机房无源换热技术研究 

　　焦海琦     

　　呼伦贝尔移动通信分公司网络部 021000 

　　摘  要：研究在无源情况下，冬季利用机房内发热设备自供热对蓄电池等低温耐受性较差的设备进行加热保温；夏季使用气压差进行排风原理，利用内外温度差形成了温度的不同进行冷热交换，促使空气大量流通用于冷热空气交换和流动，最大限度利用不需要能源驱动的自有冷源降低机房设备的高温，能够显著降低整体机房的能源消耗，节约维护成本，提高效率，延长低温耐受性差的设备的寿命，提高用户满意度，社会、经济效益极高。 

　　关键词：节能  无源   自供热  气压差   

　　1 研究背景 

　　呼伦贝尔市是中国最为寒冷的地区，大陆性气候显著。气温温差极大，冬季最冷月平均气温在-18--30℃之间，极端低温-50.7℃，夏季极端高温44.1℃，最大温差达到94.8℃。冬季严寒取暖期长达7个月，使得大部分机房冬季低温、夏季高温现象严重，存在基站退服，缩短设备寿命等问题。 

　　我区东部地区大部分基站主要是爱立信设备，该设备使用温度范围为5—35℃，超出温度范围后基站即告警并退服。 

　　机房温度极低，导致蓄电池多次冻坏。冬季：现网使用的基站加热器功率为2KW，由于为机房整体空间环境加热，效率很低，极寒地区部分基站机房需要使用两台加热器才能达到温度要求，极大增加了耗电量本。 

　　夏季，基站所属的机房的温度，由于环境温度高，主要使用基站空调来保持通信基站机房的环境温度，主要依靠基站空调来维持。主要使用的基站空调为3P和5P两种功率，根据测算数据显示，空调的平均耗电在2500度/月，这种完全依靠空调制冷的方式效率低，且能耗高。 

　　为了快速而有效的降低能源消耗，减少能源使用成本，响应国家的节能减排号召，国内通信行业全面开展“绿色行动”工作，针对机房整体节能的研究和探索也在不断推进，本文旨在通过机房现场试验改造来研究机房无源换热技术，用于共同学习与研究。  

　　2 无源换热改造节能目标 

　　通过统计近三年呼伦贝尔地区机房内设备能耗分布情况可以看出无线、传输设备这两类设备其耗电量占比为49%，其由话务量及设备板件功耗决定，很难通过优化改造等方法降低。 

　　加热器、空调能耗占比高达44%，加热器、空调能耗收机房内环境温度影响极大，如何通过机房环境改造促使设备在工作温度内进行，如果能通过改造机房环境使得设备能够在工作温度内运行，就能减少加热器、空调运行时间，达到节能减排目的。工作环境温度对基站的各种设备影响巨大，长期运行在不适合的温度环境下，故障率和使用寿命都受到很大的影响，故障率将大大提高。蓄电池是环境要求非常苛刻的设备。例如：其标准温度为25℃，建议温度范围为15℃～30℃。呼伦贝尔地区冬季机房温度过低，常常导致蓄电池冻裂，即使未损坏的蓄电池也会产生放电效率下降的后果，导致蓄电池的使用寿命减少到3年。 

　　蓄电池容量与环境温度的对比关系：环境温度25℃，蓄电池放出容量100%；环境温度0℃，蓄电池放出容量90%；环境温度-10℃ ，蓄电池放出容量70%；环境温度-20 ℃ ，蓄电池放出容量50%。 

　　3 机房环境改造各方案评估 

　　3.1机房墙体保温： 

　　此方案通过对基站机房墙体进行保温改造，保证冬季机房保暖减少墙体散热，夏季增加墙体隔热能力。 

　　优点：墙体改造方式简单，易于推广。 

　　缺点： 1、成本高，施工时需搭设脚手架， 经济性较差； 2、节能效果有限如设备发热量不大冬季还是需要加热器，如设备发热量大夏季仍需要空调散热 3、 外墙施工， 动静较大不适用于敏感站点。 

　　3.2加强空调、加热器运维管理： 

　　机房节能减排的主要支撑需要分维度多层次，利用动环监控系统远程关断空调、动环监控系统检测机房环境温度、根据机房类型气候情况由维护人员经验进行预测，人工上站关闭或调整基站加热器实现节能目标。 

　　优点：最大限度利用现有资源，无需投入资金进行改造。充分调动现有人员，结合现有流程，更符合代维人员的维护习惯，具备一定的可推广性。 

　　缺点：属于对现状的改良，在较大程度上依赖人员经验，造成维护人员疲于奔命按次维护费用增多，节能效果有限。 

　　3.3无源换热改造 

　　冬季机房保温：在寒冷季节通过对机房内对低温耐受性较差的设备包裹，为发热设备保温的同时，将发热设备富余热量为蓄电池加热。 

　　夏季机房降温：利用气压差排风原理，充分利用机房室内外温差所形成的冷热交换，机房设备的温度需要最大限度地利用冷源（冷空气）降低。 

　　优点：不需要外部加热器、空调设备，大大降低机房能耗，节能效果好！ 

　　缺点：属于创新课题需要多次试验改造研究。 

　　4 机房无源换热技术原理 

　　冬季机房保温：在寒冷季节，通过对机房内对低温耐受性较差的设备使用绝热、绝缘、阻燃的新型材料进行包裹，可以在不开启基站加热设备的情况下，保证机房内基本温度促使机房内各设备良好稳定运行。利用基站主设备等主要发热设备自散热对其它机柜特别是蓄电池进行加热保温，充分利用有限的热源。 

　　机房各机柜内安装温感器、温控阀门及风扇，当温度超过25℃时，温控阀门自动开启，风扇运转将热气排出机柜，主设备富余热量将通过基站主设备机柜和电池柜之间安装的通风设备向电池柜传递，为蓄电池加热。 

　　夏季机房降温： 

　　在高温季节，机房环境温度过高导致高温易故障，充分利用冷热压差（由内外温差形成），促使大量冷热空气转换和流通。夏季只需打开机房出气阀门，关闭导流阀门，将机房主要发热源“基站主设备” 热量，通过管道直接输送至机房外部，同时利用大气压差将冷源池内的低温气体吸入机房内部，为设备降温。图4为示意图。   

　　5技术关键及解决措施 

　　5.1提出改造方案并针对各关键点进行细化分析，找出最优解决方案。 

　　（1）、保温材料选择：该方案使用新型绝缘绝热保温材料，该材料由特殊工艺离心玻璃棉外面复合阻燃贴面和一层高强度防潮贴面构成。离心玻璃棉是将处于熔融状态的玻璃用离心喷吹法工艺进行纤维化喷涂热固性树脂制成的丝状材料，再经过热固 化深加工处理 。具有良好的绝缘、保温隔热性能的同时能够实现阻燃，避免火灾隐患，确保机房安全。 

　　表1：阻燃保温材料性能 

　　图6：材料分层图 

　　阻燃性能： 

　　   采用新型绝热保温材料，离心玻璃棉及外面的复合阻燃贴面的安全级别达到94V－0A：燃烧测试结果如下： 

　　表2：燃烧测试结果表 

　　5.2蓄电池酸性气体排放 

　　过多氢气和来不及化合成水氧气容易在格内形成压力，所以要在蓄电池柜内安装排风设备或排风口，用于排解阀控式铅酸蓄电池在充电时极板不可避免产生的氢气和氧气，定时设置，定压设置。 

　　也避免因蓄电池老化严重充放电时硫化现象会生成过多的二氧化硫气体。这样可以避免因蓄电池柜内酸性气体含量过高引起的火灾。 

　　5.3智能控制 

　　通过安装温度感应器的做法控制BTS机柜内部温度与温控阀门和风扇的关系，当温度超过25℃时，按照图表显示，温控阀门自动开启，风扇自动开启，将热气排出机柜，通过安装在基站主设备机柜和电池柜之间的排气管道将热量输送给电池柜用于加热蓄电池。 

　　图7：基站自供热原理图 

　　表2：智能控制逻辑关系 

　　5.4排风管道高度与排气量计算： 

　　[h——管道高度(m)、d——直径(m)、ΔT——进气口温度与出气口温度差(K)、Vn——出气口处的大气平均风速(m/s)、T——出气口处排出气体绝对温度(k)、Vd——出口设计气流速度(m/s)] 

　　根据自排热系统风量和管道高度的对应关系公式，在基站进行了管道高度的改 

　　造，根据具体使用场景确定管道高度，使风量达到最大，从而达到最佳制冷效果。 

　　5.5模块化设计机柜保温材料模块化设计组装灵活 

　　    机房无源换热改造采用了模块化设计,将保温材料设计为多个通用组件，可根据机房现场情况进行灵活、快速组装。大大节约了改造安装时间，不需要反复到机房逐个测量机柜、机房体积，只需携带定制组件到达现场组装。另外也减少了日常维护工作量，夏季不需要拆除保温材料只需撕掉机柜下部包围部分即可确保散热防止设备高温。 

　　图9：保温材料模块化 

　　6实测效果 

　　在呼伦贝尔东能化工基站进行现场测试，在每个主设备、电池柜、机房内、机房外安装温度传感器，实时检测温度情况。经反复调试、测试数据搜集及分析跟踪，节能效果显著。 

　　由温度监测曲线图可看出，在进行改造后，机房内部环境温度受室外环境温度逐步降低的影响较小，蓄电池机柜加热改造效果明显，机房内设备仓内温度最低温度18.9度，未出现设备低温告警；蓄电池柜温度最低18度，备都能保证正常运行，夏季未出现高温告警。 

　　7 节能与效益分析 

　　7.1投入成本 

　　以单个机房为例，共6个机柜，每个机柜成本约600元，进行保温自供热改造成本费共为3600元，夏季热交换改造费用2000元。  

　　7.2直接经济效益 

　　根据冬季机房2KW加热器测试数据，每日耗电量41.5度，按照基站加热器每年使用6个月计算，每度电0.96元。 

　　冬季节约电费=41.5度*30天×6个月×0.96元/度=7171.2元。 

　　该项目夏季可减少空调运行时长二分之一，降低空调能耗50%，一台3P空调月均耗电量2300度，按照空调全年运行6个月计算： 

　　夏季节约电费=2300度/月×6个月×½ ×0.96元/度=6624元。 

　　根据测试站点数据，东能化工基站直流负载62A，该站日均耗电量为106.18度，该站全年耗电量为：38755.7度，经过以上计算，该项目冬季节电7470度，夏季节电6900度，全年节电14370度，由此得出，该项目度节电效率达37.1%。 

　　7.3间接经济效益 

　　加热器采购费用2000元、蓄电池500AH2组采购费用3.3万元，空调采购成本1.5万元，蓄电池改造前都使用时间3年，改造后使用时间6年。 

　　设备采购节约费用=2000元+33000/6 ×3+15000/6 × 2=26000元。 

　　按照该项目使用可使用8年计算，该项目实施后单站年收益17528.5元（单站年收益=年节电费+设备节约采购费/6-总改造费/6），经济效益明显。如内蒙古东部寒冷地区均采用该种方式，经济效益更可观。 

　　7.4社会效益 

　　中国移动作为国内三大移动通信运营商之一，更要注重自己的品牌形象，在节能减排方面更要做出表率作用，该项目可以达成配合集团公司绿色行动计划的以下目标： 

　　降低整体能源消耗，降低故障率，降低维护成本，降低客户投诉率；提高维护效率，提高设备使用寿命，提高客户满意度。 

　　该项目已由内蒙古移动公司在呼伦贝尔、兴安、锡林郭勒、乌兰察布四个东部地区进行推广，取得了良好的社会效益及经济效益。 

　　参考文献： 

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　　[2] 郭瑞晓, 刘国胜, 袁祎.通信机房空调节能探讨[J].节能技术, 2008, 37 (4) :166-168 

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　　[4] 李伦,.基于时间和温湿度控制的自动通风系统[J]. 广播电视信息. 2015(10) 

　　[5] 陈士凌,卢军,李永财.太阳能相变蓄能通风系统实验研究[J]. 土木建筑与环境工程. 2011(02)