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　　機(jī)房無源換熱技術(shù)研究 

　　焦海琦     

　　呼倫貝爾移動(dòng)通信分公司網(wǎng)絡(luò)部 021000 

　　摘  要：研究在無源情況下，冬季利用機(jī)房?jī)?nèi)發(fā)熱設(shè)備自供熱對(duì)蓄電池等低溫耐受性較差的設(shè)備進(jìn)行加熱保溫；夏季使用氣壓差進(jìn)行排風(fēng)原理，利用內(nèi)外溫度差形成了溫度的不同進(jìn)行冷熱交換，促使空氣大量流通用于冷熱空氣交換和流動(dòng)，最大限度利用不需要能源驅(qū)動(dòng)的自有冷源降低機(jī)房設(shè)備的高溫，能夠顯著降低整體機(jī)房的能源消耗，節(jié)約維護(hù)成本，提高效率，延長(zhǎng)低溫耐受性差的設(shè)備的壽命，提高用戶滿意度，社會(huì)、經(jīng)濟(jì)效益極高。 

　　關(guān)鍵詞：節(jié)能  無源   自供熱  氣壓差   

　　1 研究背景 

　　呼倫貝爾市是中國(guó)最為寒冷的地區(qū)，大陸性氣候顯著。氣溫溫差極大，冬季最冷月平均氣溫在-18--30℃之間，極端低溫-50.7℃，夏季極端高溫44.1℃，最大溫差達(dá)到94.8℃。冬季嚴(yán)寒取暖期長(zhǎng)達(dá)7個(gè)月，使得大部分機(jī)房冬季低溫、夏季高溫現(xiàn)象嚴(yán)重，存在基站退服，縮短設(shè)備壽命等問題。 

　　我區(qū)東部地區(qū)大部分基站主要是愛立信設(shè)備，該設(shè)備使用溫度范圍為5—35℃，超出溫度范圍后基站即告警并退服。 

　　機(jī)房溫度極低，導(dǎo)致蓄電池多次凍壞。冬季：現(xiàn)網(wǎng)使用的基站加熱器功率為2KW，由于為機(jī)房整體空間環(huán)境加熱，效率很低，極寒地區(qū)部分基站機(jī)房需要使用兩臺(tái)加熱器才能達(dá)到溫度要求，極大增加了耗電量本。 

　　夏季，基站所屬的機(jī)房的溫度，由于環(huán)境溫度高，主要使用基站空調(diào)來保持通信基站機(jī)房的環(huán)境溫度，主要依靠基站空調(diào)來維持。主要使用的基站空調(diào)為3P和5P兩種功率，根據(jù)測(cè)算數(shù)據(jù)顯示，空調(diào)的平均耗電在2500度/月，這種完全依靠空調(diào)制冷的方式效率低，且能耗高。 

　　為了快速而有效的降低能源消耗，減少能源使用成本，響應(yīng)國(guó)家的節(jié)能減排號(hào)召，國(guó)內(nèi)通信行業(yè)全面開展“綠色行動(dòng)”工作，針對(duì)機(jī)房整體節(jié)能的研究和探索也在不斷推進(jìn)，本文旨在通過機(jī)房現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)改造來研究機(jī)房無源換熱技術(shù)，用于共同學(xué)習(xí)與研究。  

　　2 無源換熱改造節(jié)能目標(biāo) 

　　通過統(tǒng)計(jì)近三年呼倫貝爾地區(qū)機(jī)房?jī)?nèi)設(shè)備能耗分布情況可以看出無線、傳輸設(shè)備這兩類設(shè)備其耗電量占比為49%，其由話務(wù)量及設(shè)備板件功耗決定，很難通過優(yōu)化改造等方法降低。 

　　加熱器、空調(diào)能耗占比高達(dá)44%，加熱器、空調(diào)能耗收機(jī)房?jī)?nèi)環(huán)境溫度影響極大，如何通過機(jī)房環(huán)境改造促使設(shè)備在工作溫度內(nèi)進(jìn)行，如果能通過改造機(jī)房環(huán)境使得設(shè)備能夠在工作溫度內(nèi)運(yùn)行，就能減少加熱器、空調(diào)運(yùn)行時(shí)間，達(dá)到節(jié)能減排目的。工作環(huán)境溫度對(duì)基站的各種設(shè)備影響巨大，長(zhǎng)期運(yùn)行在不適合的溫度環(huán)境下，故障率和使用壽命都受到很大的影響，故障率將大大提高。蓄電池是環(huán)境要求非?？量痰脑O(shè)備。例如：其標(biāo)準(zhǔn)溫度為25℃，建議溫度范圍為15℃～30℃。呼倫貝爾地區(qū)冬季機(jī)房溫度過低，常常導(dǎo)致蓄電池凍裂，即使未損壞的蓄電池也會(huì)產(chǎn)生放電效率下降的后果，導(dǎo)致蓄電池的使用壽命減少到3年。 

　　蓄電池容量與環(huán)境溫度的對(duì)比關(guān)系：環(huán)境溫度25℃，蓄電池放出容量100%；環(huán)境溫度0℃，蓄電池放出容量90%；環(huán)境溫度-10℃ ，蓄電池放出容量70%；環(huán)境溫度-20 ℃ ，蓄電池放出容量50%。 

　　3 機(jī)房環(huán)境改造各方案評(píng)估 

　　3.1機(jī)房墻體保溫： 

　　此方案通過對(duì)基站機(jī)房墻體進(jìn)行保溫改造，保證冬季機(jī)房保暖減少墻體散熱，夏季增加墻體隔熱能力。 

　　優(yōu)點(diǎn)：墻體改造方式簡(jiǎn)單，易于推廣。 

　　缺點(diǎn)： 1、成本高，施工時(shí)需搭設(shè)腳手架， 經(jīng)濟(jì)性較差； 2、節(jié)能效果有限如設(shè)備發(fā)熱量不大冬季還是需要加熱器，如設(shè)備發(fā)熱量大夏季仍需要空調(diào)散熱 3、 外墻施工， 動(dòng)靜較大不適用于敏感站點(diǎn)。 

　　3.2加強(qiáng)空調(diào)、加熱器運(yùn)維管理： 

　　機(jī)房節(jié)能減排的主要支撐需要分維度多層次，利用動(dòng)環(huán)監(jiān)控系統(tǒng)遠(yuǎn)程關(guān)斷空調(diào)、動(dòng)環(huán)監(jiān)控系統(tǒng)檢測(cè)機(jī)房環(huán)境溫度、根據(jù)機(jī)房類型氣候情況由維護(hù)人員經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行預(yù)測(cè)，人工上站關(guān)閉或調(diào)整基站加熱器實(shí)現(xiàn)節(jié)能目標(biāo)。 

　　優(yōu)點(diǎn)：最大限度利用現(xiàn)有資源，無需投入資金進(jìn)行改造。充分調(diào)動(dòng)現(xiàn)有人員，結(jié)合現(xiàn)有流程，更符合代維人員的維護(hù)習(xí)慣，具備一定的可推廣性。 

　　缺點(diǎn)：屬于對(duì)現(xiàn)狀的改良，在較大程度上依賴人員經(jīng)驗(yàn)，造成維護(hù)人員疲于奔命按次維護(hù)費(fèi)用增多，節(jié)能效果有限。 

　　3.3無源換熱改造 

　　冬季機(jī)房保溫：在寒冷季節(jié)通過對(duì)機(jī)房?jī)?nèi)對(duì)低溫耐受性較差的設(shè)備包裹，為發(fā)熱設(shè)備保溫的同時(shí)，將發(fā)熱設(shè)備富余熱量為蓄電池加熱。 

　　夏季機(jī)房降溫：利用氣壓差排風(fēng)原理，充分利用機(jī)房室內(nèi)外溫差所形成的冷熱交換，機(jī)房設(shè)備的溫度需要最大限度地利用冷源（冷空氣）降低。 

　　優(yōu)點(diǎn)：不需要外部加熱器、空調(diào)設(shè)備，大大降低機(jī)房能耗，節(jié)能效果好！ 

　　缺點(diǎn)：屬于創(chuàng)新課題需要多次試驗(yàn)改造研究。 

　　4 機(jī)房無源換熱技術(shù)原理 

　　冬季機(jī)房保溫：在寒冷季節(jié)，通過對(duì)機(jī)房?jī)?nèi)對(duì)低溫耐受性較差的設(shè)備使用絕熱、絕緣、阻燃的新型材料進(jìn)行包裹，可以在不開啟基站加熱設(shè)備的情況下，保證機(jī)房?jī)?nèi)基本溫度促使機(jī)房?jī)?nèi)各設(shè)備良好穩(wěn)定運(yùn)行。利用基站主設(shè)備等主要發(fā)熱設(shè)備自散熱對(duì)其它機(jī)柜特別是蓄電池進(jìn)行加熱保溫，充分利用有限的熱源。 

　　機(jī)房各機(jī)柜內(nèi)安裝溫感器、溫控閥門及風(fēng)扇，當(dāng)溫度超過25℃時(shí)，溫控閥門自動(dòng)開啟，風(fēng)扇運(yùn)轉(zhuǎn)將熱氣排出機(jī)柜，主設(shè)備富余熱量將通過基站主設(shè)備機(jī)柜和電池柜之間安裝的通風(fēng)設(shè)備向電池柜傳遞，為蓄電池加熱。 

　　夏季機(jī)房降溫： 

　　在高溫季節(jié)，機(jī)房環(huán)境溫度過高導(dǎo)致高溫易故障，充分利用冷熱壓差（由內(nèi)外溫差形成），促使大量冷熱空氣轉(zhuǎn)換和流通。夏季只需打開機(jī)房出氣閥門，關(guān)閉導(dǎo)流閥門，將機(jī)房主要發(fā)熱源“基站主設(shè)備” 熱量，通過管道直接輸送至機(jī)房外部，同時(shí)利用大氣壓差將冷源池內(nèi)的低溫氣體吸入機(jī)房?jī)?nèi)部，為設(shè)備降溫。圖4為示意圖。   

　　5技術(shù)關(guān)鍵及解決措施 

　　5.1提出改造方案并針對(duì)各關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行細(xì)化分析，找出最優(yōu)解決方案。 

　　（1）、保溫材料選擇：該方案使用新型絕緣絕熱保溫材料，該材料由特殊工藝離心玻璃棉外面復(fù)合阻燃貼面和一層高強(qiáng)度防潮貼面構(gòu)成。離心玻璃棉是將處于熔融狀態(tài)的玻璃用離心噴吹法工藝進(jìn)行纖維化噴涂熱固性樹脂制成的絲狀材料，再經(jīng)過熱固 化深加工處理 。具有良好的絕緣、保溫隔熱性能的同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)阻燃，避免火災(zāi)隱患，確保機(jī)房安全。 

　　表1：阻燃保溫材料性能 

　　圖6：材料分層圖 

　　阻燃性能： 

　　   采用新型絕熱保溫材料，離心玻璃棉及外面的復(fù)合阻燃貼面的安全級(jí)別達(dá)到94V－0A：燃燒測(cè)試結(jié)果如下： 

　　表2：燃燒測(cè)試結(jié)果表 

　　5.2蓄電池酸性氣體排放 

　　過多氫氣和來不及化合成水氧氣容易在格內(nèi)形成壓力，所以要在蓄電池柜內(nèi)安裝排風(fēng)設(shè)備或排風(fēng)口，用于排解閥控式鉛酸蓄電池在充電時(shí)極板不可避免產(chǎn)生的氫氣和氧氣，定時(shí)設(shè)置，定壓設(shè)置。 

　　也避免因蓄電池老化嚴(yán)重充放電時(shí)硫化現(xiàn)象會(huì)生成過多的二氧化硫氣體。這樣可以避免因蓄電池柜內(nèi)酸性氣體含量過高引起的火災(zāi)。 

　　5.3智能控制 

　　通過安裝溫度感應(yīng)器的做法控制BTS機(jī)柜內(nèi)部溫度與溫控閥門和風(fēng)扇的關(guān)系，當(dāng)溫度超過25℃時(shí)，按照?qǐng)D表顯示，溫控閥門自動(dòng)開啟，風(fēng)扇自動(dòng)開啟，將熱氣排出機(jī)柜，通過安裝在基站主設(shè)備機(jī)柜和電池柜之間的排氣管道將熱量輸送給電池柜用于加熱蓄電池。 

　　圖7：基站自供熱原理圖 

　　表2：智能控制邏輯關(guān)系 

　　5.4排風(fēng)管道高度與排氣量計(jì)算： 

　　[h——管道高度(m)、d——直徑(m)、ΔT——進(jìn)氣口溫度與出氣口溫度差(K)、Vn——出氣口處的大氣平均風(fēng)速(m/s)、T——出氣口處排出氣體絕對(duì)溫度(k)、Vd——出口設(shè)計(jì)氣流速度(m/s)] 

　　根據(jù)自排熱系統(tǒng)風(fēng)量和管道高度的對(duì)應(yīng)關(guān)系公式，在基站進(jìn)行了管道高度的改 

　　造，根據(jù)具體使用場(chǎng)景確定管道高度，使風(fēng)量達(dá)到最大，從而達(dá)到最佳制冷效果。 

　　5.5模塊化設(shè)計(jì)機(jī)柜保溫材料模塊化設(shè)計(jì)組裝靈活 

　　    機(jī)房無源換熱改造采用了模塊化設(shè)計(jì),將保溫材料設(shè)計(jì)為多個(gè)通用組件，可根據(jù)機(jī)房現(xiàn)場(chǎng)情況進(jìn)行靈活、快速組裝。大大節(jié)約了改造安裝時(shí)間，不需要反復(fù)到機(jī)房逐個(gè)測(cè)量機(jī)柜、機(jī)房體積，只需攜帶定制組件到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)組裝。另外也減少了日常維護(hù)工作量，夏季不需要拆除保溫材料只需撕掉機(jī)柜下部包圍部分即可確保散熱防止設(shè)備高溫。 

　　圖9：保溫材料模塊化 

　　6實(shí)測(cè)效果 

　　在呼倫貝爾東能化工基站進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，在每個(gè)主設(shè)備、電池柜、機(jī)房?jī)?nèi)、機(jī)房外安裝溫度傳感器，實(shí)時(shí)檢測(cè)溫度情況。經(jīng)反復(fù)調(diào)試、測(cè)試數(shù)據(jù)搜集及分析跟蹤，節(jié)能效果顯著。 

　　由溫度監(jiān)測(cè)曲線圖可看出，在進(jìn)行改造后，機(jī)房?jī)?nèi)部環(huán)境溫度受室外環(huán)境溫度逐步降低的影響較小，蓄電池機(jī)柜加熱改造效果明顯，機(jī)房?jī)?nèi)設(shè)備倉(cāng)內(nèi)溫度最低溫度18.9度，未出現(xiàn)設(shè)備低溫告警；蓄電池柜溫度最低18度，備都能保證正常運(yùn)行，夏季未出現(xiàn)高溫告警。 

　　7 節(jié)能與效益分析 

　　7.1投入成本 

　　以單個(gè)機(jī)房為例，共6個(gè)機(jī)柜，每個(gè)機(jī)柜成本約600元，進(jìn)行保溫自供熱改造成本費(fèi)共為3600元，夏季熱交換改造費(fèi)用2000元。  

　　7.2直接經(jīng)濟(jì)效益 

　　根據(jù)冬季機(jī)房2KW加熱器測(cè)試數(shù)據(jù)，每日耗電量41.5度，按照基站加熱器每年使用6個(gè)月計(jì)算，每度電0.96元。 

　　冬季節(jié)約電費(fèi)=41.5度*30天×6個(gè)月×0.96元/度=7171.2元。 

　　該項(xiàng)目夏季可減少空調(diào)運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)二分之一，降低空調(diào)能耗50%，一臺(tái)3P空調(diào)月均耗電量2300度，按照空調(diào)全年運(yùn)行6個(gè)月計(jì)算： 

　　夏季節(jié)約電費(fèi)=2300度/月×6個(gè)月×? ×0.96元/度=6624元。 

　　根據(jù)測(cè)試站點(diǎn)數(shù)據(jù)，東能化工基站直流負(fù)載62A，該站日均耗電量為106.18度，該站全年耗電量為：38755.7度，經(jīng)過以上計(jì)算，該項(xiàng)目冬季節(jié)電7470度，夏季節(jié)電6900度，全年節(jié)電14370度，由此得出，該項(xiàng)目度節(jié)電效率達(dá)37.1%。 

　　7.3間接經(jīng)濟(jì)效益 

　　加熱器采購(gòu)費(fèi)用2000元、蓄電池500AH2組采購(gòu)費(fèi)用3.3萬元，空調(diào)采購(gòu)成本1.5萬元，蓄電池改造前都使用時(shí)間3年，改造后使用時(shí)間6年。 

　　設(shè)備采購(gòu)節(jié)約費(fèi)用=2000元+33000/6 ×3+15000/6 × 2=26000元。 

　　按照該項(xiàng)目使用可使用8年計(jì)算，該項(xiàng)目實(shí)施后單站年收益17528.5元（單站年收益=年節(jié)電費(fèi)+設(shè)備節(jié)約采購(gòu)費(fèi)/6-總改造費(fèi)/6），經(jīng)濟(jì)效益明顯。如內(nèi)蒙古東部寒冷地區(qū)均采用該種方式，經(jīng)濟(jì)效益更可觀。 

　　7.4社會(huì)效益 

　　中國(guó)移動(dòng)作為國(guó)內(nèi)三大移動(dòng)通信運(yùn)營(yíng)商之一，更要注重自己的品牌形象，在節(jié)能減排方面更要做出表率作用，該項(xiàng)目可以達(dá)成配合集團(tuán)公司綠色行動(dòng)計(jì)劃的以下目標(biāo)： 

　　降低整體能源消耗，降低故障率，降低維護(hù)成本，降低客戶投訴率；提高維護(hù)效率，提高設(shè)備使用壽命，提高客戶滿意度。 

　　該項(xiàng)目已由內(nèi)蒙古移動(dòng)公司在呼倫貝爾、興安、錫林郭勒、烏蘭察布四個(gè)東部地區(qū)進(jìn)行推廣，取得了良好的社會(huì)效益及經(jīng)濟(jì)效益。 

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