摘要：通信機房內設備散熱量大且集中，用于維持機房內溫度的空調系統的電費支出在機房電費支出中占有很大比例。通信機房空調節能替代品——智能隔離式空氣換熱器就是在這樣的背景下產生的。本文對該設備的熱工性能、阻力特性等進行了實驗研究，并采用逐時分析法對通信基站采用隔離式空氣換熱器間歇代替空調運行的地區適用性及節電效果進行了分析研究，結合工程實例對其節能效益進行了分析。初步結果表明該裝置的使用，不僅有顯著的節能、節電效果，可以大幅度降低電信行業的運行管理成本，還有助于環境保護，促進通信行業的可持續發展，增強企業市場競爭力等。總之，此類設備的推廣應用將有非常重要的經濟效益和社會效益。
關鍵字：通信機房 空氣換熱器 熱工性能 節能效益
1 引言
通信機房是通信系統的重要組成部分，其內部溫濕度和潔凈度等環境參數不僅直接影響著通信設備的可靠運行和使用壽命，更關系到通信的順暢與安全[1]。機房的空調降溫、空氣凈化及其運行管理始終是通信維護部門的工作重點之一。
通信機房現行利用的空調設備具有以下特點[2]：設備散熱量大、散熱量集中。同時，由于機房內沒有特定的濕源，濕量主要來自于工作人員以及滲入機房的室外空氣，因此濕量很小；空調送風焓差小，風量大；機房內部設備屬于全年不間斷高負荷運行，即使在冬季，也可能存在需要供冷的情況。因此空調機在全年的大部分時間均須運行，某些情況下須全年運行，運行周期較長，空調耗能大。
因此在目前能源狀況較為緊張的形勢下，能源的有效利用和節能成為通信機房設計中必須考慮的問題之一。適應于以上背景研制開發了通信機房空調節能的替代品——空氣換熱器。目前有下列兩種方式：
⑴ 自然通風新風系統
當室外空氣溫度較低時，直接將室外低溫空氣送至室內，為室內降溫；當室外溫度高，不足以帶走室內熱量時，則開啟空調。
缺點：自然通風新風系統直接引入室外的空氣，機房環境將受外界的影響。因此如何保證機房的溫度、濕度、潔凈度等滿足通信設備的要求是一個需要探討的問題。
⑵ 熱交換新風系統
采用隔絕換熱方式。只將室外新風作為冷源帶走熱量，室外空氣并不直接進入室內；室內空氣通過換熱冷卻后再被送回室內。
鑒于自然通風新風系統的缺點，本文主要研究了熱交換式新風系統的空氣換熱器（以下簡稱空氣換熱器或換熱器）。
2 空氣換熱器的工作原理
空氣換熱器的本體由換熱芯體、室內側風機、室外側風機三個主要部分構成，還包括金屬保護外殼以及送風管道等附件。換熱器內部由100塊平薄鋁板壓制而成，單塊鋁板面積為495×495（ ），總換熱面積為495×495×98（ ）。換熱器外部包有金屬外殼。接口和接縫處用密封膠密封。換熱器兩側空氣進口段分別設置靜壓箱。
圖 1 空氣換熱器工作示意圖
工作原理[3]：利用室內外溫差使室內外兩側氣體進行熱量交換，從而降低室內溫度。工作示意圖見圖1，從室外側的角度看，室外空氣在室外側風機的作用下從室外側送風口進入裝置本體，然后通過換熱芯體進行換熱，從室外側排風口又被排出至室外；從室內側的角度看，室內空氣在室內側風機的作用下由室內側送風管進入裝置本體，然后通過換熱芯體進行換熱，再由室內側回風管重新回到機房內。
3 實驗測試內容及方法
3.1 實驗測試內容
本實驗對換熱器的以下幾個方面的性能進行了實驗研究：該空氣換熱器的換熱效率，傳熱系數；換熱量隨風量和傳熱換熱溫差的變化規律以及換熱器阻力隨風量的變化規律。
3.2 實驗方法
實驗溫度測點布置圖2。實驗溫度測點共10個，其中 、 、 、 、 用于測量室內溫度值，  用于測量室外溫度值， 、  用于測量換熱器室內側進出口空氣溫度，  、  用于測量換熱器室外側進出口空氣溫度。
壓力測量的工具是畢托管和斜管微壓差計。壓力測點4個[4]，布置見圖3 ， 、 用于測量換熱器室外空氣側全壓值，靜壓值和動壓值，并且可以測量換熱器室外空氣側的阻力。 、  用于測量換熱器室內空氣側全壓值，靜壓值和動壓值，并且可以測量換熱器室內空氣側的阻力。
圖3 實驗壓力測點布置圖
3.3 實驗結果分析[5][6]
3.3.1 熱交換效率
熱交換效率是衡量換熱器熱交換完善程度的重要指標，也是換熱器設計優化的重要依據。圖4中所示的a)給出了換熱效率隨風量的變化關系，從圖中可以看出隨著風速的增加，換熱效率逐漸降低。這主要是因為，隨著風速的增加，空氣在熱換熱器中停留時間相對縮短，造成冷、熱空氣在熱交換器中還沒有進行充分的能量交換即被排出，從而引起了換熱效率的下降。實測結果表明，換熱器熱交換效率在額定風量條件下為0.58～0.62，達到了目前國內空氣換熱器性能的先進水平，通過對換熱器結構的進一步優化，其熱交換效率可進一步得到提高。
3.3.2 換熱量隨風量的變化
換熱量與風量和室內外溫差之間的關系是通信機房空氣換熱器設計和風機選配的基本依據。
由圖4中所示的b)可以看出在相同溫差下隨著換熱器室外側風量的增加，換熱量逐漸變大；由圖5可知道，當風量一定時，隨著室內外溫差的變大，換熱量也在逐漸增加。理論上說，在其它條件不變的情況下，由換熱量計算式可知，換熱量與室內外溫差成正比，因此隨著是內外溫差的增加，換熱量 增大，實驗結果與理論很好地吻合。
3.3.3壓降隨風量的變化
換熱器阻力損失隨風量的變化關系是換熱器風機選擇的基礎數據，實測的換熱器壓降隨風量的變化關系見圖6中a)所示。
由圖6中a)可以看出，隨著風量的增加，換熱器冷側的壓力損失也隨之增大。這是由于隨著風速的增加，換熱器的阻力也增大，從而造成其損失增大。在風量為1500 條件下，換熱器壓降為31.5 。
3.3.4 傳熱系數隨風量的變化
換熱器傳熱系數的測試結果見圖6中b)所示。由b)可以看出傳熱系數隨風量的增加而增加，在風量為1500 條件下，換熱器傳熱系數為43  。
3.3.5 不同室外側進風溫度時室內側出風溫度的變化
表1給出了在換熱器冷、熱側風量為1580 、室內發熱量為7000W條件下，室內側風出口溫度隨室外側風進口溫度的變化。由表1可以看出，在換熱器風量及室內發熱量一定的情況下，室內側風出風溫度隨室外側風進風溫度的增高而升高。
4 節能效果分析
4.1 計算概要
我國幅員遼闊，地形復雜。各地由于緯度、地勢和地理條件不同，氣候差異懸殊。我們考慮利用清華大學開發的建筑能耗分析軟件DEST計算各地區不同氣候條件下移動基站的全年逐時動態冷負荷，進而探討該節能裝置在各地區的節能效果，這對于在全國推廣該設備具有重要意義。
根據《民用建筑熱工設計規范》（GB50176-93），以累年最冷月（1月）和最熱月（7月）平均溫度作為分區主要指標，全國被劃分為5個區，即嚴寒、寒冷、夏熱冬冷、夏熱冬暖和溫和地區。
本項目選用了DEST附帶的中國幾個典型城市：北京、哈爾濱、上海、廣州、烏魯木齊和昆明，它們基本上涵蓋了上述五個地區的氣候特點。在溫度區間-5℃～20℃范圍內的累加時間如圖7所示。根據實驗結果，該溫度區間可以認為是空氣換熱器的可能使用時間域。由圖7可知，由于全年溫度適中，昆明在該溫度區間內的累加時間最長，為6849h，占全年總時間的78%；而廣州由于大多數時間在20℃以上，在該溫度區間內的累加時間只有3012h，占全年總時間的34%。基站用空氣換熱器在該溫度區間內的累加時間按照分區進行排序的話，大致可得到以下規律：溫暖地區>寒冷地區>夏熱冬冷地區>嚴寒地區>夏熱冬暖地區。
4.2 計算條件及結果
計算以圖8所示基站為計算對象。考慮到人極少進入，根據室內設定溫度28℃，設備散熱為1200W。墻體按照37磚墻加膨脹珍珠巖保溫考慮，傳熱系數0.592W/(m•K)。該基站內配有制冷量7kW的空調，且安裝一臺前面所述隔離式空氣換熱器。
計算求得的全年逐時冷負荷見圖9所示。由圖可知，由于內部熱源發熱量較大，除哈爾濱等嚴寒地區城市外，其他地區的移動基站均需要全年供冷。
當室外溫度在-5℃～20℃范圍內，換熱器仍可有效運行，根據DEST提供的基站室外逐時溫度計算得基站逐時冷負荷，結合換熱器換熱量與室內外溫差的函數關系式（1），計算得到換熱器的全年運行耗電量；當室外溫度不在以上范圍內時，若需供冷則啟動空調，由此統計空調的運行耗電量，換熱器耗電量與空調耗電量之和為全年換熱器與空調聯合運行的年總耗電量。
另外，由全年的冷負荷可計算得到單獨用空調的年耗電量。
Q=1.19487024+0.345493458×(tn-tw) (1)
式中：
Q——換熱器的換熱量，kW；
tn——室內溫度，℃；
tw——室外溫度，℃。
據以上方法計算得到該基站在上述6個城市應用空氣換熱器后的節電情況見圖10。由圖10(a)可以看出，不同氣候條件下，空氣換熱器的節電效果是不同的，昆明節電量最大，達3739 kWh，廣州節電量最小，約1689kWh；節電量大體依次為溫暖地區>寒冷地區、夏熱冬冷地區>嚴寒地區>夏熱冬暖地區。由圖10(b)可以看出，不同地區的節點率是不同的，昆明最高，達58%，廣州最低，為22%；節電率大體依次為溫暖地區>嚴寒地區>寒冷地區>夏熱冬冷地區>夏熱冬暖地區。
4 實測案例分析
2007年4月中國移動承德市分公司與河北博宇節能設備有限公司（以下稱：博宇公司）共同對博宇公司生產的智能隔離式空氣換熱器在承德移動公司進行了產品性能測試，測試期為16天。主要對基站內溫度、潔凈度、節電率和室外溫度的綜合測試評估，具體結果見下表所示。
注：測試期間空調開啟6天耗電138kwh平均每天耗電23kwh，換熱器開啟8天耗電81
kwh平均每天耗電10．125kwh，節電率為56%左右。
注：測試期間空調開啟6天耗電157kwh平均每天耗電28．16kwh，換熱器開啟8天耗電145 kwh，平均每天耗電18.125 kwh，四五月份平均節電率為36%左右。
注：測試期間空調開啟6天耗電63 kWh，平均每天耗電10．5kWh，換熱器開啟8天耗電31 kWh，平均每天耗電3.875 kWh，節電率為64%左右。
通過對以上三個基站用空氣顯熱交換器代替空調降溫的實地測試，通過分析表明，此測試結果基本能反映實際情況，但是與理論值比較有存在一定誤差，主要原因有以下幾個方面：
⑴ 實地測試時，由于記錄時間的一致性不能保證，出現電表計量誤差。
⑵ 數據處理受室外溫度的影響很大，用實地測量數據計算節電率時，室外溫度波動很大，對節電率的造成很大的影響，致使此結果不能反映大多數情況值。
⑶ 此次測試時間為4月末～5月初,由此得到的節能情況不能反映全年總體節電率。
⑷ 測試的三個基站年節電率的不同， 主要受以上幾個因素影響外，還受室內發熱量的影響。室內發熱量越大，節能效果越明顯。
5 結論
⑴通過測試可知，該換熱器具有較好的熱工性能和阻力特性。
⑵由節能性分析可知，我國大部分地區移動基站用空氣換熱器技術是可行的，其節電效益是顯著的。
⑶通過對承德市三個基站用空氣換熱器代替空調運行的耗電量的理論分析，表明換熱器在該地區的節能效果是顯著的，年節電率達40%左右，與理論分析相吻合。
綜上所述，通信基站用隔離式空氣換熱器的研發，不僅具有顯著的節能、節電效果，大幅降低了電信行業的運營成本，而且有助于國家的節能減排工作，對促進通信行業的可持續發展，增強企業市場競爭力具有非常重要的經濟效益和社會效益。
參考文獻
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