通信基站空調(diào)節(jié)能系統(tǒng)設(shè)計

王俏蕊，李 虎，姚永超，段曉鋒，鄭 斌

（1.中國電信股份有限公司河南分公司，河南 鄭州 450000；2.中國電信股份有限公司鄭州分公司，河南 鄭州 450000；3.中國通信建設(shè)集團有限公司河南省通信服務(wù)分公司，河南 鄭州 450000）

隨著5G 網(wǎng)絡(luò)的全面普及與覆蓋，基站或小型機房的數(shù)量也隨之增加，它們的能耗較高的弊端也愈發(fā)明顯。而空調(diào)作為基站或小型機房中重要的基礎(chǔ)設(shè)施，隨時保持室內(nèi)恒溫恒濕，在長期平穩(wěn)運行的過程中，雖然確保了機房內(nèi)的設(shè)備處于室內(nèi)溫濕度均適合的工作環(huán)境，但長期處于制冷的工作模式不僅消耗掉了大量的電能，還會導(dǎo)致周圍環(huán)境的污染乃至大氣污染。如何實現(xiàn)綠色發(fā)展，降低電能消耗，是5G 高速發(fā)展過程中亟待解決的問題[1]?；净蛐⌒蜋C房內(nèi)的空調(diào)，需要長期處于制冷模式?；谶@些現(xiàn)狀，提出了一種附加風(fēng)光儲能、依據(jù)新風(fēng)系統(tǒng)的新型節(jié)能換氣扇，作為空調(diào)附屬設(shè)備，對空調(diào)制冷系統(tǒng)進行優(yōu)化，在降低一年四季空調(diào)的耗電量的同時，實現(xiàn)了綠色環(huán)保的理念。

1 節(jié)能的必要性

通信基站或小型機房，作為通信網(wǎng)絡(luò)中必不可少的一個關(guān)鍵部分，它的功能主要可以被概括為以下兩點：（1）實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)信號的區(qū)域性覆蓋，完成移動網(wǎng)絡(luò)過程中的數(shù)據(jù)交換和信息交互；（2）作為通信網(wǎng)中最基本的一個組成單元，完成信息傳遞和信息管理[2]。

通信基站或小型機房中的用電設(shè)備主要包括空調(diào)、開關(guān)電源等，根據(jù)PUE（Power Usage Effectiveness）以及各設(shè)備用電量的統(tǒng)計中可以得出，空調(diào)系統(tǒng)的電能消耗在基站或小型機房總能耗中占比在70%以上。最新數(shù)據(jù)顯示，2020 年我國現(xiàn)有基站已經(jīng)達(dá)到931 萬座。這個數(shù)據(jù)表明我國至少有將近1 800 萬臺的空調(diào)制冷系統(tǒng)常年無休止地運轉(zhuǎn)，這也就意味著電能損耗量也不容小覷。同時，空調(diào)制冷系統(tǒng)的工作效率也與系統(tǒng)的工作時間有關(guān)，兩者成反比關(guān)系。表明隨著工作時間的增長，系統(tǒng)的制冷效率逐步降低。為了保持原有的工作效率，空調(diào)制冷系統(tǒng)壓縮機的啟動時間也逐漸延長，這在某種程度上加劇了電能的消耗[2]。隨著5G 時代的快速發(fā)展，通信基站或小型機房數(shù)量劇增，隨之而來的是空調(diào)數(shù)量也呈現(xiàn)成倍的上漲趨勢。

現(xiàn)有的小型機房或基站及小型機房內(nèi)防止設(shè)備出現(xiàn)高溫的主要措施可以分為兩種：利用空調(diào)和新風(fēng)風(fēng)扇方式來降溫：（1）空調(diào)冷卻降溫。空調(diào)作為主用降溫設(shè)備，安裝在基站或小型機房需要考慮空間大小、所放置設(shè)備的數(shù)量和所帶負(fù)載大小以及網(wǎng)絡(luò)的忙碌與閑暇時間段的分布等，從而選擇空調(diào)匹數(shù)的大小和制冷量。雖然空調(diào)冷卻降溫是迄今為止最為有效的一種降溫方法，但存在耗能高、維護成本高以及空調(diào)過濾網(wǎng)需定時清洗、無法及時更新室內(nèi)空氣等的諸多問題，越來越引起維護人員的重視。（2）新風(fēng)風(fēng)扇冷卻。該方法是在室內(nèi)安裝一個一體化機柜，室外安裝進出風(fēng)口，風(fēng)扇啟動時，可以引起室內(nèi)外空氣的對流，從而將基站或小型機房內(nèi)部溫度較高、污濁度較高的空氣排到室外，同時通過過濾網(wǎng)，引入室外較清新的空氣，但是由于缺乏室內(nèi)外溫濕度傳感器，無法做到智能啟動。這種方法雖然較為經(jīng)濟環(huán)保和節(jié)能，但由于室外空氣中粉塵、飛蟲等較多，極易造成過濾網(wǎng)堵塞，不僅會引起風(fēng)扇堵轉(zhuǎn)，從而惡化基站或小型機房內(nèi)的溫度，而且也會增加維護人員的維護成本。最值得注意的是，在某些地區(qū)，尤其是室外溫度較高的炎熱夏季，該風(fēng)扇基本不起任何降溫作用。

所以，對空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)的研究刻不容緩，一旦探索出一種立竿見影的節(jié)能技術(shù)，就有希望實現(xiàn)綠色環(huán)保，達(dá)到降本增效的目的。

2 總體設(shè)計

2.1 風(fēng)光儲能

在陽光、風(fēng)能充沛的地市，可以采用光伏發(fā)電或風(fēng)能發(fā)電，將得到的電能作為節(jié)能換氣扇的電源，多余的電能也可以作為基站或小型機房內(nèi)的照明等非大功率用電設(shè)備的電能來源，而非直接引入市電作為電能供給，可以從根本上實現(xiàn)電費成本的降低。對于某些風(fēng)速較低或風(fēng)力較小及日照時長較缺乏的地市，可根據(jù)當(dāng)?shù)貤l件采用風(fēng)光互補的儲能發(fā)電系統(tǒng)，實現(xiàn)對換氣扇持續(xù)平穩(wěn)的電能供給。風(fēng)光互補系統(tǒng)能夠使風(fēng)能、太陽能等自然資源的轉(zhuǎn)換率較高的一個主要原因就是可以同步借助利用太陽能和風(fēng)能來作為發(fā)電系統(tǒng)的輸入，進而達(dá)到24 小時不間斷地發(fā)出電能。在這些自然能源均充足且適宜的一些地方，風(fēng)光互補系統(tǒng)不僅可以具備持續(xù)的發(fā)電功能，也更具有較高的穩(wěn)定性，更能降低室內(nèi)設(shè)備的電能消耗。

風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)的整體系統(tǒng)具體可以分為以下三個重要組成部分：發(fā)電部分、電能儲存部分和控制器部分，如圖1 所示。其中，發(fā)電部分主要是借助風(fēng)力和太陽光照等常見自然資源作為輸入能量，不僅可以將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能，也可以通過太陽能電池板將光能轉(zhuǎn)化為電能，實現(xiàn)能源的轉(zhuǎn)化與利用。電能儲存部分主要是將轉(zhuǎn)化得到的電能儲存在電池中，供機房或基站內(nèi)照明使用和換氣扇自身的動力輸入的一部分。控制器部分主要是包括控制電路和電能變換等部分，在整個系統(tǒng)中占據(jù)主導(dǎo)作用?？梢愿鶕?jù)當(dāng)?shù)氐娜照占帮L(fēng)速大小，自動隨時切換風(fēng)光互補系統(tǒng)的工作方式，也可以通過電能轉(zhuǎn)化裝置將發(fā)電系統(tǒng)得到的儲存在電池中的電能轉(zhuǎn)化為照明或自身輸入所需的交流電。同時，也可以實時采集系統(tǒng)的各項參數(shù)，實現(xiàn)系統(tǒng)的平穩(wěn)可靠運行。

圖1 風(fēng)光儲能系統(tǒng)圖

2.2 新型節(jié)能換氣扇設(shè)計

新型節(jié)能換氣扇的設(shè)計主要有以下四個特點：（1）發(fā)電部分采用風(fēng)光互補系統(tǒng)，將風(fēng)光儲能所得到的電能，直接供給該換氣扇使用，也可以直接供給照明使用，多余的電能可以儲存在電池中供照明和換氣扇使用，從根本上減少了市電的使用，節(jié)約了電能的消耗。（2）換氣扇的主體部分，采用智能熱交換技術(shù)，根據(jù)室內(nèi)外的溫度差，將其產(chǎn)生的熱能通過熱交換器轉(zhuǎn)化為電能，作為自身電源或室內(nèi)照明電源的一部分輸入。尤其是冬季，在室外溫度較低的情況下，可直接利用該換氣扇進行室內(nèi)降溫，效果顯著，但需要定時清洗過濾網(wǎng)，以免影響降低制冷效果。（3）實時保證室內(nèi)空氣的清新度，給維護人員提供相對健康的工作環(huán)境。（4）具有智能工作方式，根據(jù)室內(nèi)外的溫度差，自動選擇換氣扇的啟閉工作方式。

新型節(jié)能換氣扇的具體設(shè)計思路是：在小型機房墻壁上安裝該換氣扇，在內(nèi)外進風(fēng)口均需安裝過濾網(wǎng)，防止雜物進入到換氣扇或小型機房內(nèi)。內(nèi)部采用雙螺旋循環(huán)的方式，充分實現(xiàn)室內(nèi)外空氣的熱量交換，同時引入室外新風(fēng)，及時更換室內(nèi)污濁空氣[3]。該換氣扇在冬季的實際制冷效果遠(yuǎn)高于空調(diào)系統(tǒng)[2]，因此為了實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展和降本增效，在冬季室外溫度較低時可一直使用該換氣扇。換氣扇的主體是利用熱傳遞過程中產(chǎn)生的能量交換，在將室內(nèi)空氣排出室外的同時，回收利用空氣中的能量，將這部分能量轉(zhuǎn)化為電能。換氣扇自動引入室外新風(fēng)，室內(nèi)外的溫度差產(chǎn)生的熱量所轉(zhuǎn)換的電能儲存在電池中，供照明和換氣扇自身工作時使用并且可以實時保持室內(nèi)空氣的舒適度。

節(jié)能換氣扇系統(tǒng)主要由智能控制器、過濾網(wǎng)、進出風(fēng)口、風(fēng)機、室內(nèi)外溫濕度傳感器和電池組等幾個主要部分組成。

同樣地，控制器是換氣扇主體部分中最重要的一個組成部分。通過控制主程序，將溫濕度傳感器采集到的室內(nèi)外溫濕度差等各項環(huán)境參數(shù)進行處理，控制換氣扇的工作模式，調(diào)節(jié)換氣扇的啟閉。

過濾網(wǎng)的作用是確保室內(nèi)外空氣的潔凈度，防止過多灰塵或飛蟲進入機房。

室內(nèi)外的進出風(fēng)機的作用是加快交換速率，確保室內(nèi)外的空氣可以充分交換。

溫度傳感器的作用是實時監(jiān)測基站或小型機房內(nèi)外溫濕度差等參數(shù)，以便控制器可智能選擇換氣扇的工作方式。

2.3 總體設(shè)計

將風(fēng)光互補的發(fā)電系統(tǒng)與新型換氣扇相結(jié)合，在換氣扇的風(fēng)機啟動時，風(fēng)光互補系統(tǒng)發(fā)出的電能，可供給風(fēng)機使用，系統(tǒng)整體基本不消耗市電。該換氣扇的基本結(jié)構(gòu)主要是由內(nèi)外兩個螺旋循環(huán)、熱交換器等部分構(gòu)成。采用的原理是通過內(nèi)外循環(huán)分別所安裝的空氣出入口的溫度傳感器，在室內(nèi)外溫差達(dá)到10℃時，換氣扇打開，進行室內(nèi)外空氣的熱交換，在對室內(nèi)空氣進行換氣的同時，降低室內(nèi)溫度。同時，將熱交換產(chǎn)生的熱能轉(zhuǎn)換為電能，同樣儲存在鋰電池組中，作為自身電源或室內(nèi)照明電源的一部分輸入。但隨著夏季到來，室外溫度較高，該換氣扇在進行室內(nèi)外換氣時，可能會導(dǎo)致室內(nèi)溫度上升，因此可以考慮手動關(guān)閉該換氣扇，在夏季較涼爽時開啟。此節(jié)能換氣扇的使用相比于傳統(tǒng)小型機房或基站及小型機房內(nèi)部僅用空調(diào)系統(tǒng)實現(xiàn)恒溫制冷，再進行室內(nèi)外空氣循環(huán)的基礎(chǔ)上，在一定程度上降低了對電力資源的消耗，達(dá)到了節(jié)能的目的[4-5]，如圖2 所示。

圖2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

2.4 并網(wǎng)技術(shù)研究

對于風(fēng)光互補系統(tǒng)這種小型發(fā)電系統(tǒng)而言，由于所產(chǎn)生的電能，一部分會儲存在電池中，而另外一部分則可以供照明或者換氣扇自身使用。因此需要考慮與電網(wǎng)并網(wǎng)時的技術(shù)研究。目前，在省內(nèi)所有的基站或小型機房，均有一定的市電入戶的條件?；诖耍谑须娕c風(fēng)光互補系統(tǒng)共同作用情況下，如何智能選擇市電供電模式或者風(fēng)光互補發(fā)電模式來減少電能消耗，即如何做到智能選擇系統(tǒng)的離網(wǎng)運行和并網(wǎng)運行，是每個運營商最為關(guān)心的問題。

并網(wǎng)運行：風(fēng)光互補系統(tǒng)產(chǎn)生的電能，優(yōu)先儲存在電池組中。在市電用電低谷期時，控制器自動選擇并網(wǎng)功能，經(jīng)過逆變器、電池管理單元向基站或機房內(nèi)的如照明等的交流負(fù)載供電，同時一部分電能作為換氣扇自身輸入，剩余的電能將直接回饋給市電電網(wǎng)。

離網(wǎng)運行：與并網(wǎng)運行相反，在市電用電高峰期時，控制器自動選擇離網(wǎng)功能，盡可能地使用電池中的電能，削峰填谷，減少運行成本。

這兩種工作方式，在現(xiàn)實情況下，要根據(jù)現(xiàn)場的設(shè)備運行情況進行靈活運用，確?；净蛐⌒蜋C房內(nèi)的動力源的平穩(wěn)運行和持續(xù)性運轉(zhuǎn)。

3 結(jié)束語

隨著綠色環(huán)保的理念深入人心，并逐漸成為大眾的聚焦點，通信網(wǎng)絡(luò)的降本增效節(jié)能技術(shù)，也逐步成為了各個運營商和設(shè)備制造廠商所共同面臨的時代機遇與挑戰(zhàn)。并且基站或小型匯聚類機房在整個通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，是通信網(wǎng)絡(luò)必不可少的重要組成部分，是移動通信的基礎(chǔ)，同時也是各個運營商投資與維護最重要的部分。所以，在基站或小型機房層面上研究節(jié)能減排是非常有必要的。為了響應(yīng)當(dāng)前綠色環(huán)保和降本增效的號召，基站或小型機房內(nèi)的空調(diào)系統(tǒng)應(yīng)盡可能地充分利用自然資源，從而減少電能消耗。因此，本文提出的一種附加風(fēng)光互補儲能、依據(jù)新風(fēng)系統(tǒng)的新型節(jié)能換氣扇，充分利用自然資源，減少了空調(diào)系統(tǒng)對市電的使用量，優(yōu)化了空調(diào)的供電來源，在保證基站或小型機房可以正常運行的前提下，降低了運營成本減少了電能消耗。