相变材料的节能应用

相变材料恒温节能通信机房
目前大多数通信机房的温度控制是通过制冷空调来实现的，这种控制温度方式存在两个很大的缺陷：一是必须常年开启空调机使电能消耗过大，造成浪费；二是当电力发生故障时机房的制冷空调机无法工作，它要求维护人员尽快赶到现场发电，否则温度过高将使设备无法工作甚至损坏。

特别是在边远地区和电力故障多的地区的无人维护机房，以上的问题仍然没有较好的解决方案。

为了解决通信机房空调耗电过大和电力故障时的温控难题，本方案提供了一种特殊的相变材料能量存储热交换的解决方法。

目前，已知许多物质在特定温度下会改变形态，这类物质称为相变材料（Phase Change Material- PCM）. 相变材料在改变形态时会吸收或释放能量，称之为潜能。

本方案利用相变材料在发生相变时吸收潜热的特性，在通信机房中安装一定数量的相变材料摸快，并配合进风/排风扇和相应的监控装置。

当监测到机房外环境温度较低时（低于相变温度且符合机房温度要求），控制通风系统将室外的冷能量输入机房，一方面将机房制冷，另一方面将冷能量储存在相变材料中；当监测到机房外环境温度较高时（高于相变温度），控制通风系统停止工作，利用室内风扇对流，将相变材料储存的冷能量释放，达到制冷的目的。

在这过程只消耗很少的电能（风扇耗电），因而节省了大量的制冷空调机的耗电。

如果环境温度高居不下，则利用相变材料与空调机交替制冷。

当空调工作时，为机房制冷，同时让相变材料吸收冷能量。

当相变材料完全相变（饱和）时，控制空调机停止工作，
释放相变材料储存的冷能量制冷，将温度恒定在机房温度要求以下。

当相变材料储存的冷能量放尽（完全相变），温度将升高至接近机房最高温度要求时，空调又开始工作并重复以上过程。

整个工作过程由监控系统控制。

由于空调制冷机的工作时间缩短，因而节省了电能.
本方案的效果是：节省了近一半的通信机房空调耗电；同时，由于相变材料蓄冷的作用，当电力或空调发生故障时，释放相变材料储存的冷能量，可使机房有几个小时的恒温时间。

这一结果很好的解决了边远地区和电力故障多的地区无人机房的温度控制的难题。

本方案采用的相变材料为无机水合盐和特殊的添加剂合成并包装在1050x160x16的空心塑料板中，具有潜热大和稳定性高的特点，可有十年以上的使用周期。

同时，这种相变材料的成本较低。

在一个标准的通信机房中安装300公斤的相变材料，当电力中断或空调损坏时可提供4小时的恒温时间。

而节能空调系统节省的电费可在两年左右抵消投资的成本，因此具有很高的应用价值。

附图说明
图1 相变材料恒温节能通信机房的内部安装结构图。

其中1含相变材料的塑料板；2是内部对流风扇是相变材料恒温
图2 相变材料恒温节能通信机房构成图
其中1是含相变材料的塑料板；2是进风风扇；3是内部对流风扇；4是排风风扇；5是制冷空调机。

图3 是通信机房的内部热交换原理图图。

图4是空调停止工作后有/无相变材料节能系统的机房温度对照曲线图。

(测试条件与环境：采用29°C相变材料，机房为4Mx3Mx3M的标准通信机房，热负载为基站标准热负载，室外温度30°C相变材料重量为255公斤）。

工作原理:
如图2所示，（1）为含相变材料的塑料板，（2）为进风风扇，其作用是将室外冷空气输入机房。

（3）为室内对流风扇，其作用是使机房内的空气流通，让相变材料储存的冷能量与热空气充分交换。

（4）为排风风扇，其作用是将室内热空气排出机房。

（5）为制冷空调机。

节能空调系统的工作由监控装置控制，其监测的项目有：机房内/外温度、湿度，相变材料能量存储水平，交流电压，直流电压等。

控制的项目有：空调机的工作/停止；进风/排风扇的工作/停止；机房内直流对流风扇的工作/停止等。

一个典型的控制过程如下：当监测到室内温度等于或高于30C°，检测室外温度是否低于22C°和相对湿度是否小于80%？是：控制进风/排风扇开始工作，将冷风吹入机房，将热风排出机房，由自然环境制冷。

否：控制空调机工作制冷。

当监测到室内温度等于22C°，检测相变材料是否完全发生相变？是：控制空调机停止工作，启动机房内直流风扇由相变材料放冷；否：继续由空调系统制冷。

机房内的热交换过程原理如图2。

如事先获知将停电，由控制中心指令在停电前将相变材料充冷至饱和状态。

当监测到电源中断时，控制启动直流风扇由相变材料制冷。

图3为当停电时，安装了相变材料节能系统的通信机房和没有安装的机房的温度对照图。

（测试条件与环境：采用29C°相变材料，机房为4Mx3Mx3M的标准通信机房，热负载为基站标准热负载，停电时机房内温度为20C°，室外温度30C°，相变材料重量为255公斤）。

由图所示，没有安装相变材料节能系统的机房温度从20C°上升到31C°的时间为1.5小时，而安装了相变材料节能系统的通信机房温度从20C°上升到31C°的时间为4小时。

可见相变材料节能系统的通信机房的恒温效果。

图4为一个相变材料恒温节能通信机房内的相变材料摸板和对流风扇的安装图。

相变材料摸板的数量由机房的大小和相变材料的重量决定，同时它也决定了恒温时间的长短。

实际上相变材料可以用不同的方法和形式安装，而采用制成摸板的形式是因为是安装方便，灵活和美观，而且热交换的效果较好。