通讯基站用空调系统节能方案分享

基站空调节能方案综述

南京理工大学赵跃，余延顺

摘要：分析国内基站空调现状和节能潜力，综述现有基站空调节能的两种主要途径:提高现有空调的能效比和利用自然冷源，简要介绍每种途径的几种不同方案，对比每种方案的优势和局限性。重点介绍了热管的原理和特性，总结出热管空调的几种形式和每种形式的研究现状。由于传统热管空调存在传热极限，介绍机械泵驱动制冷剂两相流循环，并探讨这种技术在基站空调中的应用的优势和前景。

关键词：基站空调节能热管机械泵驱动

1引言

随着网络和通讯行业的发展，通讯基站的数量飞速增长。目前，中国移动基站数目已超过62万[1]。基站设备都是连续24小时无间歇工作，运行过程中产生大量热量，而电子设备的安全运行温度范围为25～35℃[2]。为了保证机房设备的正常工作，需要使用空调来调节机房内热湿环境。基站空调设备应该具有以下性能：适应基站所处环境，具有较宽工作温度范围；全年制冷，系统需稳定可靠、寿命长；具有大功率、高密度的供冷能力；洁净度要求较高；显热大、潜热小、风量大；机组能效比高，节能；基站无人值守，系统必须远程监管、故障率低、可靠防盗、有故障报警和应急通风等功能。

2基站空调现状及节能潜力

如今，国内基站空调一般采用家用分体机，这种空调没有根据基站负荷和运行特性特殊设计，且空调制冷量一般按照夏天最不利情况确定，冬季空调负荷较小，压缩机频繁起停，不仅有冷量损失还容易导致压缩机故障、减少使用寿命。环境温度过低时还存在效率低、低温启动等难题。国内现有基站选用空调的能效偏低，一般仅有2.5～2.6[3]。基站维护结构很少考虑保温，夏季热负荷较大。空调常年制冷，但不能充分利用室外冷源。据统计，中国移动的通讯业务电能消耗中，基站能耗约占73%，而基站空调能耗占基站总能耗的46%，每年耗电100亿度[4]。对于我国北方地区，冬季和过度季节室外气温低于室内气温，有大量“免费”冷量可供使用。因此，选择合适的方案提高基站空调的能效、充分利用自然冷源对基站的节能有很大的意义。

3几种节能方案

目前基站空调节能主要有两种途径：一是提高空调的能效比，如变频技术、电子膨胀阀技术、冷媒添加剂技术、新型制冷剂节能技术等；二是使用自然冷源，如通新风冷却、自然蒸发空调、热管技术、相变储能技术、全热或显热交换技术、溶液循环式换热技术等。

3.1提高空调的能效比

变频技术的使用可以实现按需供冷。当温度达到设定时，压缩机降频，低功率、低能耗、高效率运行，这样不仅节能、维持温度稳定还避免了压缩机的频繁启动。电子膨胀阀技术的使用可以使机组适应更广的室外温度范围，实现低冷凝压力工作，有实验证明电子膨胀阀机组全年节能可达30%[5]。冷媒添加剂技术是在制冷剂中添加一种化合物，除去换热器表面的油污并形成保护膜，这可以减小摩擦阻力从而降低压缩机能耗，但这种措施节能潜力有限。新型制冷剂替代技术现在也有研究，如碳氢制冷剂的替代有高效、节电、环保等优势。

3.2利用自然冷源

通新风技术是在环境温度低于设定值时，直接引入新风来降低室温。这种方式没有中间换热设备所以效率高，只需增加风机和空气处理设备所以投资较小，但受室外空气品质影响较大，室内的洁净度和湿度不易保证，内维护结构还存在结露的可能性。在此基础上的智能

通风技术对通风风机变频控制，使空调和通风合理切换，空调工作在高效区。显热和全热交换技术可以保证室内外空气隔离，相对于直接通新风保证了室内的洁净度和湿度。自然蒸发空调是利用水蒸发吸热制冷的技术，喷淋水与不饱和空气热湿交换的过程中水蒸发、空气的温度下降。目前机房中应用较多有直接蒸发冷却和露点间接冷却两种形式，直接蒸发冷却处理过程是等焓过程，需要辅助除湿设备来控制室内湿度，送风温度过低时室内有结露的可能。露点间接蒸发是干通道和湿通道中空气只发生显热交换，不会增加室内湿度。相变储能技术是将相变材料放在基站内，储存室外的自然冷量，当室内温度过高时释放冷量控制室内温度，用相变温度与室内外温度的温差做动力，无法控制储释能过程。溶液循环式换热技术一般利用乙二醇溶液为冷媒间接利用室外冷源，可以实现等湿降温。

4热管空调技术

热管是一种导热性很高的传热元件。典型热管原理是：蒸发段受热，吸液芯中的液体汽化，在微小压差下流向冷凝端并冷凝成液体，液体靠毛细力返回蒸发段再吸热汽化，如此循环，完成热量的传递。与常规的换热技术相比，热管具有以下优点：传热效率高，由于热管内部是相变传热，较小的温差可以获得较大的传热量。因此热管的导热系数相当高，是常规金属的几百甚至上千倍；恒温特性，热负荷发生变化时，蒸发段、冷凝段温度不发生改变；管壁温度可调节，调整管壁温度低于室内露点可实现去湿功能；传热单向性，只散热不吸热，室外气温高于室内气温时，不会将室外热量导入室内；布置灵活，结构简单，冷热源可分离较长距离；不需要机械驱动可以大幅减小能耗，且故障率低，安全可靠。热管技术在暖通空调领域已经有了很广泛的应用，如用于热回收系统、太阳能集热器、太阳能型热泵、冰蓄冷、房间空调的除湿、汽车空调等[6]。对于通信基站、程控机房等高发热量常年需要供冷的场所，热管式空调可以高效利用自然冷源实现节能。

基站热管空调按照结构可分为一体式热管空调、分离式热管空调、热管/蒸汽压缩复合式。也可以根据热管的不同驱动力来划分，划分成重力式热管空调、毛细力热管空调、泵驱动热管空调。目前，国内暖通空调领域研究较多的有重力一体式空调（图1）、重力分离式热管空调（图2）、热管/蒸汽压缩复合式，目前基站空调常采用的是重力分离式热管空调。

图1 重力一体式热管空调系统原理图2 重力分离式热管空调系统原理重力一体式空调间接换热，室外空气和室内空气独立循环保证了室内的洁净度和湿度要求。核心部件的热管换热器结构简单、换热量大、布置灵活可以适应不同送风方式。实测机组在室内外5℃[9]温差即可启动，适用范围广。李奇贺[8]等人在小温差热管换热的基础上设计了一种重力一体式热管空调，并测试了制冷量和温度效率随温差的变化特性。王爱辉[7]等人也进行了重力一体式热管空调机组运行特性进行了研究，实验测试了：热管定温差（10℃）运行，风量对制冷量的影响；定风量（2800m3/h）运行，温差对不同排数热管的制冷量影响。

重力分离式热管空调也被称作冷媒自然循环空调（Refrigerant Natural Circulation 简称RNC），蒸发器和冷凝器分开布置，冷凝器位置高于蒸发器，制冷剂在蒸发器吸热汽化，低密度的制冷剂蒸汽沿着气管上升到冷凝器冷凝液化，靠重力通过液管回流至蒸发器，如此循环完成冷凝器和蒸发器的热量交换，循环动力是蒸发器和冷凝器之间的高度差和气液密度