通信基站通風節(jié)能分析

錢瑾

（靖江市產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗所 江蘇 靖江 214500）

目前暖通空調(diào)與通風工程領(lǐng)域內(nèi)的一些湍流現(xiàn)象主要依靠湍流半經(jīng)驗理論來解決。對復雜的湍流現(xiàn)象用計算機直接模擬計算，從計算時間、計算機內(nèi)存容量上講近于不可能。計算流體動力學（computation fluid dynamics，CFD），是通過計算機數(shù)值計算和圖像顯示，對包含有流體流動和熱傳導等相關(guān)物理現(xiàn)象的分析。湍流的數(shù)值計算方法大致分為直接數(shù)值模擬 （DNS，Direct Numerical Simulation）[1-2]， 大渦模擬（LES，Large Eddy Simulation）[3-4]和 Reynolds平均法（RANS）3 類。 這樣的分析方法在工程上能夠更好地預測局部流體性能參數(shù)，使得暖通空調(diào)與通風工程系統(tǒng)設計通過少量的試驗或者不通過試驗，就能夠獲得優(yōu)化的設計結(jié)果。因此，采用數(shù)值技術(shù)對通信基站的能量與溫度分布模擬，尋求降低基站冷卻能耗的方法，改進基站通風設計，是一個較好的嘗試[5]。

1 物理模型的建立

下面以合肥地區(qū)某通信基站設備布置與通風設計作為研究對象?；痉块g的尺寸 4.5×4.5×2.9 m3（長×寬×高）?；痉块g朝南，在機房背面（北墻）下方集中布置了4個進氣口，開孔高度500 mm，直徑 200 mm，進風速度 3 m/s，進氣溫度27℃。在機房正面（南墻）上方集中布置了4個直徑同樣為200 mm的排氣口，開孔高度2 300 mm，排氣溫度30℃。房間內(nèi)部布置有蓄電池柜、電源柜、基站主設備、光配、以及配電柜等主要設備，為了簡化模型，其它一些輔助設備，建模時沒有考慮，靠墻擺放的主要設備也簡化為直接與墻面接觸。基站房體的物理模型如圖1所示[6]。

圖1 房間的設備布置Fig.1 Equipments distribution in the communication base station

模擬選用的節(jié)能通風系統(tǒng)類型為直排式節(jié)能系統(tǒng)，基站內(nèi)各設備尺寸及功率詳如表1所示。

表1 房間物理模型參數(shù)表Tab.1 Parameters of the equipment in the communication base station

2 通信基站工作條件模擬

數(shù)值模擬中的邊界條件指的是在數(shù)值計算求解區(qū)域的邊界上所求解的變量如速度、溫度等或其一階導數(shù)隨地點及時間的變化規(guī)律。

通信基站機房一般置于室外，因此計算中需考慮太陽輻射的影響，本論文研究夏季機房采取機械通風的可行性，故根據(jù)合肥夏季的氣候的特點，選取太陽輻射的強度為1 000 W/m2。機房一般無人值守，因此在一般情況下無需考慮人體和照明光的散熱。本模型的主要邊界類型及條件如下：

1）將基站外墻、屋頂設為熱通量邊界，室內(nèi)地面則設為溫度邊界，溫度根據(jù)逐時計算結(jié)果可能出現(xiàn)的最大值時刻選取?；緹o外窗，故無需考慮太陽透射。

2）站內(nèi)主要設備設為熱通量邊界，數(shù)值上取其總發(fā)熱量與散熱表面積之比。

3）進、出風口分別設定為風速進口邊界和風速出口邊界。

4）風扇進口溫度為 27～40℃，速度為3 m/s（主要考慮夏天時也采取機械通風）。根據(jù)氣象臺發(fā)布的安徽合肥近年的氣候溫度可知，合肥夏季7月的平均溫度的大致范圍為25～29℃，考慮到可能出現(xiàn)的極限情況，故取最大值40℃，即風扇的進口溫度。由于基站房間正常工作溫度為10～35℃，在不采用空調(diào)進行機械通風的條件下，將夏季的基站房間設計溫度設為30℃。

根據(jù)室外空氣溫度及太陽輻射強度[7]，將測點取在太陽輻射較強時候的正午13時。該時刻各墻面的熱通量（熱流密度）值如表2所示。

室內(nèi)電子設備散熱量計算公式[7]：

表2 正午13時各墻面的熱流密度值（W/m2）Tab.2 Heat-flux of the station walls on thirteen o’clock（W/m2）

式中，N為電子設備的安裝功率，kW；η為電子設備的效率；n1為利用系數(shù)，系電子設備最大實耗功率與安裝功率之比，一般可取0.7～0.9，可以反映安裝功率的利用情況；n2為負荷系數(shù)，指電子設備每小時平均實耗功率與最大設計實耗功率之比，根據(jù)使用情況而定，一般儀表取0.5～0.9；n3為同時使用系數(shù)，只室內(nèi)電子設備同時使用的安裝功率與總安裝功率之比，根據(jù)工藝過程的設備使用情況而定，一般取0.5～0.8；根據(jù)經(jīng)驗取值，可取發(fā)射機的η為85%，其余設備的η為76%，n1為0.8，n2和 n3均為 0.7。根據(jù)公式（1）及表 1可算出各設備的散熱量及熱通量，如表3所示。

表3 各設備的散熱面積及熱通量邊界值Tab.3 Equipment cooling area and heat flux boundary value

3 通信基站模型的邊界條件

外墻和屋頂瞬變傳熱形成的逐時負荷公式：

式中，K 為外墻和屋頂?shù)膫鳠嵯禂?shù)，W/（m2·℃）；F 為外墻和屋頂?shù)挠嬎忝娣e，m2；tl，n為外墻和屋頂?shù)睦湄摵蓽囟鹊闹饡r值，℃；tn為室內(nèi)設計溫度，℃；根據(jù)《空氣調(diào)節(jié)》附錄 2－4的屋頂及墻面結(jié)構(gòu)可查得，基站房間屋頂和墻面的K值及面積。

根據(jù)《空氣調(diào)節(jié)》附錄2－4表4墻面計算溫度逐時值，表5的地點修正值可知合肥地區(qū)的地點修正值td。各個方向的地點修正值、一天之內(nèi)不同時刻各墻面的溫度及冷負荷分別如表4、表5、表6和表7所示。

表4 墻面地點修正值td（合肥地區(qū)）Tab.4 Temperature correction value in the Latitude

表5 夏季合肥地區(qū)墻面的逐時溫度值/℃Tab.5 Hourly temperature values on each wall in the summer（Hefei China）

表7 太陽輻射能量/WTab.7 Hourly solar thermal-loads on each wall in the summer（Hefei China）

4 模擬結(jié)果及其分析

為了簡化模型，采用空調(diào)的通信基站在建模時將空調(diào)的模型附在風機進口上。邊界條件設定時只修改風機進口溫度為24℃以及出口溫度為30℃，其余邊界條件均不變。

由模擬計算結(jié)果可列出正午13時采用空調(diào)時通信基站各壁面的溫度值，并與采用機械通風時基站的模擬值做比較，結(jié)果列于表8中；圖2、圖3分別為Y=0以及Y=3 400 mm時截面溫度分布圖。

表8 通信基站各壁面溫度比照表Tab.8 Communication base station each wall temperature table

由上述溫度分布圖表可知，房間內(nèi)部平均溫度為24～25℃，符合基站工作溫度。各墻面的平均溫度均在25℃以下，最高溫度值出現(xiàn)在擺放電池的墻角，約為32℃。這是由于電池架擺放的位置與墻面貼近，熱量不易及時被帶走。除BTS主設備外，站內(nèi)設備的壁面溫度接近20℃。BTS主設備表面平均溫度為30℃，最高溫度為52℃，可以正常工作。

圖2 Y=0時通信基站截面溫度分布圖Fig.2 Section temperature contour at Y=0

圖3 Y=3 400 mm時通信基站截面溫度分布圖Fig.3 Section temperature contour at Y=3 400 mm

根據(jù)進出風口的速度場可知，流線能很好的穿過房間，但不易到達角落，進風處有回流現(xiàn)象，表明風口的開孔位置不夠合理，需要進一步改進。

圖中的溫度場顯示，該基站模型空間的溫度分布最大值為57℃，位于基站主要設備的表面，這個最大溫度值，是在大氣環(huán)境溫度為40℃時候，通過數(shù)值方法模擬出來，其結(jié)果滿足設備運行與使用要求，和設備實際運行情況吻合。

5 結(jié) 論

在僅采取機械通風通信基站的方案中，根據(jù)各壁面溫度值可知，BTS主設備的表面溫度低于60℃，設備就能長期穩(wěn)定工作。雖然此方式從節(jié)能角度來看具有很大的優(yōu)勢，但比較接近極限溫度，在合肥地區(qū)炎熱的夏季還應該采取適當?shù)难a充措施。在計算過程中發(fā)現(xiàn)，針對基站房間內(nèi)可能出現(xiàn)的最高熱負荷，可以采用強化機械通風、單獨對溫升高的基站設備實行強制通風降溫、安裝小型空調(diào)冷卻、基站室內(nèi)地面盡可能不采用架空基礎等等方法，均能夠改善基站設備在夏季極限氣溫條件下的工作條件?；灸Ｐ偷哪M過程及結(jié)果證實了采用數(shù)值模擬來對有內(nèi)熱源、內(nèi)部有障礙物、考慮輻射的通風房間進行數(shù)值模擬是可行的，這樣的計算與模擬方法對空調(diào)流場具有足夠的使用精度。這對帶有通風節(jié)能系統(tǒng)房間的設計和改進提供了可靠依據(jù)，有較普遍的指導意義。

[1]張鏡清.大空間空調(diào)數(shù)值模擬邊界條件研究 [D].西安：西安建筑科技大學，2006.

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[5]任新.空調(diào)房間流場和溫度場的數(shù)值模擬 [D].哈爾濱：哈爾濱工程大學，2004.

[6]王福軍.計算流體動力學分析[M].北京：清華大學出版社，2004.

[7]薛殿華.空氣調(diào)節(jié)[M].北京：清華大學出版社，2004.