通信局房基站节能技术分析及探讨.docx
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通信局房基站节能技术分析及探讨
通信局房、基站节能技术分析及探讨
林培桂第二设计院
导读：
随着能源问题的日渐突出，通信服务领域的节能降耗已成为通信企业可持续发展的重要工作内容。
通信运营企业的能耗支出中，电费占有较大比例（超过80%），其中通信机房空调制冷是主要耗电因素。
本文结合通信机房的特点谈一下节能问题。
本课题的研究首先对通信机房电源系统的用电设备及耗电量进行了分析，并深入解析了空气调节系统的原理和基础知识，让设计人员对空调系统及机房热交换设备有一个充分的了解，随后通过一些新的节能技术的探讨以及国内通信运营商节能技术的实际应用和实践经验，让设计人员了解机房节能技术。
摘要随着通信网络规模和用户数量的不断增大，电信运营市场竞争日益激烈。
由于受到国家政策的不对称管制和新技术、新业务的冲击，特别是电缆被盗和灾难损坏造成有线维护成本的增加，固网电信运营商的业务发展和创收日趋困难。
各大电信企业通过挖掘网络潜力、发展新业务，在扩大市场份额和业务种类的同时，特别要想尽一切办法减少运营支出，开源节流来提高企业经营收益。
目前通信机房的节能减耗主要从电源、空调、机房管理等几个方面入手。
关键词通信机房IDC数据中心节能减排PUE值节能技术
一、引言
信息的时代已经到来，人类社会对沟通的需求不断增加，通信服务提供商（SP/ISP）扩大网络的投入，增加网络的覆盖，从而以期达到任何时间、任何地点、可与任何人沟通的效果。
运营公司的移动基站、接入网站、模块局的数量不断增大，特别是移动基站的数量增加非常迅猛。
据初步统计，电力消耗在各类能源消耗比例中占有绝对比例。
因此，节能减排工作将以节电为重点研究对象，同时关注节地、节材。
为了节约成本，绝大多数的移动基站均采用无人值守，但这些通信基站里的各种电子设备，是需要在一定的温度环境下（基站环境国家标准GB50174-93规定长年基站温度为18℃～28℃），才能长期正常地运行，为了达到基站标准的环境温度，空调长年处于开机状态。
空调的电能消耗对通讯运营公司来说，是一笔很大的开支。
据统计，平均每个基站空调的电费支出约占整个基站电费支出的46%左右，空调成为基站机房中的主要耗电设备。
因此节能减排工作又将以空调节点为主。
以基站机房空调节能为主线，结合基站机房电源节能以及其它节能方式，从而实现基站机房总体能耗的缩小，达到节能减排的目的，响应国家绿色环保低碳节能的政策。
二、机房能耗分析
1.机房节能的重点
机房环境的用电方面，首先，机房照明应尽可能采用节能灯，并控制其数量和分布，宜采用分区分段的控制方式；其次，要通过降低机房热负荷、合理布局摆放通信设备、选用高效节能的机房空调，来优化机房的温湿度控制，缩短机房空调的运行时间、提高其使用效率。
前面说到，机房空调的耗电量占到机房总耗电量的50%左右，因此，有效减少机房空调的耗电量，就成为机房节能的重点。
（1）强化机房的隔湿隔热，降低机房环境热湿负荷。
机房外环境温湿度与机房内存在差异，门窗、墙壁、地板等存在热湿渗透或传导，所以导致机房热负荷高于通信设备的发热量。
因此，在设计建造机房的时候，一定要考虑机房的土建结构，适当增加墙壁、楼板的厚度，并做隔热处理；尽量减少门窗的数量，禁止未经处理、会导致机房热湿负荷增加的新风引入。
在机房内施工或维护时，人员进出要随手关门，以减少热湿负荷。
（2）机房环境和通信设备的负荷一经确定，如何让机房空调发挥出高效率就成为节能的关键。
首先，在设计选型环节就强化节能意识。
要结合机房内通信设备的布局和数量及其散热方式，对机房空调的数量、摆放、空调送风方式等进行合理设计，使机房空调能形成团体作战模式，充分发挥各台空调的效率。
比如，机房空调采用静电地板下送风方式，但如果设计时未考虑地板下电缆槽挡风的影响，就容易导致风量严重不足，制冷系统蒸发压力偏低，致使制冷效率随蒸发压力的下降而下降。
再比如，机房空调室外机安装于走廊外，采用水平出风方式，但如果风扇出口正对着走廊围栏，就容易造成散热不良，空调经常高压报警，致使制冷系统的制冷效率随着冷凝压力的升高而下降。
近几年，随着计算机机房、IDC机房的大量使用，由于空调布局与送风设计不合理，导致在机房总体温度偏低时局部温度仍偏高的现象时有发生，既浪费能源又影响设备运行。
其次，空调的安装、施工调试及维护质量直接影响空调的整机性能，进而影响空调的制冷效果和运行耗能。
譬如，安装不规范，造成系统运行不久后即出现脏堵，不但制冷量明显下降，而且由于蒸发压力下降又导致空调的能效比下降；机房空调由于维护不及时，造成室外机冷凝器或空气过滤网脏堵，系统冷凝压力偏高或蒸发压力偏低，都会导致系统能效比下降；片面追求低的机房温度，导致空调回风过低而使系统蒸发压力下降，进而降低了能效比。
以上情况说明，其实节能很简单，只要工程安装规范、运行维护及时、参数设置合理，无形之中就已经避免了能耗的浪费。
目前通信机房的空调配置存在温度死点的现象，这样有可能使某些通信设备一直处于高温环境，影响设备的正常运行甚至寿命。
根据上述计算公式，目前通信设备机柜的功率密度较大，机房空调风循环的换热量不能满足机柜散热的需要，也会造成某些设备一直处于高温环境，影响设备的工作可靠性。
1.空调术语
制冷量（制冷能力）
空调器在额定工况和规定条件下进行制冷运行时，单位时间内从密闭空间、房间或区域内除去的热量总和，单位：
W。
制冷消耗功率
空调器在额定工况和规定条件下进行制冷运行时，所输入的总功率，单位：
W。
制热量（制热能力）
空调器在额定工况和规定条件下进行制热运行时，单位时间内送入密闭空间、房间或区域内的热量总和，单位：
W。
注：
只有热泵制热功能时，其制热量（制热能力）称为热泵制热量（热泵制热能力）。
制热消耗功率heatingpowerinput
空调器在额定工况和规定条件下进行制热运行时，所输入的总功率，单位：
W。
注：
只有热泵制热功能时，其制热消耗功率称为热泵制热消耗功率
能效比（EER）
在额定工况和规定条件下，空调器进行制冷运行时，制冷量与制冷消耗功率之比，其值用W/W表示。
要求空调机的能效比（EER）＞2.5。
性能系数（COP）
在额定工况（高温）和规定条件下，空调器进行热泵制热运行时，制热量与制热消耗功率之比，其值用W/W表示。
风量
单位时间内向封闭的空间、房间或区域送入的空气量。
接风管空调机是在制造厂规定的机外静压送风运行，该风量应换算成20℃、101kPa、相对湿度65％的状态下的数值，单位m3/h。
显热比
显热制冷量与总制冷量之比，用等于1或小于1的小数表示。
要求显热比＞0.7
空调能力测试：
空气焓值法
一种测定空调器制冷、制热能力的试验方法，它对空调器的送风参数、回风参数以及循环风量进行测量，用测出的风量与送风、回风焓差的乘积确定空调器的能力。
平衡环境型房间量热测试
是在室内侧和室外侧隔室的外面分别设温度可控的套间，使套间内的干球温度分别等于室内侧和室外侧的干球温度。
如果使套间的湿球温度也等于量热计室的湿球温度。
主要塑料类保温材性能比较表
酚醛板PF
挤塑板XPS
聚氨酯PU
苯板EPS
密度（kg/m3）
27
30
50
20
20℃热传导率（W/m·K）
0.020
0.028
0.024
0.038
压缩强度（kPa）
147
233
200
105
弯曲强度（kPa）
600
23℃吸水率（%）
2.4
0.27
2.7
4.2
尺寸稳定性
（70℃，48h）
长/宽/厚
0.16/0.23/-0.44
0.22/1.04/1.49
0.79/0.84/1.16
1.56/2.33/2.75
燃烧性能
B
B
C
C
透湿系数
（ng/m·s·Pa）
1.1
2.0
5.7
7.0
最高工作温度（℃）
150
80
100
80
主要塑料类保温材λ随时变化图
湿空气的概念
由一定量的干空气和一定量的水蒸气混合而成，称为湿空气。
平时说的“空气”，实际是干空气加水蒸气，即湿空气。
满足理想气体方程：
Pv=RT或PV=mRT
与空调有关的湿空气术语
压力
密度
含湿量
相对湿度
焓
露点温度
湿空气密度（含湿量）
对于湿空气，相当于压力为P的干空气被一部分压力为Ps的水蒸汽所占据，被占据后的湿空气就由压力为Pd的干空气和压力为Ps的水蒸汽组成。
根据道尔顿分压定律，湿空气压力等于干空气分压Pd与水蒸汽分压Ps之和，即：
P=Pd+Ps。
根据相对湿度计算式，水蒸汽分压Ps=ψPb，根据气态方程及道尔顿的分压定律，即可推导出湿空气密度计算式为：
式中ρw——湿空气密度,kg/m3；
ψ——空气相对湿度，%；
Pb——饱和水蒸汽压力，kPa（由表2-1-1确定）。
相对湿度
表示空气中的绝对湿度与同温度下的饱和绝对湿度的比值，得数是一个百分比。
（也就是指在一定时间内，某处空气中所含水汽量与该气温下饱和水汽量的百分比。
）
相对湿度用RH表示。
相对湿度的定义是单位体积空气内实际所含的水气密度（用d1表示）和同温度下饱和水气密度（用d2表示）的百分比，即RH（%）=d1/d2x100%；另一种计算方法是：
实际的空气水气压强（用p1表示）和同温度下饱和水气压强（用p2表示）的百分比，即RH（%）=p1/p2x100%。
露点温度
露点（或霜点）温度是指空气在水汽含量和气压都不改变的条件下，冷却到饱和时的温度。
形象地说，就是空气中的水蒸气变为露珠时候的温度叫露点温度。
焓
指单位质量的物质所含的全部热能。
焓的定义式是这样的：
H=U+pV
其中U表示热力学能，也称为内能，即系统内部的所有能量
p是系统的压力，V是系统的体积
湿空气状态变化过程
湿空气的加热过程
湿空气的冷却过程
等焓加湿过程
等焓减湿过程
50%相对湿度下，
25℃的含湿量为9.9g/kg
15℃的含湿量为5.3g/kg
0℃的含湿量为1.9g/kg
-10℃的含湿量为0.7g/kg
空气含水量图
等焓加湿过程
Kca/kw换算
1千卡/小时（kcal/h）=1.16299949665382瓦（W）
1匹（HP）≈2000千卡/小时（kcal/h） =2.3259989933千瓦（KW）
1马力=0.7355千瓦（KW）
1千焦（Kj）=101.97千克力*米（kgf*m）
=0.00027777777千瓦时（kw*h）
=238.663卡（平均卡cal）
=239.005 卡（热力学卡cal）
水汽化为水蒸汽539kcal/kg（2253kJ/kg）
蒸发与沸腾均为汽化过程，但两者有明显区别：
蒸发——在任何压力、温度下都能进行，局限在表面的液体转变为气体，能量转化能力弱
沸腾——只有达到与一定压力相对应的一定温度时才能进行，能量转化能力强
R410A汽化热/蒸发潜热（沸点下，1atm），275kJ/kg
R22汽化热/蒸发潜热（沸点下，1atm），275kJ/kg
相变材料：
相变点29℃；潜热:
188kJ/kg；
通信空调节能技术
为满足通信设备正常运行需要，通常采用空调设备来营造适宜的室内人工环境，因此需要消耗大量的能源。
建筑本身的建造方式和营造室内环境的空调方式是影响通信基站能耗水平的两个主要因素，下面将从这两方面来探讨降低能耗的技术途径。
通信基站空调节能技术可概括为自然冷源应用，采用高能效空调设备，基站围护结构改造和基站运行维护管理四个方面。
基站自然冷源应用技术
通过利用自然冷源减少基站空调的开启时间，从而实现基站的节能。
在基站推广使用和试点使用的节能措施主要包括以下三种。
智能通风
通信基站智能通风设备是一种向通信基站室内提供经过除尘过滤的室外空气的通风机组。
其本身不带任何制冷元件，通过将基站外部冷空气直接引入、把通信基站内部热空气直接排出，从而实现通信基站降温。
在确保基站运行环境要求的前提下，在基站安装智能通风控制系统，根据基站室内外温、湿度的监测和逻辑判别去控制基站智能通风设备，在满足一定条件下时，直接引入室外冷空气对基站进行自然冷却，并可联动控制基站原有空调设备的启停，有效降低基站空调的运行时间或替代基站空调设备，从而达到基站通风散热、降低基站电能消耗的目的。
1）适宜安装场景
（1）每年室外平均温度在15～30℃、湿度小于80％的天数超过200天的地区；
（2）周围通风顺畅、室外空气较为洁净、噪音影响较小、工程实施较为方便的基站；
（3）早晚温差较大的山区基站、郊区和农村基站；
（4）机房容积小于100立方的基站；
（5）钢板房、方舱机房、屋顶房等基站，比普通砖混结构的基站更适合安装节能系统；
智能通风系统不宜安装在室外扬尘较多、室外湿度较大的基站；基站的配置功耗越大，智能通风系统的节能效果越明显；设备功耗大于2KW的基站较为适合安装节能系统，设备功耗小于1KW的基站，适合以节能系统替代基站空调进行设备制冷。
2）智能通风系统总体要求：
（1）智能通风机组作为通信基站环境调节和控制的辅助设备，当设备运行故障无法调控基站环境时应能自动切离，不能影响原有空调设备的正常工作；
（2）当空调设备出现故障时，应能强制开启智能通风机组在最大风量下应急工作。
（3）系统掉电时，智能通风机组应有保存参数设置值及告警信息的功能，供电恢复时，系统应有来电自启动功能。
（4）应能维持基站的运行环境符合：
温湿度符合基站设备的运行要求（温度10～30℃，湿度10％～85％），不破坏基站环境的原有洁净度；
（5）主要控制逻辑应结合基站监控系统和空调的整体控制；
（6）具有良好的电磁兼容性和防雷击、防过压保护措施。
（7）智能通风系统的能效比（EER）≥15。
3）器件技术要求
（1）风机宜采用进口产品，平均无故障运行时间大于50000小时；
（2）所有控制元件应具备较好的抗干扰能力，运行稳定可靠，平均无故障时间大于20000小时；
（3）室内、外机外壳应具备足够的强度并经相应的防腐、防锈处理，使用寿命大于10年；
（4）智能通风机组应具有较高的运行稳定性和较低的维护成本，应能适应基站供电环境和无人值守运行状态，过滤装置维护周期应不少于1个月。
智能换热
通信基站智能换热设备是一种利用室外空气做冷源，通过设备本身所带的热交换器将室内外空气进行热交换的通风机组，通过换热使通信基站内部热空气温度降低，满足基站内温度要求。
智能换热设备芯体采用空气-空气的显热换热芯体，通过热交换器使室内外两侧气体进行热量交换，排除室内的热量从而降低室内的温度。
从设备室外侧的角度看，室外冷空气在室外侧风机的作用下从进风口进入装置本体，然后通过换热芯体进行换热，从室外侧排风口排出；从室内侧的角度看，室内热空气在室内侧风机的作用下由进风管进入装置本体，然后通过换热芯体进行换热，再由室内侧出风管回到基站。
该装置不影响机房内的洁净度，同时还可减少空调的使用时间，从而达到节能的目的。
热管换热机组
通信基站用热管换热机组利用室内外温度差，在室外空气温度和基站内设定温度超过一定值时，通过封闭管路中工质的蒸发、冷凝循环而形成动态热力平衡，利用较小的温差将室内的热量迅速且高密度的传递到室外，降低室内的温度。
即室内风机驱动机房内的空气流动，将空气中的热量传递到蒸发器中，降低室内空气的温度，并使蒸发器中的液态工质蒸发成气态；工质蒸汽从气体总管流到室外侧的冷凝器中；冷凝器被室外空气冷却，工质蒸汽在冷凝器中释放热量，冷凝成液态；工质液体从液体总管流回到蒸发器中；以上过程循环往复，不断将室内的热量传送到外部环境中。
以上循环通过工作介质自身的热力平衡完成，并依靠自然力实现循环,由室内外的自然温差驱动，实现以高效节能的方式利用室外冷源对机房进行排热。
热管机组有分体和整体式两种形式。
分体式热管换热机组采用蒸发段与冷凝段分离的形式，蒸发段与冷凝段采用液管连接，使得该系统可以在不破坏基站外围护结构的前提下，实现高效、高密度、远距离的排热。
热管排热机组由室内机、室外机、智能控制器、连接管线四部分构成。
如下图所示。
蒸发段
蒸发段
冷凝段
室内热气流
热管机组具有以下特点：
（1）仅靠工质的自然循环来实现排热功能，全部工质循环在封闭式管路完成，不必靠压缩机驱动，无膨胀阀压力损失，可靠性和稳定性相对较高。
（2）大风量小温差换热，有助于改善机房内部气流组织和均匀温度场。
（3）全显热换热，无冷凝水产生，系统无需额外耗能加湿、除湿。
（4）避免直接引入室外空气的污染问题，同时也避免直接引入室外空气方式的湿度难以控制问题。
（5）对围护结构改动小（不需要开通风口，不额外安装风道）。
（6）与原基站（机房）空调设备智能联动，共同保证室内环境控制要求，实现安全节能。
同时使用该设备后，大大降低原有空调工作时间，延长原有空调使用寿命，降低空调的更换频率，节省空调采购投资及维护费用。
（7）与采用通风换热方式相比，该技术可实现更低的换热温差（5度温差即可高效换热）。
显著提高节能效果，更加易于使用和维护。
（8）整体式热管换热机组也具有较高的换热效率，结构紧凑，安装空间小，可整体安装在室内，可有效防止被偷盗。
如右图所示。
基站高效节能型空调
通过对空调本身的技术改进，提高空调能效，降低空调的运行能耗。
目前在主要有基站变频空调和热管一体化空调两种。
基站变频空调
变频空调采用直流变速技术，实现精确能量调控，可以按需供冷，同时，由于低负荷是，压缩机会降低转速，所以相当于对于压缩机来说，获得了加大的蒸发器、冷凝器容量效果，使得蒸发温度（压力）上升以及冷凝温度（压力）的下降，从而进一步提高了热交换效率，降低能耗。
变频空调节能原理包括：
1）采用直流调速压缩机
（1）压缩机效率提高，直流调速压缩机其额定能力比普通交流压缩机高12~15%，在低速时可节能25%左右，压缩机耗电量大大减少，能效比明显提高。
（2）压缩机震动好噪音降低。
采用双转子直流变频调速压缩机，优化驱动控制方案，使压缩机运行振动更小，噪音更低。
2）压缩机及制冷剂的工作特性
压缩机稳定工作时将冷媒保持一定的工作压力，压缩机停止工作时，冷媒将稳定在另外一个平衡状态，当其从停止到开始工作到稳定工作状态时，压缩机需要耗费电能来做功，因此若压缩机频繁启动将耗费一定的电能，而变频空调工作时，保持压缩机一直在工作，使得冷媒一直保持稳定的工作状态，减少了这部分的电能消耗。
3）采用电子膨胀阀控制
使用电子膨胀阀，通过优化系统控制，可以精确控制系统运行各项参数，包括压缩机排气过热度、压缩机吸气过热度、压缩机底部过热度以及冷凝器过热等各项参数，使制冷系统处于最佳运行状态，并保证压缩机运行可靠，延长压缩机使用寿命，精确控制系统冷媒流量，提高能效。
4）冷凝器相对面积增大
定速空调工作时，冷媒流量为额定流量，冷凝器的面积也是不变的，即冷凝器的热效率是固定的。
而变频空调工作时，空调的制冷量随着热负荷的变化而变化，冷媒的流量也随着热负荷的变化而变化。
犹豫冷凝器的面积是一定的，此时，相对于小流量的冷媒冷凝器的相对面积增大，其冷凝效率随着热负荷的减小而增大。
5）电机启动电流较大
电机的启动电流较大，变频空调其电机一直保持工作状态，较少因频繁启动停止而耗费电能。
变频空调相对于普通空调的节能效果随着负载的增加而降低，因此对于变频空调，重点在于如何合理应用，即综合考虑基站所处地理环境、基站围护结构、内部热负荷分布等对于空调配置的影响，从而达到最有效地利用空调的先进技术来完成节能减排的目标。
目前对于大功率空调，变频空调的产品线相对较少，采购余地不大，而且变频空调的造价要比普通空调高很多。
热管一体化空调
热管一体化空调采用热管技术，与机房专用压缩制冷技术相结合，不仅能够充分利用自然冷源，而且能够实现高效压缩制冷，从而大幅节能。
当室外温度低于室内温度时，机组运行热管循环。
机房的热量通过机组室内机的换热器传给循环冷媒，冷媒靠自然压力循环，把热量从室内转移到室外，通过室外机的换热器散热到室外大气。
机组无需压缩制冷，充分利用外界自然冷源。
当室外温度高于室内温度时，机组运行压缩制冷。
压缩制冷专为机房负荷特征设计，系统在大风量、小焓差工况下运行，制冷效率高于普通制冷25%以上。
针对不同运行环境，机组通过智能控制系统，实时监测运行工况，自动化控制运行模式，实现全气候节能。
热管一体化空调包括室内机与室外机两部分，室内机内包括压缩机﹑膨胀阀、控制器等重要部件，室外机仅由换热器及风机构成。
热管一体化空调结构简图
热管一体化节能空调产品具有以下特点：
1）全气候节能；
2）热管制冷一体化，保证制冷效果；产品采用优化的复合结构设计，用一套系统分别实现热管制冷和压缩制冷，真正实现热管、空调一体化。
3）“只换热，不换质”，保证机房清洁度与空气品质。
4）根据基站的特点设计：
大风量、小焓差设计，室内温度梯度小，保证机房设备运行环境。
核心部件内置，防盗、降低室外噪音。
5）先进的智能控制系统，智能控制，断电自恢复，标准通讯协议，可与多种监控系统兼容。
基站围护结构优化改造
根据基站空调负荷的特点，对南北方地区采用不同的围护结构改造方案实现基站空调的节能。
加强围护结构的保温
在严寒和寒冷地区，做好基站保温，减少冬季基站加热时间，降低能耗，做到冬季基站不加热，过渡季节采用智能通风和换热措施降低基站空调的全年能耗。
基站外表面用反射隔热涂料
热反射隔热涂料具有较高太阳光反射比和较高半球发射率，施涂在基站外表面，利用自身高反射性来最大限度的减少基站屋顶和墙体对于太阳辐射热的吸收，降低屋顶和墙体外表面温度，从而减少围护结构传热负荷，降低空调的能源消耗，达到节能的目的。
当室外温度比室内温度高时，隔热涂料通过减少对太阳辐射热的吸收来降低基站外表面温度，减少热量由室外向室内传递，减轻空调的运行负载，从而实现节电。
当室外温度比室内温度低时，同样通过基站外表面温度的降低可加速室内热量向室外传递，同样减轻空调的运行负载，达到节能的目的。
隔热涂料选用对可见光和红外线反射能力极好的纳米材料作为功能填料来实现对太阳热辐射的高反射率。
同时增加涂敷附着力、抗酸碱能力极强的基础涂层来延长涂料的使用寿命。
施工方便，耐候性强，滚涂或喷涂均可。
但该方法存在维护保养困难的缺点。
基站空调运行维护节能技术
通过加强基站空调的运维管理，改善在网运行空调的运行工况和空调能效，实现基站空调的运行控制节能。
主要采用以下两方面的技术措施：
基站温控技术
对基站空调的控制管理采用集中温度分区控制、空调远程控制和合理设定空调温度控制精度等方式实现空调的控制节能。
1）基站温度分区控制
有条件的基站可以根据基站内不同设备对环境温度的要求，分区域控制环境温度。
如对环境温度要求高的蓄电池可以采用电池恒温箱，将蓄电池的区域温度控制在15～25℃，其他区域的温度控制范围可以根
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