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浅析通信机房新风置换系统设计思路 [2007-2-7]来源:正岛电器技术应用开发部
      随着通信设备集成化程度的提高,通信设备的单位体积功率密度增加,设备对温度的要求也越来越严格,通信设备对环境的要求也越来越重要。目前控制机房环境变化的主要手段是通过机房空调进行调节,机房空调的能耗已占到总能耗的一半以上。在企业精细化管理的今天,通过合理可行的方式可以节约大量的能耗,降低维护运行成本。

一、通信机房的新风置换
       1.   新风置换系统的必要性
      目前大量的有源节点并没有配置空调,机房夏季温度高,对设备影响很大,特别是对于蓄电池组,当温度超过25℃,每升高1℃,充电电流上升10%,失水增加1.5%;同时增加了反应热量,提高了电池的反应温度,形成恶性循环。温度每升高10℃,时间使用寿命缩短一半,超过55℃,电池毁灭性损坏。
     随着3G即将实施,新一轮的机房建设呼之欲出,新风置换系统可以做为电信3G机房的配套工程,有效的保护通信设备。
      2.   新风置换装置的计算
      不使用新风置换装置的费用计算:按300W/㎡制冷量计算,假如机房面积在1000㎡,机房空调能效比在3.0(一般舒适性空调在2.5左右),电费0.6元,压缩机年运行时间在70%:(300×1000)/3×24×365/1000×0.6×0.7=36.792万元。
      新风置换装置的计算: Q=V×S×ρ×(h2-h1)式中Q为制冷量,V为风速,S为出风口面积,ρ为空气密度,取1.2,以上公式可以简化Q=M×(h2-h1),其中M=V×S×ρ,为送风量。
       由于即使制冷量一定,焓值随季节变化较大,不便于计算,按使用新风置换装置后,空调运行时间30%,采用10台5.5KW变频风机,年运行时间50%,耗电80%运行,计算如下:(300×1000)/3×24×365/1000×0.6×0.3=15.768万元。5.5×10×24×365×0.6×0.5×0.8=11.56万元。通过计算,可以看到,至少可以节约25%左右的电费。
       若企业每年消耗的电费中50%来自空调,通过新风置换系统每年节约50%的能耗,即总能耗的25%,若每年电费是2000万,则节约500万。对于没有空调设备的农村支局、光节点,通过新风置换降低室内温度,减少通信设备处于高温状态的时间,则可以提高通信的安全性和可靠性,延长设备寿命,特别是蓄电池组的使用寿命,其效益更将是不可忽视。
       空调设备的增加并不仅仅表现在能耗上,需要强调的是系统成本,即空调设备增加――耗电增加――线路增加――变配电设备增加――维护成本增加。
       对于无人光节点和基站可以不使用空调,采用60W风机,风量2000M3/h,噪音低于55分贝,能有效延长设备使用寿命

二、新风置换系统的原理
        置换通风属于下送风的一种,气流从位于侧墙下部的进气风扇强制送入室内,再与室内机房空调送风充分混合后,经导流口进入工作区,吸收人员和设备负荷形成热羽流。在上升过程中,热羽流不断卷吸周围空气,流量逐渐增加。热力分层高度将整个空间分为上下两区,下区空气由下向上呈单向“活塞流”,沿高度方向形成明显的温度梯度和污染物浓度梯度;上区热交换充分的空气一部分被排气扇排出,一部分经空调蒸发器后再次送出。

 三、新风置换系统的设计
        1.系统控制实现方式
        可以使用温湿度传感器、雨量计,由计算机控制通风设备自动开闭换气扇的运行。按照系统调节参数的不同,可以将智能化系统的控制模式划分为三种类型:第一种是自动锁定系统。例如按照设定的温湿度值作为调节参数,使之保持恒定不变或者不超过指定的偏差。通常将它称为“定值调节系统”。一般的空调都采用这种调节方式。第二种称为程序调节系统,即以时间为调节参数,按照事先给定的时间函数来调节系统的运行状态。对于农村电网不稳的地方较为适用。也称为“定时调节系统”。第三种则是随动调节系统。按照设定的室内温湿度值与室外自然气温之间的差值进行调节就是标准的随动调节。它是以一个确定的差值作为调节参数。因此,设定值的确定是空调设计的合理性问题,是直接节能问题。
       2.系统控制基本思路
         系统的运行按照季节的不同,综合室内外温度的情况,分为以下几种:
         ①夏季:由于外界环境温度一般不会低于23℃,对于有空调的机房应关闭新风置换设备,否则会增加室内机房专用空调的热负荷。对于无空调的一般机房、接入网点,当室内外温差在+3℃,均应启动换气散热。
          ②过渡季节:一是判别电路确定室内外温度差在+3℃(可调)以上时,且室外温度低于16℃(可调)高于8℃(可调)时,控制继电器动作,同时开启进排风风扇,关闭空调机组的运行;二是当室内外温度差在+3℃(可调)以上时,室外温度高于16℃,低于23℃时,空调系统自动运行,换气设备同时运行。因为16℃是机房空调送风温度的上限。在与室内热量交换后,一部分排出室外,一部分经过机房专用空调的蒸发器再次循环。当新风置换无法满足机房温度要求时,机房专用空调启动制冷。对于无空调的机房,只要设置超过室内设定温度(如23℃)启动运行,低于停止温度(如20℃)停止运行即可。
          ③冬季:第一种情况与过渡季节的第一种情况相同,新风置换系统连续运行。第二种情况是当室外温度低于8℃(可调)时(由于在干球温度24℃,相对湿度35%时,露点温度是7.81℃),可能出现室内结露情况。此时应开启室内机房专用空调自动运行,新风置换系统根据室内温度正比例控制风扇启动数量,使得室外新风与室内循环风混合,避免设备的过冷导致结露现象,并在湿度过大时空调除湿。
          ④其它情况:室内温度超过温度告警上限(可调),如30 ℃,且高于室外温度,系统判断空调设备故障,控制继电器动作,开启换气系统,强行通风降温。
          ⑤湿度控制:在温度判断的同时,根据室内湿度情况,当到达湿度设定点后,启动空调进行除湿。对于无空调的接入网机房,可以根据测试的室内外湿度的情况,及时启动或关闭新风装置。当雨天或室外湿度大于70%,则关闭;当室内湿度大于室外湿度时则启动新风装置。
          ⑥消防与排烟:系统与烟雾告警设备连接。若告警设备启动,则切断换气设备电源,阻止烟雾蔓延和新鲜空气助燃火势。
          ⑦在进、排风风扇的内外侧加装压力比较装置,用于判断滤网的清洁。
           ⑧系统分为自动和手动模式。当自动系统失效,可手动控制换气设备运行。
          3.温差的设定
         这里指的温差是室内空调回风温度和室外温度的差值。室内外温差值是决定开启新风置换系统的依据,界定温度差的依据可以根据启动换气系统风扇的能耗、使用时间、折旧费用、清洁、更换内外过滤装置的费用来计算。
          4.  进风和排风系统
          ①进风设置在机房北墙或东西墙下部,进风应在地板下与专用空调的送风进行混合,其设计依据是在混合处能保证足够的风压,使得混合充分,混合的目的是保证在室外湿度大的情况下,和室内低焓值空气混合防止结露。②排风口的位置在机房上部外墙,建议在南墙,若在与进风口同侧,应考虑与上层进风口位置错开,避免上层机房进风为换热过的空气。③进风口从满足室内洁净度要求出发,设计内外双滤网,排风口设计单滤网以减少排气阻力,均加铁丝网罩,防止小动物的进入。由于进风和排风系统滤网的不同,导致进风和排风量的差异,机房会形成负压,根据机房正压的需要,进风功率总数应大于排风功率总数。④新风置换风扇的计算可以根据机房换气量的要求,大于等于30次/小时,考虑风扇数量。⑤对于不具备发电机组的节点,可以考虑采用直流48V电机来保证停电时节点内降温不受影响,可以接在一次下电位置。
         5.  湿度的考虑
         通信机房热负荷多为电子元件发热,高显热负荷,在不加湿的情况下,室内空气湿度在30%以下,比较干燥。由于水质较差,碱性大,一般电极式加湿罐一周内即损坏,除非采用红外加湿和其它独立的加湿装置外,机房一般没有加湿。因此,即使进风温度低于室内环境的露点温度,在和室内空调的送风空气混合后,会高于室内环境的露点温度,不会对设备产生影响。室外进风湿度很大,在于室内空调送风混合后,可以改善室内湿度低的状况,反而可以省去室内的加湿设备。若湿度超过机房设定的值,则启动专用空调除湿。
          6.  洁净度要求
         ①设备内部积灰后,一方面影响设备的换热性能,一方面容易吸附水分产生腐蚀,引起电路板等设备的绝缘性能下降,导致故障产生。②在通信机房中,可以采用B级的洁净度,即直径大于0.5微米的灰尘粒子≤3500粒/升,直径大于5微米的灰尘粒子≤30粒/升。远优于指标要求。③在以上进排风系统中已经考虑了滤网,整个空气调节系统中的滤网有进风(2道),机房专用空调(1道),排风(1道,主要考虑在新风置换系统停止运行时,室外新风进入时灰尘的影响)4道滤网,有些设备本身还带有滤网,这样完全可以保证机房洁净度的要求。另外,若所在区域环境差,可以考虑通风置换系统在夜间启动,一般夜间温度较低,且空气中浮尘的颗粒少,将控制系统中串入时间控制继电器,在20:00~07:00时,系统开启运行。
        7.  最小新风量和变风量调节
         ①夏季6~8月,温度几乎不低于23度,若要保持室内空气品质,需要计算最小新风量。在ASJRAE62-1989R中,房间最小新风量由每人最小新风量指标Rp(m3/h)、人员密度(人/m2),与每平方米地板所需最小新风量指标Rb(m3/(m2.h))共同确定,即房间最小新风量(m3/h)=(人员密度×Rp)+Rb×地板面积(m2)。②若调节最小新风量,则需要设计变风量调节系统。调节方式有进风和排风风阀调节、风量匹配调节、静压送风控制、温度或焓值控制、叶片调节、转数调节等。调节方式根据不同的设计思路,实现方式不同。变风量调节系统更加节能的保持室内外温、湿度场的动态平衡。调节系统使空调送风特性发生了较大的变化,这是与定风量系统的重要区别。③简单控制:可以通过定时器控制夏季夜间的短暂通风,或人工控制通风,或完全由温度控制,夏季不通风,减少热负荷。
          8.  加热控制
          加热一是当空调除湿后使用,一是当冬季室外温度过冷加热新风使用。合理的设计机房空调与新风置换装置的联动及变风量系统可以减少加热的使用,节约能源。
          9.  地板下的处理
          活动地板下空间作为机房空调送风风库,地表面一般需进行防潮处理(如涮防潮漆等),并做地面保温处理,保证在送冷风的过程中地表面不会因地面和冷风的温差而结露。在程控机房下的电力室,特别是电池室往往可以在夏季看到机房顶部有大量的冷凝水,这是由于电池间湿度大,顶部空气低于露点温度所致,是一种变相的空调的除湿过程,增加了机房空调的潜热负荷,消耗了大量的能量。
        10.控制精度
        实际系统往往是复杂的,控制精度越高,系统越容易引起振荡。过快的调整反而会产生反弹超调现象。调节时间过短也容易引起振荡。片面地提高控制精度,以缩小调节范围,追求最小调整时间,有时候会适得其反。选择恰当的采样周期和控制函数,使系统输出响应的调整时间、波纹、超调量等指标综合最优化,实现最小调整时间。

四、新风置换系统的优缺点
       优点:(1)最大的优点是解决了能耗的问题,充分利用了自然能源。(2)其次是有效的换气,提供了新鲜、清洁的自然空气,降低了室内的污染物,提高了室内空气品质,使员工工作在一个健康的环境中。(3)延长了机房专用空调设备的使用寿命,减少了故障的发生率,节约了维护成本。(4)对于无空调的机房,特别是接入网点,改善了通信设备的工作环境,延长了设备的使用寿命,提高了网络的安全性。对于蓄电池组,产生的效益更加明显。
         缺点:(1)新风置换系统的引入虽然起到了节能降耗的作用,并有效地改善了室内空气的品质,但增加了系统的复杂性。室内温湿度场、风量的动态稳定性也不如单纯机房空调使用效果好。(2)需要考虑空气过滤器的效率和费用。

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