①传热模型完全接触空气的壁面边界条件设为混合传热，即对流和辐射同时作用于壁面，底部边界设定为定温35℃，壁面厚度0.005m。机柜内部不放置通信电子设备，模拟空气在机柜内空间全循环的温度分布，如图2（a）（b）（c）。

图2 机柜空腔典型截面x=0.375m温度云图

②壁面边界条件设定同①，机柜内放置尺寸为0.4×0.2×0.25（m）5个散热电子设备，每个间隔0.1m，散热设备距底0.4m。在不散热不影响周围温度场的状态下，模拟气流绕过电子设备外壁的温度分布。如图 3（a）（b）（c）。

图3 进口风速不同时典型截面温度云图

③共轭传热建立模型时分别设定固体域和流体域两个计算区域，固体域为五个散热电子设备，每个散热量300W，外界温度37℃时每个电子散热量17887.5W/m，外界环境47℃时每个电子设备热量为21497W/m。模拟电子设备与空气的对流换热耦合，流固接触面使用耦合边界条件。如图 4（a）（b）。

图4 典型截面温度云图

3.2 模拟结果分析

由图 2（a）在进口风速 0.01m/s，机柜体积为1.125m，循环风量为2.34m/h，相当于机柜换气次数为每小时两次。从x=0.375温度分布截面图很明显机柜底部高度0.11m温度还是35℃左右，降温效果无。机柜高度进风口法相方向即高度在0.7m～1.1m温度稳定降至31.7℃～32℃，机柜0.7m 以下及1.1m以上温度都在33℃以上。说明室外空气温度达到37℃时对机柜内80%空间都将受到影响。图2（b）改变边界条件为进口风速0.1m/s，壁面受外界温度47℃影响，循环风量23.4m/h，模拟结果显示0.1m/s风速对机柜内部降温效果良好，高度在0.4m～1.4m温度保持在33℃，除前壁面、顶和底壁面，机柜其他空间及壁面温度保持36℃以下。对比图2（c）增加循环风量至 520m/h，风速达到2.2m/s时机柜空间内x=0.04m至x=1.80m温度保持在33℃以下，降温效果明显有效，另外结果表明机柜壁面温度还是在36℃以上。

机柜内放置通信电子元件总体积为0.1m，使机柜内空气循环空间减小至1.025m，电子元件的设置使得气体在机柜内循环与图2不同，气流遇到电子元件壁面需要绕流。由图3（a）机柜内高0.3m～1.95m 空间温度在33℃以下，除底壁面其他壁面温度在33℃～34℃，同样高度0.3m以下温度无明显下降维持34℃以上。改变边界温度至47℃后温度33℃以下只存在高度为 0.5～1.4m 之间，机柜壁面温度都在35℃以上，相对图3（a）机柜温度超过35℃空间增加54.55%。当风速达到2.2m/s时，模拟结果显示机柜内87.36%空间保持在33℃以下，机柜壁面温度在34.7℃～38.7℃。

图4采用机柜内空气与散热电子元件二者接触面耦合条件模拟计算。由图4（a）边界条件模拟结果显示，电子元件1、2壁面周围0.2m 以内温度都在42℃以上，电子元件3、4处于进风口法相两侧，而且电子元件5相对1离进风口近，所以电子元件3、4、5壁面周围0.12m以外温度基本保持42℃以下。由图4（b）当外界温度上升至47℃时，机柜内温度梯度高度上升，相同截面温度相对37℃模拟结果提高6℃达到48℃～50℃，所以室外环境对机柜壁面每增加10℃热量会使机柜控制温度提高6℃左右。当进口风速增加至3.2m/s，图4（c）模拟结果显示除y=0.9m截面温度分布70%达到54℃，但其他截面温度相对风速2.2m/s降低至41.89℃，所以当风速增加1m/s，机柜内温度会降低6℃。

4 结论

通过以上对不同边界条件机柜内传热模拟，分析得出以下结论：

①机柜空腔状态柜内温度受环境温度影响明显，当外界持续高温状态，空调风速提高100%可以使柜内33℃空间提升2.74%；

②当机柜放置电子设备，空气循环空间减小8.89%，仅受外界温度影响且风速0.1m/s时，温度每增加10℃机柜内33℃以上空间增加54.55%；风速增加100%时机柜内33℃以下空间增加1.56%。电子元件附加散热量1500W后，传热耦合后，外界温度上升10℃机柜内均温会提升6℃，风速增加45.45%可以使机柜温度降低6℃。