自然冷源在通信機(jī)房中的新型節(jié)能應(yīng)用

楊 攀、吳 俊、侯 寧、劉禮庚

（中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)廣西有限公司，廣西 南寧530021）

1 前 言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，能源緊張問題日益突出，通信網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的不斷擴(kuò)容，特別是通信機(jī)房單位面積設(shè)備功耗的不斷增加，造成主設(shè)備運(yùn)行能耗逐年上升，通信機(jī)房的制冷系統(tǒng)能耗持續(xù)升高，已占據(jù)通信機(jī)房用電總量的很大一部分。因此，如何節(jié)約通信機(jī)房能耗已成為通信發(fā)展與提高通信業(yè)務(wù)負(fù)載能力的一大重要課題。

新型的智能換熱系統(tǒng)利用室外自然冷空氣，通過智能控制器將外部冷空氣經(jīng)過凈化處理直接引入設(shè)備，在設(shè)備內(nèi)部通過隔離的顯熱交換芯體與機(jī)房?jī)?nèi)部熱空氣進(jìn)行交換，排出機(jī)房?jī)?nèi)部熱量的空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)。該系統(tǒng)在本身不帶任何制冷元件的條件下實(shí)現(xiàn)室內(nèi)風(fēng)冷降溫，從而在確保機(jī)房設(shè)備正常運(yùn)行的前提下，盡可能減少空調(diào)的運(yùn)行時(shí)間，達(dá)到節(jié)約電能的目的。

2 自然冷源節(jié)能原理

圖1為智能換熱系統(tǒng)原理圖。智能換熱系統(tǒng)通過引入低溫的室外空氣，排出高溫的室內(nèi)空氣，減少機(jī)房空調(diào)運(yùn)行時(shí)間，從而達(dá)到節(jié)能的目的。本工程采用機(jī)房智能換熱系統(tǒng)，通過智能控制器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)室內(nèi)室外溫度濕度。當(dāng)室外溫度低于某個(gè)設(shè)定值，控制器開啟熱交換，關(guān)閉機(jī)房空調(diào)達(dá)到節(jié)能效果。在確保機(jī)房環(huán)境的前提下，依據(jù)室內(nèi)外溫濕度，控制風(fēng)機(jī)、空調(diào)的切換運(yùn)行。

在智能熱交換器內(nèi)除風(fēng)機(jī)外還設(shè)置有空氣－空氣熱交換芯體，機(jī)房?jī)?nèi)空氣經(jīng)過熱交換后仍送入房?jī)?nèi)，而機(jī)房外空氣經(jīng)過熱交換芯體后再排出機(jī)房外，在熱交換芯體內(nèi)機(jī)房?jī)?nèi)外的空氣進(jìn)行熱量的交換，低溫室外空氣吸收室內(nèi)空氣的熱量變成中高溫空氣仍排出室外，也即機(jī)房?jī)?nèi)的熱量隨機(jī)房外的空氣排出房外，而高溫室內(nèi)空氣在熱交換芯體內(nèi)將熱量交換給室外空氣后變成中低溫空氣再送回室內(nèi)。由于在熱交換芯體內(nèi)這兩股空氣是被金屬傳熱壁隔離，機(jī)房外空氣不會(huì)進(jìn)入機(jī)房?jī)?nèi)，除溫濕度外不會(huì)對(duì)室內(nèi)空氣帶來其它影響。

圖1 智能換熱系統(tǒng)原理圖

3 自然冷源應(yīng)用環(huán)境及智能換熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 應(yīng)用環(huán)境

實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)為廣西桂林某三層通信機(jī)房，機(jī)房總面積約為540 m2，機(jī)房層高4.6 m，地板高度400 mm，梁下凈高3.7 m（氣消管底離機(jī)房地面）。機(jī)房的通信設(shè)備采用面對(duì)面方向布置的方式，目前該機(jī)房通信設(shè)備區(qū)域配套6臺(tái)恒溫恒濕機(jī)房專用空調(diào)，單臺(tái)總冷量為70 kW，顯冷量65 kW，風(fēng)量17 000 m3／h，均采用地板下送風(fēng)方式。電力電池室區(qū)域配套1臺(tái)恒溫恒濕機(jī)房專用空調(diào)，單臺(tái)總冷量為60 kW，顯冷量55 kW，風(fēng)量14 700 m3／h，采用風(fēng)管上送風(fēng)方式。

3.2 設(shè)計(jì)參數(shù)

設(shè)計(jì)參數(shù)見表1、表2。

表1 設(shè)計(jì)參數(shù)

表2 室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)

3.3 新風(fēng)量的計(jì)算方法

根據(jù)機(jī)房設(shè)備運(yùn)行的要求，機(jī)房?jī)?nèi)所要求的環(huán)境參數(shù)設(shè)為：溫度Tn＝24℃，相對(duì)濕度φn＝40%，查空氣焓濕圖得焓In＝43.1kJ／kg，含濕量dn＝7.4g／（kg干空氣）。

適合智能換熱機(jī)組運(yùn)行的室外環(huán)境參數(shù)設(shè)定為：溫度Tw＝16℃，相對(duì)濕度φw＝50%，查空氣焓濕圖得焓Iw＝30.4kJ／kg，含濕量dw＝5.6g／（kg干空氣）。焓差△I＝In－Iw＝43.1－30.4＝12.7kJ／kg，含濕量差△d＝dn－dw＝（7.4－5.6）g／（kg干空氣）＝1.8g／（kg干空氣）。

新風(fēng)量計(jì)算公式如下：

式中，Q為通信設(shè)備產(chǎn)生的熱量；ρ為空氣密度，ρ＝1.2kg／m3

三層機(jī)房遠(yuǎn)期規(guī)劃設(shè)備的功耗分布情況：直流設(shè)備功耗為：80kW，交流設(shè)備功耗為：50kW；按設(shè)備功耗全部轉(zhuǎn)化為熱量計(jì)算，設(shè)備冷負(fù)荷為：q1＝（80＋50）kW＝130kW；新風(fēng)量（H）＝Q×3 600／（△I×ρ）＝130×3 600／12.7×1.2m3／h＝30 708m3／h。

綜合考慮設(shè)備所需新風(fēng)量和機(jī)房?jī)?nèi)外的可安裝位置等因素，并參考智能換熱機(jī)組的產(chǎn)品規(guī)格，本設(shè)計(jì)建議放置3套智能換熱系統(tǒng)，采用地板下送風(fēng)系統(tǒng)，單套風(fēng)量為10 000m3／h。智能換熱系統(tǒng)開啟后聯(lián)動(dòng)關(guān)閉部分機(jī)房恒溫恒濕空調(diào)，從而降低機(jī)房耗電量。

3.4 智能換熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)機(jī)房平面布置，擬安裝3套智能換熱系統(tǒng)，通信設(shè)備區(qū)配套3臺(tái)下送風(fēng)機(jī)組。智能換熱系統(tǒng)均于機(jī)房室內(nèi)布置，機(jī)房?jī)?nèi)空氣經(jīng)過熱交換后仍送入房?jī)?nèi)，機(jī)房外空氣經(jīng)過熱交換芯后再排出機(jī)房外，在熱交換芯內(nèi)機(jī)房?jī)?nèi)外的空氣進(jìn)行熱量交換，低溫室外空氣吸收室內(nèi)空氣的熱量變成中高溫空氣后排出室外。室外側(cè)新風(fēng)為下部進(jìn)風(fēng)，上部排風(fēng)，保證進(jìn)風(fēng)溫度；通信設(shè)備室內(nèi)側(cè)為地板下送風(fēng)，機(jī)組上部回風(fēng)。

控制系統(tǒng)由四大部分組成：溫濕度控制回路：能對(duì)室內(nèi)外溫度、濕度控制?？照{(diào)控制回路：與通信機(jī)房精密空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)動(dòng)，控制精密空調(diào)的啟停。消防聯(lián)動(dòng)控制：新風(fēng)管和排風(fēng)管穿越機(jī)房處設(shè)置70℃全自動(dòng)防火閥，火災(zāi)報(bào)警時(shí)應(yīng)瞬間關(guān)閉，智能換熱機(jī)組能與消防聯(lián)動(dòng)，70℃全自動(dòng)防火閥關(guān)閉后，聯(lián)動(dòng)機(jī)組風(fēng)機(jī)停止運(yùn)行。新增的智能換熱系統(tǒng)根據(jù)溫濕度控制啟停，并聯(lián)動(dòng)啟閉相應(yīng)的機(jī)房空調(diào)機(jī)組，把經(jīng)冷卻后的冷風(fēng)送到通信機(jī)房?jī)?nèi)，以消除設(shè)備產(chǎn)生的散熱量。由于智能換熱系統(tǒng)機(jī)組耗電量遠(yuǎn)低于相同顯冷量的機(jī)房專用空調(diào)設(shè)備，故在低溫季節(jié)里智能換熱機(jī)組設(shè)備運(yùn)行時(shí)，機(jī)房空調(diào)的總耗電量將會(huì)明顯減少，通過減少機(jī)房專用空調(diào)開啟臺(tái)數(shù)，降低能耗與運(yùn)行成本，從而產(chǎn)生良好的經(jīng)濟(jì)與社會(huì)效益。

其他設(shè)計(jì)參數(shù)：新增的3臺(tái)智能換熱機(jī)組需同步接入機(jī)房動(dòng)力環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)。智能換熱機(jī)組進(jìn)排風(fēng)管管材采用A級(jí)不燃復(fù)合風(fēng)管。在額定工作狀況下，智能換熱系統(tǒng)的噪聲應(yīng)滿足聲環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（GB3096－2008）第5.1節(jié)中2類聲環(huán)境功能區(qū)的噪聲限值，具體為：室外距進(jìn)出風(fēng)口一米處的噪聲值應(yīng)滿足：晝間小于60dB（A）；夜間小于50dB（A）。為滿足后期節(jié)能減排評(píng)估的需求，需在機(jī)房?jī)?nèi)新增4個(gè)電量采集點(diǎn)（采集電流和電壓）和6個(gè)溫濕度采集點(diǎn)，其中4個(gè)電量采集點(diǎn)分別對(duì)應(yīng)三臺(tái)機(jī)房專用空調(diào)和單獨(dú)給智能換熱機(jī)組供電的交流配電箱。

3.5 空調(diào)配電建設(shè)方案

根據(jù)機(jī)房現(xiàn)場(chǎng)查勘情況新增一只交流配電箱單獨(dú)給智能換熱機(jī)組供電，電源從機(jī)房已有交流配電柜內(nèi)160A空開引出，電纜沿機(jī)房已有交流走線架敷設(shè)，局部需增加200mm寬或100mm寬的電纜走線架。

4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析

4.1 需運(yùn)行智能換熱系統(tǒng)節(jié)能的時(shí)間分析

以下為廣西全年溫度分布統(tǒng)計(jì)：以室內(nèi)溫度24℃考慮，室內(nèi)外設(shè)定的溫差為7℃（即溫度在17℃以下）有50天，溫差12℃（即溫度在12℃以下）有130天，溫差17℃（即溫度在7℃以下）有50天，總計(jì)230天，這意味全年有7個(gè)月可運(yùn)用該設(shè)備，這個(gè)需要結(jié)合桂林的天氣參數(shù)說明為基本依據(jù)，因?yàn)檫@是節(jié)能參數(shù)的基礎(chǔ)，天數(shù)越多節(jié)能率越大。

4.2 效益分析

已知：智能換熱系統(tǒng)的耗電量N1＝4.4 kW，當(dāng)3套新風(fēng)節(jié)能機(jī)組運(yùn)行時(shí)，以室內(nèi)溫度24℃考慮。

（1）當(dāng)室內(nèi)外溫差設(shè)定為7℃時(shí)，智能換熱系統(tǒng)運(yùn)行的天數(shù)可按50天計(jì)算，此狀態(tài)下單臺(tái)智能換熱系統(tǒng)的顯冷量為Q顯熱＝ηCMΔt＝0.7×1.010 kJ／kg·K×1.2／kg／m3×10 000 m3／h÷3 600×7K＝16.5 kW，3套智能換熱系統(tǒng)全部運(yùn)行，可以關(guān)掉一臺(tái)總冷量為70 kW，顯冷量65 kW，風(fēng)量17 000 m3／h的恒溫恒濕專用空調(diào)的一個(gè)系統(tǒng)，耗電量N2＝30 kW／2＝15 kW，則在這50天（按全天運(yùn)行考慮）內(nèi)，節(jié)電量用如下公式計(jì)算得出：

式中，μ為本計(jì)算天數(shù)中機(jī)房專用空調(diào)使用時(shí)間折扣系數(shù)，取0.9。

（2）當(dāng)室內(nèi)外溫差設(shè)定為12℃時(shí)，智能換熱系統(tǒng)運(yùn)行的天數(shù)可按130天計(jì)算，此狀態(tài)下單臺(tái)智能換熱系統(tǒng)的顯冷量為Q顯熱＝ηCMΔt＝0.7×1.009 kJ／kg·K×1.24／kg／m3×10 000 m3／h÷3 600×12K＝29.2 kW，3套智能換熱系統(tǒng)全部運(yùn)行，可以關(guān)掉一臺(tái)總冷量為70 kW，顯冷量65 kW，風(fēng)量17 000 m3／h的恒溫恒濕專用空調(diào)，耗電量N2＝30 kW，則在這130天（按全天運(yùn)行考慮）內(nèi)，節(jié)電量為：

式中：μ為本計(jì)算天數(shù)中機(jī)房專用空調(diào)使用時(shí)間折扣系數(shù)，取0.85。

（3）當(dāng)室內(nèi)外溫差設(shè)定為17℃時(shí)，智能換熱系統(tǒng)運(yùn)行的天數(shù)可按50天計(jì)算，此狀態(tài)下單臺(tái)智能換熱系統(tǒng)的顯冷量為Q顯熱＝ηCMΔt＝0.7×1.009kJ／kg·K×1.265／kg／m3×10 000 m3／h÷3 600×17 K＝42.2 kW，3套智能換熱系統(tǒng)全部運(yùn)行，可以關(guān)掉二臺(tái)總冷量為70 kW，顯冷量65 kW，風(fēng)量17 000 m3／h的恒溫恒濕專用空調(diào)，耗電量N2＝30 kW×2＝60 kW，則在這50天（按全天運(yùn)行考慮）內(nèi)，節(jié)電量為：

節(jié)電量＝t（N2－N1）μ＝50×24×（60－4.4×3）×0.8 kWh＝44 928 kWh式中，μ為本計(jì)算天數(shù)中機(jī)房專用空調(diào)使用時(shí)間折扣系數(shù)，取0.8。

電費(fèi)按0.92元／（kWh）計(jì)，由以上計(jì)算數(shù)據(jù)可得：（1）全年節(jié)電量＝1 944 kWh＋44 554 kWh＋44 928 kWh＝91 426 kWh；（2）投資回收期＝智能換熱系統(tǒng)總投資÷ 全年節(jié)電費(fèi)。

表3 智能換熱系統(tǒng)全年總效益評(píng)估數(shù)據(jù)

通過以上計(jì)算結(jié)果可以看出，本機(jī)房通過智能換熱系統(tǒng)改造后，可取得一定的經(jīng)濟(jì)效益，4.7年即可回收投資。根據(jù)綜合能耗計(jì)算通則（GB／T2589－2008），每節(jié)約1度電（千瓦時(shí)）相應(yīng)節(jié)約0.1229千克標(biāo)準(zhǔn)煤。每節(jié)約1千克標(biāo)準(zhǔn)煤，將減少2.62千克二氧化碳（CO2）排放量。采用智能換熱機(jī)組后將減少二氧化碳的排放量，對(duì)社會(huì)資源和環(huán)境保護(hù)做出貢獻(xiàn)，表4為減少二氧化碳的排放量統(tǒng)計(jì)表。

表4 減少二氧化碳的排放量統(tǒng)計(jì)表

以上數(shù)據(jù)均為理論推算而來，可能與機(jī)房實(shí)際運(yùn)行情況有所差異。因此本設(shè)計(jì)的效益評(píng)估中的所有指標(biāo)僅做參考使用，所有指標(biāo)以實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)為準(zhǔn)。

5 結(jié) 論

從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表格可以看出，智能換熱系統(tǒng)在通信機(jī)房的新型節(jié)能應(yīng)用，大幅度降低了通信機(jī)房的用電量，節(jié)省了電費(fèi)支出，達(dá)到了節(jié)能減排的目的。

［1］邱 凌.自然冷源空調(diào)冷藏技術(shù)現(xiàn)狀與前景［J］.暖通空調(diào)，1993，（2）：30－33.

［2］梁月影.自然通風(fēng)與自然冷源在山體人防工程中的應(yīng)用［J］.廣西工學(xué)院報(bào)，2000，11（4）：77－79.

［3］趙曉峰.自然冷源制冷在通信機(jī)房的應(yīng)用 ［J］.電信技術(shù)，2008，08：23－25.