（制冷及低温工程专业论文）围护结构及换热设备对通信基站能耗影响的研究.pdf

j l j 、j ，j。、，1l， 。旷， r 、 【j!iilllllllllljr l l l l l l i i jflllljjilljlllllllll|1i|1|1i|111iiiiiiiiiiiiilil y 17 8 8 6 3 6 签名：j 砌卜日期型丛 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部 或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：啤 导师签名： ： 1，呐 摘要 摘要 空调能耗占通信基站总能耗很大比例，在过渡季节和冬季利用自然冷源为 基站降温可以有效地降低空调能耗，节能潜力较大。通过分析通信基站能耗特 点及环境要求，建立其能耗模拟模型，对我国不同气候区典型城市的通信基站 的能耗情况进行模拟分析；建立彩钢板基站物理模型，试验分析冬季运行工况 下，1 0 0r n l t l 彩钢板围护结构通信基站的基础室温、空调冷负荷和围护结构散热 量以及提高室内空调设定温度对空调能耗的影响。 本课题模拟研究以18 0t o n i 、2 4 0i i l l t i 、3 7 0r n l t l 砖混墙体和5 0i i l l n 、7 5m m 、 1 0 0m l l 彩钢板围护结构为例，分析不同围护结构通信基站的基础室温特性、围 护结构传热量和空调负荷，以期得到各典型地区通信基站的最佳围护结构；研 究通信基站提高空调设定温度条件后对空调负荷和围护结构传热量的影响；比 较空调系统和空调热虹吸管换热器联合运行对空调能耗的影响，探讨使用热虹 吸管换热器利用自然冷源对通信基站进行降温的全年节能效果；并对搭建基站 的试验数据进行分析和讨论。结果表明： ( 1 )围护结构传热系数越大，室外温度越低，增加围护结构的传热量就 越大，有利于降低空调负荷。其中砖混围护结构中，1 8 0i i l n 砖混墙体的传热系 数大，有利于围护结构散热；彩钢板围护结构的通讯基站中，5 0m i l l 厚彩钢板 围护结构的传热系数大，空调负荷较低。 ( 2 ) 提高室内空调设定温度能够有效地降低空调冷负荷，从2 5 提高 到2 8 ，最高的节能效果达到1 8 7 。 ( 3 ) 与空调系统相比，利用自然冷源的空调热管换热器联合运行节能效 果明显，最高的节能率达到5 6 1 4 。 ( 4 ) 试验结果表明，在冬季工况下，通信基站围护结构传热量约占基站 设备总散热量的1 9 5 ，空调设定温度从2 5 提高到2 8 时，空调能耗降低 约1 0 8 。使用换热器能有效减少基站空调的使用时间，节能效果显著。 在通信基站环境允许温度范围内，选择传热系数大的围护结构、提高室内 空调设定温度、利用自然冷源对于降低通信基站的空调能耗有重要意义。 关键词通信基站；围护结构；空调负荷；热虹吸管换热器；自然冷源 北京t ：l k 大学工学硕士学位论文 i i a b s t r a c t a b s t r a c t t h ea i rc o n d i t i o n i n ge n e r g yc o n s u m p t i o nt a k e sa l a r g ep a r to ft h et o t a le n e r g y c o n s u m p t i o no ft e l e c o m m u n i c a t i o nb a s es t a t i o n ( t b s ) u s i n ga m b i e n te n e r g yt o c o o lt e l e c o m m u n i c a t i o nb a s es t a t i o ni nt h et r a n s i t i o n a ls e a s o n sa n dw i i l t e ri s a n e f f e c t i v em e a s u r e ，w h i c hi n d i c a t e st h a tt h ep o t e n t i a lo f e n e r g ys a v i n gi sc o n s i d e r a b l e b a s i n go nt h ea n a l y s i so ft h ee n e r g yc o n s u m p t i o nc h a r a c t e r i s t i c sa n de n v i r o n m 即t a i r e q u i r e m e n t s ，t h ee n e r g yc o n s u m p t i o nm o d e li ss e tu p ，a n dt h es i m u l a t i o na n a l y s i s a b o u tt e l e c o m m u n i c a t i o nb a s es t a t i o nw i t hd i f f e r e n tb u i l d i n ge n v e l o p e si sc a r r i e do u t u n d e rd i f f e r e n tc o n d i t i o n si nt h et y p i c a la r e a si nd i f f e r e n tc l i m a t i cz o n e si nc h i n a t h et e l e c o m m u n i c a t i o nb a s es t a t i o np r o t o t y p ew i t h10 0m i l ls a n d w i c h p a n e lb u i l d i n g e n v e l o p ei st e s t e d ，t h er o o m - b a s et e m p e r a t u r e ，a i rc o n d i t i o n i n gc o o l i n gl o a da n d b u i l d i n ge n v e l o p eh e a tt r a n s f e rc a p a c i t ya r e a n a l y z e d ， a n dt h ei n f l u e n c ef o r i n c r e a s i n gt h ea i rc o n d i t i o n i n gs e t t i n gt e m p e r a t u r e si sa l s od i s c u s s e di nw m t e f c o n d i t i o ni nb e i j i n g t a k i n gt h eb r i c kw a l lw i t h18 0n l n l 、2 4 0m m 、37 0m n lt h i c k n e s s e sa n dm e s a n d w i c hp a n e lw i t h5 0n l l t i ，7 51 t i i t ia n d10 01 t i n lf o re x a m p l e t h er o o m b a s e t e m p e r a t u r e ，a i rc o n d i t i o n i n gl o a da n db u i l d i n ge n v e l o p eh e a tt r a n s f e rc a p a c i t yo ft h e t e l e c o m m u n i c a t i o nb a s es t a t i o nw i t hd i f f e r e n tb u i l d i n ge n v e l o p e sa r es i m u l a t e d ，f o r c h o o s i n gt h ef a v o r a b l eb u i l d i n ge n v e l o p e t h ea i rc o n d i t i o n i n gl o a da n dt h eb u i l d i n g e n v e l o p eh e a tt r a n s f e rc a p a c i t yi n t h ew h o l ey e a ra r ea n a l y z e du n d e rd i f f e r e n t e n v e l o p em a t e r i a l s ( b r i c ka n ds a n d w i c hp a n e l ) a n dd i f f e r e n ta i rc o n d i t i o n i n gs e t t i n g t e m p e r a t u r e s ( f r o m2 5 t o2 8 ) t h ee f f e c to fa i rc o n d i t i o n i n gs y s t e mc o u p l e d w i t ht h e r m o s i p h o nh e a te x c h a n g e ro nt h ee n e r g yc o n s u m p t i o no fc o m m u n i c a t i o n b a s es t a t i o ni sc o m p a r e dw i t ht h a to fa i rc o n d i t i o n i n gs y s t e m ，a n dt h ee n e r g ys a v i n g e f f e c to ft h e r m o s i p h o nh e a te x c h a n g e rf o rm a k i n gu s eo ft h ea m b i e n te n e r g yi sa l s o d i s c u s s e di nd i f f e r e n ta r e a s t h e t e s tr e s u l t sa r ea l s od i s c u s s e d t h er e s u l t d e m o n s t r a t e st h a t ： ( 1 ) t h eh e a tt r a n s f e r sc a p a c i t yo u t w a r dt h r o u g ht h ee n v e l o p ei sg r e a ta n dt h e e n e r g yc o n s u m p t i o ni sl o w , w h e nt h eh e a tt r a n s f e rc o e 佑c i e n to ft h ee n v e l o p e b e c o m e sb i g g e ra n dt h ea v e r a g eo u t s i d et e m p e r a t u r el o w e r f o rb r i c km a t e r i a l ，t h e e n v e l o p eo f18 0m i i lt h i c k n e s sp e r f o r m sb e t t e rw i t hl a r g e rh e a tt r a n s f e rc o e 伍c i e n t a n di sp r o p i t i o u st ot r a n s f e rt h eh e a to ft h eb a s es t a t i o no u t w a r d f o rs a i l d w i c hp a l l e l m a t e r i a lt h ee n v e l o p eo f5 0n l n lt h i c k n e s sp e r f o r m sb e t t e r ( 2 ) h i g h e ra i rc o n d i t i o n i n gs e t t i n gt e m p e r a t u r e ( f r o m2 5 t o2 8 ) c a n m 北京工业大学t 学硕士学位论文 r e d u c ee n e r g yc o n s u m p t i o ne f f e c t i v e l y , t h eb e s tr e s u l t sc a nr e a c h18 7 ( 3 ) c o m p a r e dw i t ht h ea i rc o n d i t i o n i n gs y s t e m ，a i rc o n d i t i o n i n gs y s t e mc o u p l e d w i t ht h e r m o s i p h o nh e a te x c h a n g e ro b v i o u s l ys a v e se n e r g yw i t ht h er a t eo f5 6 14 ( 4 ) t h et e s tr e s u l t sd e m o n s t r a t et h a tt h eh e a tt r a n s f e rc a p a c i t ya c c o u n t sf o r a b o u t 19 5 o ft h eh e a t g a i n f r o mt e l e c o m m u n i c a t e e q u i p m e n t s i nt h e t e l e c o m m u n i c a t i o nb a s es t a t i o n t h ea i rc o n d i t i o n i n ge n e r g yc o n s u m p t i o nc a n r e d u c eb y1 0 8 t h ee n e r g ys a v i n ge f f e c to f u s i n gt h eh e a te x c h a n g e ri ss i g n i f i c a n t a st h er u n n i n gt i m ef o ra i rc o n d i t i o n i n gi sr e d u c e dm u c h i nt h er a n g eo fa c c e p t a b l ee n v i r o n m e n t a lt e m p e r a t u r e ，t h ea m b i e n te n e r g y s h o u l db eu s e d ，t h eb u i l d i n ge n v e l o p em a t e r i a ls h o u l db ec h o s e nw i t hl a r g e rh e a t t r a n s f e rc o e f f i c i e n ta n dt h ei n d o o rt e m p e r a t u r es h o u l db es e t t i n gh i g h e rt or e d u c e e n e r g yc o n s u m p t i o n k e yw o r d st e l e c o m m u n i c a t i o nb a s es t a t i o n ；b u i l d i n ge n v e l o p e ；a i rc o n d i t i o n i n gl o a d ； t h e r m o s i p h o nh e a te x c h a n g e r ；a m b i e n te n e r g y i v _ 。l 一 ， 下角标 e 换热器 e n v 室外环境 h v a c 空调设备 i 1 1 室内 0 ，o u t 室夕 r 辐射换热 s u n 太阳辐射 t r a n s 通过围护结构传热 希腊字母 7 7 节能率 ，容重，k g m 3 v 北京t 业大学t 学硕七学位论文 v i 1 2 2 传热系数的测量方法7 1 3 本课题的主要工作8 第2 章围护结构和空调负荷的模拟研究1 l 2 1 通信基站模型1l 2 1 1 通信基站负荷特性1 1 2 1 2 通信基站模型一1 2 2 2 基础室温的模拟分析1 3 2 3 空调系统负荷1 7 2 3 1 哈尔滨地区通信基站模拟情况一1 7 2 3 2 北京地区通信基站模拟情况2 0 2 3 3 上海地区通信基站模拟情况2 2 2 3 4 昆明地区通信基站模拟情况一2 4 2 3 5 广州地区通信基站模拟情况一2 6 2 4 提高室内设定温度对空调负荷的影响2 8 本章小结2 9 第3 章利用自然冷源的模拟研究3 1 3 1 自然冷源的利用31 3 1 1 直接引入新风式节能系统3 1 3 1 2 热交换新风系统3 2 3 2 自然冷源的利用潜力3 5 3 3 利用自然冷源时空调负荷分析3 6 v 北京工业大学工学硕士学位论文 3 3 1 节能率计算方法3 6 3 3 2 不同围护结构的节能效果分析3 6 3 4 利用自然冷源典型举例分析4 2 本章小结4 3 第4 章试验基站的研究4 5 4 1 试验基站模型和仪器：j 4 5 4 2 结果分析与讨论4 6 4 2 1 基础室温4 6 4 2 2 围护结构的传热和空调能耗4 7 4 2 3 通信基站利用自然冷源4 8 4 2 4 提高室内设定温度对空调能耗的影响。4 9 本章小结5 l 结论5 3 参考文献5 5 攻读硕士学位期间发表的学术论文一5 9 致i 射6 1 v m 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 本课题的研究背景及相关理论 1 1 1 能源形势和建筑能耗现状 1 1 1 1 能源形势二十一世纪以来，世界能源消耗迅猛增长。而且专家预计， 世界能源消费在2 4 年内( 2 0 0 1 年- 2 0 2 5 年) 将增加5 4 ，全球能源消费总量预 计从2 0 0 1 年的4 3 1 0 1 7 千焦增加到2 0 2 5 年的6 8 1 0 1 7 千焦【。由此可见，当 今世界的能源消耗量十分惊人，已造成世界能源的逐渐枯竭，以及各国能源供 应短缺的严峻形势。能源是经济发展的原动力，是现代文明的物质基础，安全、 可靠的能源供应是实现社会经济发展的基本保障，能源短缺将会严重制约经济 的快速发展，因此，解决未来世纪的能源问题成为人类社会面临的头等大事。 对于我国来说，能源总量上供不应求，供需差距越来越大，供求矛盾日益 突出。一方面是能源供应紧张，另一方面由于粗放型增长的经济模式，能源利 用效率低，污染和浪费现象很严重，我国能源有效利用率仅为3 3 嘣2 1 ，较国际 先进水平低1 0 个百分点。当前的能源形势严重影响我国国民经济的迅速发展， 社会上对能源储备、能源安全的呼声也随之增多。 1 1 1 2 建筑能耗现状国际上，建筑能耗与工业、农业、交通运输能耗并列， 属于民生能耗。建筑能耗在全国能源消耗总量中所占的比例很大，发达国家的 建筑能耗一般占到总能耗的3 0 4 0 【3 】，我国的建筑能耗占总能耗的2 7 8 t 4 1 。 在中国严寒、寒冷北部地区，建筑总能耗超过全国平均数，约占地区总能耗 3 0 0 o , , - 4 0 t 5 。随着全世界能源形势日渐紧张，降低建筑物能耗变成了当今世界 的重要问题。 建筑节能不仅是消极意义上的节省，而且还是积极地提高利用效率1 6 。国 外在建筑节能方面从采用洁净新能源【7 1 、自动智能控制8 1 、改进外围护结构【9 也】 方面开展建筑节能工作。国内虽然展开了大量的相似研究，但是无论在观念上， 还是在措施落实上，与这些发达国家都有很大差距，导致我国的建筑能源利用 效率远低于发达国家，因此实行建筑节能在我国已经成为大家共同关注的重大 热点问题。 1 1 1 3 围护结构和建筑能耗的关系中国地域辽阔，不同地区之间气象条件差异 很大，要在低能耗的条件下获得较好的室内热舒适，以及满足不同建筑室内设 备温度和湿度的要求，需要采取的主要措施也大不相同。根据民用建筑热工 设计标准( g b 5 0 1 7 6 9 3 ) ，全国可分为严寒地区、寒冷地区、夏热冬冷地区、 夏热冬暖地区和温和地区五个气候区【1 3 1 ，这也就要求我们不能以偏概全，必须 具体情况具体分析，在不同的地域结合不同气候区的气候特点以及建筑能耗结 北京下业大学工学硕十学位论文 构进行调查和分析，以期在各个不同的地区都达到最低的建筑能耗。 围护结构是一栋建筑物构成的主体，由外围护结构和内围护结构两部分组 成，适应不同的功能需要。其中，外围护结构包括了外墙、外门窗、屋面和地 面四个部分，内围护结构包括了内墙、楼面、内门窗三部分。对于通信基站来 说，外围护结构包括了外墙、屋面和地面三个部分，没有内围护结构。 对于民用建筑来说，冬、夏两季，房屋内外的热流方向截然不同。冬季， 一般室内温度高：室外温度低，热流必然由室内流向室外；夏季则刚好相反， 一般室内温度低，室外温度高，热流方向是由室内流向室外。在相同的室内外 温差下，建筑围护结构保温隔热性能的好坏，直接影响传出或传入室内热量的 多少。建筑围护结构的保温隔热性能好，通过围护结构的热量就少，采暖空调 设备消耗的能量也就少；反之，就会增加环控设备的能耗，可见围护结构在建 筑中起着非常重要的作用。 1 1 2 通信基站能耗特性 1 1 2 1 通信基站能耗特点分析近年来，随着我国移动通信事业的迅猛发展，通 信基站的数量也与日俱增，据统计，我国2g 通信基站数量达到了5 9 万个左右 ( 中国移动的基站数量达到3 0 多万个【1 4 】，中国联通的基站数量约达到2 9 万个) 【1 5 】。特别是随着第三代移动通信网( 3g ) 建设的启动，更是大大提高了通信基 站的增长速度，我国仅仅2 0 0 9 年一年就建设了2 8 5 万个3g 基站【l4 | 。 基站内的用电设备主要有基站主设备( 基站收、发信机) 、传输设备、电源 设备、空调等4 种。基站主设备每个通信机柜的功耗在5 0 0w 左右，每个基站 通信机柜的数量不等，一般为1 8 个机柜，目前运营商多数基站通信机柜为4 个，即主设备功耗在2k w 左右，传输设备功耗在1 0w 左右，基站基本都采用 高频开关电源，功耗在5 0w 以内，基站空调采用5k w 专用空调，日耗电量平 均在4 3k w h 左右，平均功耗为1 8k w 1 6 1 。由上述设备功耗统计可知，基站总 功耗约为3 8 6k w ，主设备功耗占基站总功耗的5 2 左右，空调功耗约占基站 总功耗的4 7 ，如图1 1 所示。 对通信基站节能技术做全面的分析研究，不但可以从建设节能型通信网络 和开发新技术对现有设备进行节能改造，也可以对基站围护结构进行改造和开 发新型围护结构，通过提高能源利用效率和降低能耗两个方面共同达到节能的 目的。 作为特殊的公共建筑，对通信基站节能降耗的研究既要考虑一般建筑的性 质，又要考虑基站不同于其他民用建筑和公共建筑的特点。根据中华人民共和 国通信行业标准y d t1 8 2 1 2 0 0 8 通信中心机房环境条件要求规定：普通通 信基站温度应保持在1o 3 0 ，相对湿度应保持在2 0 8 5 ，并保证全年不 能凝露，空气洁净度应达到三级。而且由于电信企业机房随业务量忙闲改变不 f i g 1 - 1d i s t r i b u t i o no f 也ee n e r g yc o n s u m p t i o ni nt b s 1 1 2 2 通信基站空调系统特点空调是维持通信基站室内温湿度的重要设备， 通信基站空调系统的服务对象是通信设备，设备单机发热量大，温湿度要求高， 空调系统具有以下特点【1 8 】： ( 1 ) 设备单机散热量大，散热量集中。基站内没有特定的湿源，湿量主 要来自于渗入的室外空气以及偶尔进入基站的工作人员，散湿量很小。 ( 2 )空调的送风焓差小，风量大。基站内的散热主要是显热，热湿比近 似为无穷大，空调器的空气处理过程可近似看作是等湿降温过程，此工况下， 必然造成送风量偏大。 ( 3 ) 基站内部的通信设备全年不间断运行，即使在冬季，也可能存在需 要供冷的情况，空调运行周期长、能耗大。 ( 4 ) 基站设备对空气洁净度要求严格，对新风和送风要进行空气净化处 理。 1 1 3d e s t 模拟软件 1 1 3 1d e s t 软件的发展与特点d e s t 作为建筑环境及其控制系统模拟的通用 平台，是以清华大学建筑技术科学系十余年的科研成果为理论基础，将现代模 拟技术和独特的模拟思想运用到建筑环境和控制系统的能耗模拟工具。 1 9 8 9 年，清华大学建筑技术科学系立足于建筑环境模拟，研发了d e s t ( d e s i g n e rs i m u l a t i o nt o o l k i t s ) 软件。19 9 2 年以前命名为b t p ( b u i l d i n gt h e r m a l p e r f o r m a n c e ) ，之后逐步进入空调系统模拟模块，并命名为i i s a b r e 。从1 9 9 7 年在i i s a b r e 基础上开发针对设计的模拟分析工具d e s t ，将模拟技术更好地 北京t 业大学工学硕士学位论文 投入实际工程应用中，更加方便地解决实际工程设计中的问题。目前d e s t 有 两个版本，应用于住宅建筑的住宅版本( d e s t - h ) 及应用于商业建筑的商建版 本( d e s t - c ) ，并且陆续在国内、欧洲、日本、香港等地区得到广泛应用。 d e s t - h 主要用于住宅建筑热特性指标的计算、住宅建筑热特性影响因素的 分析、住宅建筑的全年动态负荷计算、住宅室温计算、末端设备系统经济性分 析等领域。 d e s t - c 主要用于商业建筑的辅助设计，根据建筑及其空调方案设计的阶段 性，把商业建筑的模拟分成建筑室内热环境模拟、空调方案模拟、输配系统模 拟、冷热源经济性分析几个阶段，对应地服务于建筑设计的初步设计( 研究建 筑物本身的特性) 、方案设计( 研究系统方案) 、详细设计( 设备选型、管路布 置、控制设计等) 几个阶段。 d e s t 作为面向设计的模拟分析工具，充分考虑设计过程的阶段性，提出 “分阶段设计，分阶段模拟 的思路。在不同的设计阶段，存在不同的己知和 未知条件，随着设计的展开，各阶段己知和未知的条件也在不断发生转化，前 一阶段未知的因素通过设计成为本阶段的已知条件。 1 1 3 2d e s t 对建筑的物理模型物理模型的示意图如图1 2 所示。 - 鼍名一一 国_ 与纠 雾 j i lk 殇l厄 链l 、，爹。乳岬 吖谶蠡 一线蝴岫 i - 图1 - 2 建筑热过程的物理模型【1 9 】 f i g 1 2p h y s i c a lm o d e lo ft h eb u i l d i n gh e a tp r o c e s s 对于建筑中的每一个房间，其热过程主要包括四个方面：外扰通过围护结 构的热传递过程、内扰的热传递过程，室内外通风和空调投入量。 一个孤立房间的外扰包括室外气象条件和环境热状况。对于一栋建筑中的 第1 苹绪论 某个房间，其邻室的热状况也可看作一种热扰。这些热扰主要通过围护结构热 传递影响房间内表面温度，并通过对流、辐射影响室内空气温度，太阳辐射透 过窗户直接影响房间内表面温度。 内扰对房间的热作用包括潜热和显热两个方面。设备和人体的散湿伴随着 潜热散热，直接作用于室内空气，立刻影响室内空气的焓值。而照明、设备和 人体的显热散热则以两种方式在室内进行换热，一种是以对流方式直接传给室 内空气，另一种以辐射形式向周围各表面传递，再通过各表面和室内空气之间 的对流换热，逐渐传递给室内空气。 室内外通风直接与室内空气混合，因此室外新风的热量和湿量会立刻影响 室内空气的热状态，改变室内空气的温湿度。空调热量可能以直接送风的方式 进入房间，这种情况与室内外通风类似。但随着各种新的空调方式( 如辐射板) 的出现，空调热量影响室内热环境的方式也不再单一。 图1 2 中各符号含义如表1 1 所示： 表1 - 1 建筑热过程中的各种热扰【1 9 】 t a b l e1 - 1t h e r m a ld i s t u r b a n c e so ft h eb u i l d i n gh e a tp r o c e s s 气 室外空气温度 。 建筑物周围环境温度 白。l l l l d 地下土壤温度 g 0 房间与室外的通风换气量 。e n t 邻室空气温度 酬 房间与邻室的通风换气量 q l i 加 室内灯光扰量 q 。 房间空调设备的供热( 冷) 量 q 删p a n t s 室内人员扰量 d l 各围护内表面之间的长波辐射换热 z i o n g w a v e 咖。吣 室内设备扰量 饵 各围护内表面之间的辐射换热系数 建筑围护外表面与室外空气的对流换热系数 红。 建筑围护内表面与房间内空气的对流换热系数 吃。 建筑围护外表面与周围环境的辐射换热系数 q 盅。d i 鲥。a l l 太阳辐射中被建筑不透明围护外表面吸收的部分 1 2 二。，a d i 。d w j l l 曲w 太阳辐射中被窗户吸收的部分 d 太阳辐射中透过窗户进入室内的部分 互二，t r a n b q a d j 。啪tf a d i 撕彻 墙体靠近邻室侧接收到的邻室的太阳透窗辐射和室内内扰的辐射部分 1 2 本课题相关领域的研究现状 1 2 1 通信基站的节能研究 通信产业中，通信基站的空调降温、空气净化、控制策略和运行管理始终 是通信部门的工作重点之一，其内部温湿度和洁净度等环境因素不仅直接影响 到通信设备的使用寿命和可靠运行，更关系到通信的安全与畅通。为了增强通 北京工业大学r t 学硕七学位论文 信设备的安全可靠性，目前对基站的环境控制不得不采取高投入的方式，因此， 通信基站的耗电问题日益严重。如何在确保通信设备安全正常运行的前提下， 最大限度地降低空调能耗是实现基站节能的关键。 目前存在以下几种节能手段： 1 2 1 1 室外自然冷源的利用在冬季或过渡季节，利用室外自然冷源对基站、 降温，是一种有效的降低基站空调能耗的节能手段。文献 2 0 1 介绍了两种能够 直接利用室外自然冷源对基站环境降温的节能空调，分别运用直接通风和热交 换两种形式，节约大量的电能。文献 2 1 】对利用自然冷源进行隔绝换热的方式 提出了三种节能方案，分析了各种方案的适用范围和效果。文献 2 2 1 对机房空 调技术改造方案进行经济性分析，得到室外自然冷源能有效降低通信机房空调 能耗，实现空调节电3 0 以上。文献 2 3 和 2 4 1 都提出合理充分地利用室外自然 冷源，降低空调能耗。文献 2 5 1 对寒冷地区程控机房利用自然冷源空调节能的 方法进行了探讨，并对几种不同的节能情况及具体参数进行了分析比较。文献 2 6 中保持送进设备区的新风一直接近“露点”温度，充分利用空调系统进行 混合风制冷，达到降低能耗的目的。 1 2 1 2 空调冷凝器辅助水冷系统对于基站的空调系统，2 4 【27 】的空调能耗来 源于空调的制冷系统，对空调冷凝器加以水冷系统，通过使用雾化水对冷凝器 散热、降温，达到节能的目的。文献 2 7 1 q b 提到采用冷凝器的“温压双控雾化 喷淋系统”对南京数据中心机房进行改造，运行结果表明，该系统关闭时，平 均能耗为2 5 0 4 4k w ；该系统开启时，平均能耗为2 2 4 7 5k w ，节能1 0 2 5 。 文献 2 8 1 中提到使用雾化水辅助冷却系统，大大缓解了原先机房内盛夏季节空 调制冷能力不足的现象。运行实践表明，机房空调在高温季节的制冷能力比以 前提高了近1 7 。 1 2 1 3 变频技术要降低空调系统的能耗，除要大力减少冷水机组的能耗之外， 也可以通过减少冷冻及冷却水泵的能耗来达到目的。文献 2 9 1 采用变频调节节 能控制技术( 变流量) 对冷水机组的负荷和冷却泵、冷冻泵的流量进行同步调 节，使之工况点始终落在高效运行区域内，有着显著的节能效果。文献 3 0 中 提到可以采取谐波治理的方法，降低变频的高频宽调制技术对通信设备造成的 干扰，通过改变压缩机的供电频率，调节其转速，达到控制温度的目的。不但 减少了对电网的冲击，而且避免了压缩机频繁启停对设备造成的损伤，实现了 高效节能。 1 2 1 4 自适应控制空调节能系统文献 3 1 中介绍了一种自适应控制空调节能 系统，通过计算机控制空调的开启与关闭，使空调始终处于最佳工作状态，提 高基站设备的安全运行环境，不但降低空调能耗，还延长了空调压缩机的使用 寿命。文献 3 2 中也提到了这种自适应空调节能系统，该系统比较适合各类中 第1 章绪论 心交换局、通信枢纽等大型机房。空调的富余量越大，机房密闭性能越好，节 电效果越好。 1 2 1 5 气流组织科学化文献 2 0 】中提到，为了解决目前机房中存在的局部过热 问题，并使机房内气流组织合理高效，建议一般通信机房在层高满足的条件下 优先采用地板送风方式，从而实现较好的节能效果。经济性分析结果表明，下 送风方式普遍比上送风方式可节约2 0 左右的运行费用，节能效果显著。文献 3 3 中通过对两个实际基站的比较，多方面对比了基站上下送风方式的性能， 得出下送风对发热量大的基站有较高的制冷效率。文献 3 4 中对上海和广州的 两个相同条件的机房做了实地测试，以验证两种送风方式的实际运行效果。结 果表明，两种送风末端的环境温度差了8 ，充分说明了下送风方式的显著优 势。文献 3 5 中对高密度数据处理中心的空气气流组织手段进行了模拟，通过 分析六种不同的系统和气流组织情况，得到最佳的送风方式为地板送风。文献 3 6 中对数据机房的冷却方式进行了回顾和总结，主要对强制对流换热的冷却 效果和气流组织进行了分析研究。文献 3 7 】中对数据中心机房的局部冷却做了 简要的介绍，并比较了不同气流组织的优缺点。文献 3 8 4 0 通过数值模拟和实 验研究等不同的方法，分析对比了不同送风方式的冷却效率、室温分布和气流 流速，结果均表明下送风方式比上送风方式好。 1 2 1 6 节能控制系统文献 4 1 中提到一种机房环境节能控制系统，系统以单片 微机为核心，配以多种监控电路、传感器等。该系统可在无人值守的条件下， 有效地实现对机房内部的环境水泄露、环境温度、湿度的检测，对机房专用空 调的故障和运行状态的检测和控制，并可充分利用自然环境条件调节机房的温 度环境，大大降低了空调能耗。文献 4 2 1 中设计了一种由空调节能子系统和新 风子系统组成的机房节能平台。该平台在保证通信机房环境要求和设备正常运 行的基础上，通过采用利用自然冷源的新风节能系统和其他空调节能的策略达 到降低机房能耗的目的。系统运行和测试的结果表明，该平台在全年各种气候 条件下都具有较好的节能效果。 1 2 2 传热系数的测量方法 传热系数是围护结构的一个重要热工性能参数，它既是衡量围护结构隔热 性能好坏的重要指标，又是计算围护结构传热量的主要依据。建筑围护结构的 热工性能受许多因素的影响，如建筑材料的化学成份、密度、温度、湿度等。 在实际使用中，由于受气候、施工、生产和使用状况等各方面的影响，建筑材 料往往会含有一定水分，这样将会导致建筑物的保温性能下降。目前，建筑材 料热工性能检测主要在实验室完成，在稳态状态下测试材料的热工性能。实验 室测试数据是建筑材料干燥至恒重状态下的测试结果，而工程实际使用的材料 因使用环境的不同，其热工性能及节能效果会有很大差异【4 3 】，因此为验证建筑 北京t 业大学工学硕七学位论文 物围护结构的节能效果，对建筑物围护结构的热工性能进行现场检测非常必要。 文献 4 4 1 中用冷热箱法测定了稳定传热状态下混凝土空心砌块砌体的保温 隔热性能。文献 4 5 中介绍了建筑材料热工性能的实验室检测方法，该研究院 建筑材料热工性能实验室能测试墙体的热阻和传热系数。文献 4 3 介绍了北方 采暖建筑节能现场检测的直接法和间接法。直接法是直接测量入户管道热水的 流量和温度，根据被测采暖建筑的面积、室内外温差和测得的消耗总热量来计 算标准规定温差下建筑物的单位耗热量。间接法先测量建筑围护结构的传热系 数和房间气密性，再根据民用建筑节能设计标准( 采暖居住部分) 计算标准 规定温差条件下建筑物的单位耗热量。 文献 4 6 1 对建筑围护结构现场检测技术进行了研究，并用数值模拟的方法 归纳出适用于不同保温形式围护结构的修正系数。文献 4 7 1 研究了热流计法在 建筑围护结构传热系数测试中的应用，指出热流计法应用于建筑围护结构传热 系数的现场检测应注意的几个问题。文献 4 8 中对防护热箱法在建筑外墙传热 系数检测中的应用进行了研究。文献【4 9 中提出采用非稳态测试方法中的常功 率平面热源法进行建筑围护结构传热系数的检测，对实际传热过程进行了三维 非稳态仿真，并且将神经网络方法引入墙体材料热工性能参数的辨识。 国外建筑物围护结构热工性能的现场检测研究见诸文献报道的较少，而且 也大多是在实验室完成建筑材料的热工性能检测，其检测的性能参数也是在稳 态的条件下完成的，美国在2 0 世纪末出台了检测建筑围护结构热阻热箱法的标 准e 5 0 l 。文献 5 1 中用瞬态热源法测试了多孔建筑材料的导热系数、热扩散系数 和热容。文献 5 2 中对建筑围护结构外表面的对流换热系数进行了现场测试， 提出了建筑物外表面对流换热系数和风速的关系式。文献 5 3 】中用测试单元法 测试了建筑材料的热物性，设计的实验装置能够动态测试建筑材料的传热系数、 导热系数、热容和比热。文献1 5 4 中对真空玻璃的热工性能进行了长达一年的 现场测试，对真空玻璃的保温效果进行了探讨。 1 3 本课题的主要工作 本课题基于不同气候区域的气候条件和通信基站的能耗特点，讨论分析我 国不同气候区通信基站围护结构对空调能耗的影响，在对节能技术研究现状分 析的基础上，从利用室外自然冷源的角度出发，研究了通信基站用热虹吸管换 熟器的节能效果。主要研究内容包括： ( 1 ) 用d e s t 软件对不同气候区的通信基站进行模拟，分析不同围护结 构条件下通信基站的空调负荷和围护结构的传热情况，得到不同地区通信基站 的最佳节能围护结构。 ( 2 ) 针对不同地区不同围护结构的通信基站，软件模拟在通信设备正常 运行前提下，提高空调设定温度对通信基站围护结构传热量和空调负荷的影响。 第1 苹绪论 ( 3 ) 对不同地区不同围护结构通信基站的空调热虹吸管换热器联合系统 能耗进行模拟分析，得到应用热管换热器后对通信基站空调能耗的影响，并对 空调热管换热器联合系统进行经济性分析，得到应用联合系统后不同地区不同 围护结构通信基站的节能效果。 ( 4 ) 通过对北京地区搭建试验基站的测试，得到试验基站围护结构传热 量和空调负荷的关系，分析提高空调设定温度对空调能好的影响，以及应用热 管换热器后的节能效果。 北京工业大学t 学硕十学位论文 1 0 第2 章同护结构和空调负荷的模拟研究 第2 章围护结构和空调负荷的模拟研究 基站作为特殊的公共建筑，降低基站能耗的研究既要考虑一般建筑的性质， 又要考虑其不同于其它民用建筑和公共建筑的特点。结合基站独特的围护结构 特点，以及其中相应空调设备的耗能，才能对基站能耗进行合理全面的分析和 研究，以期达到基站节能降耗的目标。 根据民用建筑热工设计标准( g b 5 0 1 7 6 - - 9 3 ) ，全国可分为严寒地区、 寒冷地区、夏热冬冷地区、夏热冬暖地区和温和地区五个气