摘要：通信机房内设备散热量大且集中，用于维持机房内温度的空调系统的电费支出在机房电费支出中占有很大比例。通信机房空调节能替代品——智能隔离式空气换热器就是在这样的背景下产生的。本文对该设备的热工性能、阻力特性等进行了实验研究，并采用逐时分析法对通信基站采用隔离式空气换热器间歇代替空调运行的地区适用性及节电效果进行了分析研究，结合工程实例对其节能效益进行了分析。初步结果表明该装置的使用，不仅有显著的节能、节电效果，可以大幅度降低电信行业的运行管理成本，还有助于环境保护，促进通信行业的可持续发展，增强企业市场竞争力等。总之，此类设备的推广应用将有非常重要的经济效益和社会效益。

关键字：通信机房 空气换热器 热工性能 节能效益

1 引言  

　　通信机房是通信系统的重要组成部分，其内部温湿度和洁净度等环境参数不仅直接影响着通信设备的可靠运行和使用寿命，更关系到通信的顺畅与安全[1]。机房的空调降温、空气净化及其运行管理始终是通信维护部门的工作重点之一。
通信机房现行利用的空调设备具有以下特点[2]：设备散热量大、散热量集中。同时，由于机房内没有特定的湿源，湿量主要来自于工作人员以及渗入机房的室外空气，因此湿量很小；空调送风焓差小，风量大；机房内部设备属于全年不间断高负荷运行，即使在冬季，也可能存在需要供冷的情况。因此空调机在全年的大部分时间均须运行，某些情况下须全年运行，运行周期较长，空调耗能大。

　　因此在目前能源状况较为紧张的形势下，能源的有效利用和节能成为通信机房设计中必须考虑的问题之一。适应于以上背景研制开发了通信机房空调节能的替代品——空气换热器。目前有下列两种方式：

　　⑴ 自然通风新风系统
　　当室外空气温度较低时，直接将室外低温空气送至室内，为室内降温；当室外温度高，不足以带走室内热量时，则开启空调。
　　缺点：自然通风新风系统直接引入室外的空气，机房环境将受外界的影响。因此如何保证机房的温度、湿度、洁净度等满足通信设备的要求是一个需要探讨的问题。

　　⑵ 热交换新风系统

　　采用隔绝换热方式。只将室外新风作为冷源带走热量，室外空气并不直接进入室内；室内空气通过换热冷却后再被送回室内。
　　鉴于自然通风新风系统的缺点，本文主要研究了热交换式新风系统的空气换热器（以下简称空气换热器或换热器）。

2 空气换热器的工作原理

　　空气换热器的本体由换热芯体、室内侧风机、室外侧风机三个主要部分构成，还包括金属保护外壳以及送风管道等附件。换热器内部由100块平薄铝板压制而成，单块铝板面积为495×495（ ），总换热面积为495×495×98（ ）。换热器外部包有金属外壳。接口和接缝处用密封胶密封。换热器两侧空气进口段分别设置静压箱。

图 1 空气换热器工作示意图

　　工作原理[3]：利用室内外温差使室内外两侧气体进行热量交换，从而降低室内温度。工作示意图见图1，从室外侧的角度看，室外空气在室外侧风机的作用下从室外侧送风口进入装置本体，然后通过换热芯体进行换热，从室外侧排风口又被排出至室外；从室内侧的角度看，室内空气在室内侧风机的作用下由室内侧送风管进入装置本体，然后通过换热芯体进行换热，再由室内侧回风管重新回到机房内。

3 实验测试内容及方法

3.1 实验测试内容

　　本实验对换热器的以下几个方面的性能进行了实验研究：该空气换热器的换热效率，传热系数；换热量随风量和传热换热温差的变化规律以及换热器阻力随风量的变化规律。

3.2 实验方法 

　　实验温度测点布置图2。实验温度测点共10个，其中 、 、 、 、 用于测量室内温度值， 用于测量室外温度值， 、 用于测量换热器室内侧进出口空气温度， 、 用于测量换热器室外侧进出口空气温度。
　　压力测量的工具是毕托管和斜管微压差计。压力测点4个[4]，布置见图3 ， 、 用于测量换热器室外空气侧全压值，静压值和动压值，并且可以测量换热器室外空气侧的阻力。 、 用于测量换热器室内空气侧全压值，静压值和动压值，并且可以测量换热器室内空气侧的阻力。

图3 实验压力测点布置图

3.3 实验结果分析[5][6]

3.3.1 热交换效率

　　热交换效率是衡量换热器热交换完善程度的重要指标，也是换热器设计优化的重要依据。图4中所示的a)给出了换热效率随风量的变化关系，从图中可以看出随着风速的增加，换热效率逐渐降低。这主要是因为，随着风速的增加，空气在热换热器中停留时间相对缩短，造成冷、热空气在热交换器中还没有进行充分的能量交换即被排出，从而引起了换热效率的下降。实测结果表明，换热器热交换效率在额定风量条件下为0.58～0.62，达到了目前国内空气换热器性能的先进水平，通过对换热器结构的进一步优化，其热交换效率可进一步得到提高。

3.3.2 换热量随风量的变化

　　换热量与风量和室内外温差之间的关系是通信机房空气换热器设计和风机选配的基本依据。

　　由图4中所示的b)可以看出在相同温差下随着换热器室外侧风量的增加，换热量逐渐变大；由图5可知道，当风量一定时，随着室内外温差的变大，换热量也在逐渐增加。理论上说，在其它条件不变的情况下，由换热量计算式可知，换热量与室内外温差成正比，因此随着是内外温差的增加，换热量 增大，实验结果与理论很好地吻合。

3.3.3压降随风量的变化

　　换热器阻力损失随风量的变化关系是换热器风机选择的基础数据，实测的换热器压降随风量的变化关系见图6中a)所示。

　　由图6中a)可以看出，随着风量的增加，换热器冷侧的压力损失也随之增大。这是由于随着风速的增加，换热器的阻力也增大，从而造成其损失增大。在风量为1500条件下，换热器压降为31.5 。

3.3.4 传热系数随风量的变化

　　换热器传热系数的测试结果见图6中b)所示。由b)可以看出传热系数随风量的增加而增加，在风量为1500 条件下，换热器传热系数为43 。

3.3.5 不同室外侧进风温度时室内侧出风温度的变化

　　表1给出了在换热器冷、热侧风量为1580 、室内发热量为7000W条件下，室内侧风出口温度随室外侧风进口温度的变化。由表1可以看出，在换热器风量及室内发热量一定的情况下，室内侧风出风温度随室外侧风进风温度的增高而升高。

4 节能效果分析

4.1 计算概要 

　　我国幅员辽阔，地形复杂。各地由于纬度、地势和地理条件不同，气候差异悬殊。我们考虑利用清华大学开发的建筑能耗分析软件DEST计算各地区不同气候条件下移动基站的全年逐时动态冷负荷，进而探讨该节能装置在各地区的节能效果，这对于在全国推广该设备具有重要意义。

　　根据《民用建筑热工设计规范》（GB50176-93），以累年最冷月（1月）和最热月（7月）平均温度作为分区主要指标，全国被划分为5个区，即严寒、寒冷、夏热冬冷、夏热冬暖和温和地区。

　　本项目选用了DEST附带的中国几个典型城市：北京、哈尔滨、上海、广州、乌鲁木齐和昆明，它们基本上涵盖了上述五个地区的气候特点。在温度区间-5℃～20℃范围内的累加时间如图7所示。根据实验结果，该温度区间可以认为是空气换热器的可能使用时间域。由图7可知，由于全年温度适中，昆明在该温度区间内的累加时间最长，为6849h，占全年总时间的78%；而广州由于大多数时间在20℃以上，在该温度区间内的累加时间只有3012h，占全年总时间的34%。基站用空气换热器在该温度区间内的累加时间按照分区进行排序的话，大致可得到以下规律：温暖地区>寒冷地区>夏热冬冷地区>严寒地区>夏热冬暖地区。

4.2 计算条件及结果

　　计算以图8所示基站为计算对象。考虑到人极少进入，根据室内设定温度28℃，设备散热为1200W。墙体按照37砖墙加膨胀珍珠岩保温考虑，传热系数0.592W/(m•K)。该基站内配有制冷量7kW的空调，且安装一台前面所述隔离式空气换热器。

　　计算求得的全年逐时冷负荷见图9所示。由图可知，由于内部热源发热量较大，除哈尔滨等严寒地区城市外，其他地区的移动基站均需要全年供冷。

　　当室外温度在-5℃～20℃范围内，换热器仍可有效运行，根据DEST提供的基站室外逐时温度计算得基站逐时冷负荷，结合换热器换热量与室内外温差的函数关系式（1），计算得到换热器的全年运行耗电量；当室外温度不在以上范围内时，若需供冷则启动空调，由此统计空调的运行耗电量，换热器耗电量与空调耗电量之和为全年换热器与空调联合运行的年总耗电量。

　　另外，由全年的冷负荷可计算得到单独用空调的年耗电量。
　　Q=1.19487024+0.345493458×(tn-tw)           (1)

式中：
Q——换热器的换热量，kW；
tn——室内温度，℃；
tw——室外温度，℃。 

　　据以上方法计算得到该基站在上述6个城市应用空气换热器后的节电情况见图10。由图10(a)可以看出，不同气候条件下，空气换热器的节电效果是不同的，昆明节电量最大，达3739 kWh，广州节电量最小，约1689kWh；节电量大体依次为温暖地区>寒冷地区、夏热冬冷地区>严寒地区>夏热冬暖地区。由图10(b)可以看出，不同地区的节点率是不同的，昆明最高，达58%，广州最低，为22%；节电率大体依次为温暖地区>严寒地区>寒冷地区>夏热冬冷地区>夏热冬暖地区。

4 实测案例分析

　　2007年4月中国移动承德市分公司与河北博宇节能设备有限公司（以下称：博宇公司）共同对博宇公司生产的智能隔离式空气换热器在承德移动公司进行了产品性能测试，测试期为16天。主要对基站内温度、洁净度、节电率和室外温度的综合测试评估，具体结果见下表所示。

注：测试期间空调开启6天耗电138kwh平均每天耗电23kwh，换热器开启8天耗电81
kwh平均每天耗电10．125kwh，节电率为56%左右。

注：测试期间空调开启6天耗电157kwh平均每天耗电28．16kwh，换热器开启8天耗电145 kwh，平均每天耗电18.125 kwh，四五月份平均节电率为36%左右。

注：测试期间空调开启6天耗电63 kWh，平均每天耗电10．5kWh，换热器开启8天耗电31 kWh，平均每天耗电3.875 kWh，节电率为64%左右。

通过对以上三个基站用空气显热交换器代替空调降温的实地测试，通过分析表明，此测试结果基本能反映实际情况，但是与理论值比较有存在一定误差，主要原因有以下几个方面： 

⑴ 实地测试时，由于记录时间的一致性不能保证，出现电表计量误差。

⑵ 数据处理受室外温度的影响很大，用实地测量数据计算节电率时，室外温度波动很大，对节电率的造成很大的影响，致使此结果不能反映大多数情况值。 

⑶ 此次测试时间为4月末～5月初,由此得到的节能情况不能反映全年总体节电率。 

⑷ 测试的三个基站年节电率的不同， 主要受以上几个因素影响外，还受室内发热量的影响。室内发热量越大，节能效果越明显。   

5 结论

 ⑴通过测试可知，该换热器具有较好的热工性能和阻力特性。

 ⑵由节能性分析可知，我国大部分地区移动基站用空气换热器技术是可行的，其节电效益是显著的。

 ⑶通过对承德市三个基站用空气换热器代替空调运行的耗电量的理论分析，表明换热器在该地区的节能效果是显著的，年节电率达40%左右，与理论分析相吻合。 

综上所述，通信基站用隔离式空气换热器的研发，不仅具有显著的节能、节电效果，大幅降低了电信行业的运营成本，而且有助于国家的节能减排工作，对促进通信行业的可持续发展，增强企业市场竞争力具有非常重要的经济效益和社会效益。 

参考文献

 [1] 中国移动通信企业标准QB—W-004-2006．基站节能系统技术规范—智能换热器部分．
 [2] 李浙，田国庆．浅谈程控交换机房的空调设计[J]．制冷空调与电力机械，2006，23(1)：51-53． 
 [3] 侯福平．通信机房空调系统节能技术探讨．通信电源与机房空调的安全节能[J]．2006(6)：20-21．
 [4] 张子慧．热工测量与自动控制[M]．北京：中国建筑工业出版社，2000：83-88．
 [5] 杨世铭, 陶文铨.传热学（第三版）．北京：高等教育出版社，1998：324-338．
 [6] 周飚．管翅式换热器性能及结构综合优化的热设计方法[D] ．广州：华中科技大学，2004．