摘要：通信機(jī)房內(nèi)設(shè)備散熱量大且集中，用于維持機(jī)房內(nèi)溫度的空調(diào)系統(tǒng)的電費(fèi)支出在機(jī)房電費(fèi)支出中占有很大比例。通信機(jī)房空調(diào)節(jié)能替代品——智能隔離式空氣換熱器就是在這樣的背景下產(chǎn)生的。本文對該設(shè)備的熱工性能、阻力特性等進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)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(diào)運(yùn)行的地區(qū)適用性及節(jié)電效果進(jìn)行了分析研究，結(jié)合工程實(shí)例對其節(jié)能效益進(jìn)行了分析。初步結(jié)果表明該裝置的使用，不僅有顯著的節(jié)能、節(jié)電效果，可以大幅度降低電信行業(yè)的運(yùn)行管理成本，還有助于環(huán)境保護(hù)，促進(jìn)通信行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，增強(qiáng)企業(yè)市場競爭力等。總之，此類設(shè)備的推廣應(yīng)用將有非常重要的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。
關(guān)鍵字：通信機(jī)房 空氣換熱器 熱工性能 節(jié)能效益
1 引言
通信機(jī)房是通信系統(tǒng)的重要組成部分，其內(nèi)部溫濕度和潔凈度等環(huán)境參數(shù)不僅直接影響著通信設(shè)備的可靠運(yùn)行和使用壽命，更關(guān)系到通信的順暢與安全[1]。機(jī)房的空調(diào)降溫、空氣凈化及其運(yùn)行管理始終是通信維護(hù)部門的工作重點(diǎn)之一。
通信機(jī)房現(xiàn)行利用的空調(diào)設(shè)備具有以下特點(diǎn)[2]：設(shè)備散熱量大、散熱量集中。同時，由于機(jī)房內(nèi)沒有特定的濕源，濕量主要來自于工作人員以及滲入機(jī)房的室外空氣，因此濕量很��；空調(diào)送風(fēng)焓差小，風(fēng)量大；機(jī)房內(nèi)部設(shè)備屬于全年不間斷高負(fù)荷運(yùn)行，即使在冬季，也可能存在需要供冷的情況。因此空調(diào)機(jī)在全年的大部分時間均須運(yùn)行，某些情況下須全年運(yùn)行，運(yùn)行周期較長，空調(diào)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(jié)能成為通信機(jī)房設(shè)計中必須考慮的問題之一。適應(yīng)于以上背景研制開發(fā)了通信機(jī)房空調(diào)節(jié)能的替代品——空氣換熱器。目前有下列兩種方式：
⑴ 自然通風(fēng)新風(fēng)系統(tǒng)
當(dāng)室外空氣溫度較低時，直接將室外低溫空氣送至室內(nèi)，為室內(nèi)降溫；當(dāng)室外溫度高，不足以帶走室內(nèi)熱量時，則開啟空調(diào)。
缺點(diǎn)：自然通風(fēng)新風(fēng)系統(tǒng)直接引入室外的空氣，機(jī)房環(huán)境將受外界的影響。因此如何保證機(jī)房的溫度、濕度、潔凈度等滿足通信設(shè)備的要求是一個需要探討的問題。
⑵ 熱交換新風(fēng)系統(tǒng)
采用隔絕換熱方式。只將室外新風(fēng)作為冷源帶走熱量，室外空氣并不直接進(jìn)入室內(nèi)；室內(nèi)空氣通過換熱冷卻后再被送回室內(nèi)。
鑒于自然通風(fēng)新風(fēng)系統(tǒng)的缺點(diǎn)，本文主要研究了熱交換式新風(fēng)系統(tǒng)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(nèi)側(cè)風(fēng)機(jī)、室外側(cè)風(fēng)機(jī)三個主要部分構(gòu)成，還包括金屬保護(hù)外殼以及送風(fēng)管道等附件。換熱器內(nèi)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(cè)空氣進(jìn)口段分別設(shè)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(nèi)外溫差使室內(nèi)外兩側(cè)氣體進(jìn)行熱量交換，從而降低室內(nèi)溫度。工作示意圖見圖1，從室外側(cè)的角度看，室外空氣在室外側(cè)風(fēng)機(jī)的作用下從室外側(cè)送風(fēng)口進(jìn)入裝置本體，然后通過換熱芯體進(jìn)行換熱，從室外側(cè)排風(fēng)口又被排出至室外；從室內(nèi)側(cè)的角度看，室內(nèi)空氣在室內(nèi)側(cè)風(fēng)機(jī)的作用下由室內(nèi)側(cè)送風(fēng)管進(jìn)入裝置本體，然后通過換熱芯體進(jìn)行換熱，再由室內(nèi)側(cè)回風(fēng)管重新回到機(jī)房內(nèi)。
3 實(shí)驗(yàn)測試內(nèi)容及方法
3.1 實(shí)驗(yàn)測試內(nèi)容
本實(shí)驗(yàn)對換熱器的以下幾個方面的性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究：該空氣換熱器的換熱效率，傳熱系數(shù)；換熱量隨風(fēng)量和傳熱換熱溫差的變化規(guī)律以及換熱器阻力隨風(fēng)量的變化規(guī)律。
3.2 實(shí)驗(yàn)方法
實(shí)驗(yàn)溫度測點(diǎn)布置圖2。實(shí)驗(yàn)溫度測點(diǎn)共10個，其中 、 、 、 、 用于測量室內(nèi)溫度值，  用于測量室外溫度值， 、  用于測量換熱器室內(nèi)側(cè)進(jìn)出口空氣溫度，  、  用于測量換熱器室外側(cè)進(jìn)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(diǎn)4個[4]，布置見圖3 ， 、 用于測量換熱器室外空氣側(cè)全壓值，靜壓值和動壓值，并且可以測量換熱器室外空氣側(cè)的阻力。 、  用于測量換熱器室內(nèi)空氣側(cè)全壓值，靜壓值和動壓值，并且可以測量換熱器室內(nèi)空氣側(cè)的阻力。
圖3 實(shí)驗(yàn)壓力測點(diǎn)布置圖
3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)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(biāo)，也是換熱器設(shè)計優(yōu)化的重要依據(jù)。圖4中所示的a)給出了換熱效率隨風(fēng)量的變化關(guān)系，從圖中可以看出隨著風(fēng)速的增加，換熱效率逐漸降低。這主要是因?yàn)�，隨著風(fēng)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(jìn)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(shí)測結(jié)果表明，換熱器熱交換效率在額定風(fēng)量條件下為0.58～0.62，達(dá)到了目前國內(nèi)空氣換熱器性能的先進(jìn)水平，通過對換熱器結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步優(yōu)化，其熱交換效率可進(jìn)一步得到提高。
3.3.2 換熱量隨風(fēng)量的變化
換熱量與風(fēng)量和室內(nèi)外溫差之間的關(guān)系是通信機(jī)房空氣換熱器設(shè)計和風(fēng)機(jī)選配的基本依據(jù)。
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(cè)風(fēng)量的增加，換熱量逐漸變大；由圖5可知道，當(dāng)風(fēng)量一定時，隨著室內(nèi)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(nèi)外溫差成正比，因此隨著是內(nèi)外溫差的增加，換熱量 增大，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論很好地吻合。
3.3.3壓降隨風(fēng)量的變化
換熱器阻力損失隨風(fēng)量的變化關(guān)系是換熱器風(fēng)機(jī)選擇的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，實(shí)測的換熱器壓降隨風(fēng)量的變化關(guān)系見圖6中a)所示。
由圖6中a)可以看出，隨著風(fēng)量的增加，換熱器冷側(cè)的壓力損失也隨之增大。這是由于隨著風(fēng)速的增加，換熱器的阻力也增大，從而造成其損失增大。在風(fēng)量為1500 條件下，換熱器壓降為31.5 。
3.3.4 傳熱系數(shù)隨風(fēng)量的變化
換熱器傳熱系數(shù)的測試結(jié)果見圖6中b)所示。由b)可以看出傳熱系數(shù)隨風(fēng)量的增加而增加，在風(fēng)量為1500 條件下，換熱器傳熱系數(shù)為43  。
3.3.5 不同室外側(cè)進(jìn)風(fēng)溫度時室內(nèi)側(cè)出風(fēng)溫度的變化
表1給出了在換熱器冷、熱側(cè)風(fēng)量為1580 、室內(nèi)發(fā)熱量為7000W條件下，室內(nèi)側(cè)風(fēng)出口溫度隨室外側(cè)風(fēng)進(jìn)口溫度的變化。由表1可以看出，在換熱器風(fēng)量及室內(nèi)發(fā)熱量一定的情況下，室內(nèi)側(cè)風(fēng)出風(fēng)溫度隨室外側(cè)風(fēng)進(jìn)風(fēng)溫度的增高而升高。
4 節(jié)能效果分析
4.1 計算概要
我國幅員遼闊，地形復(fù)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(xué)開發(fā)的建筑能耗分析軟件DEST計算各地區(qū)不同氣候條件下移動基站的全年逐時動態(tài)冷負(fù)荷，進(jìn)而探討該節(jié)能裝置在各地區(qū)的節(jié)能效果，這對于在全國推廣該設(shè)備具有重要意義。
根據(jù)《民用建筑熱工設(shè)計規(guī)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(qū)主要指標(biāo)，全國被劃分為5個區(qū)，即嚴(yán)寒、寒冷、夏熱冬冷、夏熱冬暖和溫和地區(qū)。
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(qū)的氣候特點(diǎn)。在溫度區(qū)間-5℃～20℃范圍內(nèi)的累加時間如圖7所示。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，該溫度區(qū)間可以認(rèn)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(qū)間內(nèi)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(shù)時間在20℃以上，在該溫度區(qū)間內(nèi)的累加時間只有3012h，占全年總時間的34%�；居每諝鈸Q熱器在該溫度區(qū)間內(nèi)的累加時間按照分區(qū)進(jìn)行排序的話，大致可得到以下規(guī)律：溫暖地區(qū)>寒冷地區(qū)>夏熱冬冷地區(qū)>嚴(yán)寒地區(qū)>夏熱冬暖地區(qū)。
4.2 計算條件及結(jié)果
計算以圖8所示基站為計算對象�？紤]到人極少進(jìn)入，根據(jù)室內(nèi)設(shè)定溫度28℃，設(shè)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(shù)0.592W/(m•K)。該基站內(nèi)配有制冷量7kW的空調(diào)，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(fù)荷見圖9所示。由圖可知，由于內(nèi)部熱源發(fā)熱量較大，除哈爾濱等嚴(yán)寒地區(qū)城市外，其他地區(qū)的移動基站均需要全年供冷。
當(dāng)室外溫度在-5℃～20℃范圍內(nèi)，換熱器仍可有效運(yùn)行，根據(jù)DEST提供的基站室外逐時溫度計算得基站逐時冷負(fù)荷，結(jié)合換熱器換熱量與室內(nèi)外溫差的函數(shù)關(guān)系式（1），計算得到換熱器的全年運(yùn)行耗電量；當(dāng)室外溫度不在以上范圍內(nèi)時，若需供冷則啟動空調(diào)，由此統(tǒng)計空調(diào)的運(yùn)行耗電量，換熱器耗電量與空調(diào)耗電量之和為全年換熱器與空調(diào)聯(lián)合運(yùn)行的年總耗電量。
另外，由全年的冷負(fù)荷可計算得到單獨(dú)用空調(diào)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(nèi)溫度，℃；
tw——室外溫度，℃。
據(jù)以上方法計算得到該基站在上述6個城市應(yīng)用空氣換熱器后的節(jié)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(jié)電效果是不同的，昆明節(jié)電量最大，達(dá)3739 kWh，廣州節(jié)電量最小，約1689kWh；節(jié)電量大體依次為溫暖地區(qū)>寒冷地區(qū)、夏熱冬冷地區(qū)>嚴(yán)寒地區(qū)>夏熱冬暖地區(qū)。由圖10(b)可以看出，不同地區(qū)的節(jié)點(diǎn)率是不同的，昆明最高，達(dá)58%，廣州最低，為22%；節(jié)電率大體依次為溫暖地區(qū)>嚴(yán)寒地區(qū)>寒冷地區(qū)>夏熱冬冷地區(qū)>夏熱冬暖地區(qū)。
4 實(shí)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(jié)能設(shè)備有限公司（以下稱：博宇公司）共同對博宇公司生產(chǎn)的智能隔離式空氣換熱器在承德移動公司進(jìn)行了產(chǎn)品性能測試，測試期為16天。主要對基站內(nèi)溫度、潔凈度、節(jié)電率和室外溫度的綜合測試評估，具體結(jié)果見下表所示。
注：測試期間空調(diào)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(jié)電率為56%左右。
注：測試期間空調(diào)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(jié)電率為36%左右。
注：測試期間空調(diào)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(jié)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(diào)降溫的實(shí)地測試，通過分析表明，此測試結(jié)果基本能反映實(shí)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(shí)地測試時，由于記錄時間的一致性不能保證，出現(xiàn)電表計量誤差。
⑵ 數(shù)據(jù)處理受室外溫度的影響很大，用實(shí)地測量數(shù)據(jù)計算節(jié)電率時，室外溫度波動很大，對節(jié)電率的造成很大的影響，致使此結(jié)果不能反映大多數(shù)情況值。
⑶ 此次測試時間為4月末～5月初,由此得到的節(jié)能情況不能反映全年總體節(jié)電率。
⑷ 測試的三個基站年節(jié)電率的不同， 主要受以上幾個因素影響外，還受室內(nèi)發(fā)熱量的影響。室內(nèi)發(fā)熱量越大，節(jié)能效果越明顯。
5 結(jié)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(jié)能性分析可知，我國大部分地區(qū)移動基站用空氣換熱器技術(shù)是可行的，其節(jié)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(diào)運(yùn)行的耗電量的理論分析，表明換熱器在該地區(qū)的節(jié)能效果是顯著的，年節(jié)電率達(dá)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(fā)，不僅具有顯著的節(jié)能、節(jié)電效果，大幅降低了電信行業(yè)的運(yùn)營成本，而且有助于國家的節(jié)能減排工作，對促進(jìn)通信行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，增強(qiáng)企業(yè)市場競爭力具有非常重要的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。
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