通信基站通風節能分析

錢瑾

（靖江市產品質量監督檢驗所 江蘇 靖江 214500）

目前暖通空調與通風工程領域內的一些湍流現象主要依靠湍流半經驗理論來解決。對復雜的湍流現象用計算機直接模擬計算，從計算時間、計算機內存容量上講近于不可能。計算流體動力學（computation fluid dynamics，CFD），是通過計算機數值計算和圖像顯示，對包含有流體流動和熱傳導等相關物理現象的分析。湍流的數值計算方法大致分為直接數值模擬 （DNS，Direct Numerical Simulation）[1-2]， 大渦模擬（LES，Large Eddy Simulation）[3-4]和 Reynolds平均法（RANS）3 類。 這樣的分析方法在工程上能夠更好地預測局部流體性能參數，使得暖通空調與通風工程系統設計通過少量的試驗或者不通過試驗，就能夠獲得優化的設計結果。因此，采用數值技術對通信基站的能量與溫度分布模擬，尋求降低基站冷卻能耗的方法，改進基站通風設計，是一個較好的嘗試[5]。

1 物理模型的建立

下面以合肥地區某通信基站設備布置與通風設計作為研究對象。基站房間的尺寸 4.5×4.5×2.9 m3（長×寬×高）。基站房間朝南，在機房背面（北墻）下方集中布置了4個進氣口，開孔高度500 mm，直徑 200 mm，進風速度 3 m/s，進氣溫度27℃。在機房正面（南墻）上方集中布置了4個直徑同樣為200 mm的排氣口，開孔高度2 300 mm，排氣溫度30℃。房間內部布置有蓄電池柜、電源柜、基站主設備、光配、以及配電柜等主要設備，為了簡化模型，其它一些輔助設備，建模時沒有考慮，靠墻擺放的主要設備也簡化為直接與墻面接觸。基站房體的物理模型如圖1所示[6]。

圖1 房間的設備布置Fig.1 Equipments distribution in the communication base station

模擬選用的節能通風系統類型為直排式節能系統，基站內各設備尺寸及功率詳如表1所示。

表1 房間物理模型參數表Tab.1 Parameters of the equipment in the communication base station

2 通信基站工作條件模擬

數值模擬中的邊界條件指的是在數值計算求解區域的邊界上所求解的變量如速度、溫度等或其一階導數隨地點及時間的變化規律。

通信基站機房一般置于室外，因此計算中需考慮太陽輻射的影響，本論文研究夏季機房采取機械通風的可行性，故根據合肥夏季的氣候的特點，選取太陽輻射的強度為1 000 W/m2。機房一般無人值守，因此在一般情況下無需考慮人體和照明光的散熱。本模型的主要邊界類型及條件如下：

1）將基站外墻、屋頂設為熱通量邊界，室內地面則設為溫度邊界，溫度根據逐時計算結果可能出現的最大值時刻選取。基站無外窗，故無需考慮太陽透射。

2）站內主要設備設為熱通量邊界，數值上取其總發熱量與散熱表面積之比。

3）進、出風口分別設定為風速進口邊界和風速出口邊界。

4）風扇進口溫度為 27～40℃，速度為3 m/s（主要考慮夏天時也采取機械通風）。根據氣象臺發布的安徽合肥近年的氣候溫度可知，合肥夏季7月的平均溫度的大致范圍為25～29℃，考慮到可能出現的極限情況，故取最大值40℃，即風扇的進口溫度。由于基站房間正常工作溫度為10～35℃，在不采用空調進行機械通風的條件下，將夏季的基站房間設計溫度設為30℃。

根據室外空氣溫度及太陽輻射強度[7]，將測點取在太陽輻射較強時候的正午13時。該時刻各墻面的熱通量（熱流密度）值如表2所示。

室內電子設備散熱量計算公式[7]：

表2 正午13時各墻面的熱流密度值（W/m2）Tab.2 Heat-flux of the station walls on thirteen o’clock（W/m2）

式中，N為電子設備的安裝功率，kW；η為電子設備的效率；n1為利用系數，系電子設備最大實耗功率與安裝功率之比，一般可取0.7～0.9，可以反映安裝功率的利用情況；n2為負荷系數，指電子設備每小時平均實耗功率與最大設計實耗功率之比，根據使用情況而定，一般儀表取0.5～0.9；n3為同時使用系數，只室內電子設備同時使用的安裝功率與總安裝功率之比，根據工藝過程的設備使用情況而定，一般取0.5～0.8；根據經驗取值，可取發射機的η為85%，其余設備的η為76%，n1為0.8，n2和 n3均為 0.7。根據公式（1）及表 1可算出各設備的散熱量及熱通量，如表3所示。

表3 各設備的散熱面積及熱通量邊界值Tab.3 Equipment cooling area and heat flux boundary value

3 通信基站模型的邊界條件

外墻和屋頂瞬變傳熱形成的逐時負荷公式：

式中，K 為外墻和屋頂的傳熱系數，W/（m2·℃）；F 為外墻和屋頂的計算面積，m2；tl，n為外墻和屋頂的冷負荷溫度的逐時值，℃；tn為室內設計溫度，℃；根據《空氣調節》附錄 2－4的屋頂及墻面結構可查得，基站房間屋頂和墻面的K值及面積。

根據《空氣調節》附錄2－4表4墻面計算溫度逐時值，表5的地點修正值可知合肥地區的地點修正值td。各個方向的地點修正值、一天之內不同時刻各墻面的溫度及冷負荷分別如表4、表5、表6和表7所示。

表4 墻面地點修正值td（合肥地區）Tab.4 Temperature correction value in the Latitude

表5 夏季合肥地區墻面的逐時溫度值/℃Tab.5 Hourly temperature values on each wall in the summer（Hefei China）

表7 太陽輻射能量/WTab.7 Hourly solar thermal-loads on each wall in the summer（Hefei China）

4 模擬結果及其分析

為了簡化模型，采用空調的通信基站在建模時將空調的模型附在風機進口上。邊界條件設定時只修改風機進口溫度為24℃以及出口溫度為30℃，其余邊界條件均不變。

由模擬計算結果可列出正午13時采用空調時通信基站各壁面的溫度值，并與采用機械通風時基站的模擬值做比較，結果列于表8中；圖2、圖3分別為Y=0以及Y=3 400 mm時截面溫度分布圖。

表8 通信基站各壁面溫度比照表Tab.8 Communication base station each wall temperature table

由上述溫度分布圖表可知，房間內部平均溫度為24～25℃，符合基站工作溫度。各墻面的平均溫度均在25℃以下，最高溫度值出現在擺放電池的墻角，約為32℃。這是由于電池架擺放的位置與墻面貼近，熱量不易及時被帶走。除BTS主設備外，站內設備的壁面溫度接近20℃。BTS主設備表面平均溫度為30℃，最高溫度為52℃，可以正常工作。

圖2 Y=0時通信基站截面溫度分布圖Fig.2 Section temperature contour at Y=0

圖3 Y=3 400 mm時通信基站截面溫度分布圖Fig.3 Section temperature contour at Y=3 400 mm

根據進出風口的速度場可知，流線能很好的穿過房間，但不易到達角落，進風處有回流現象，表明風口的開孔位置不夠合理，需要進一步改進。

圖中的溫度場顯示，該基站模型空間的溫度分布最大值為57℃，位于基站主要設備的表面，這個最大溫度值，是在大氣環境溫度為40℃時候，通過數值方法模擬出來，其結果滿足設備運行與使用要求，和設備實際運行情況吻合。

5 結 論

在僅采取機械通風通信基站的方案中，根據各壁面溫度值可知，BTS主設備的表面溫度低于60℃，設備就能長期穩定工作。雖然此方式從節能角度來看具有很大的優勢，但比較接近極限溫度，在合肥地區炎熱的夏季還應該采取適當的補充措施。在計算過程中發現，針對基站房間內可能出現的最高熱負荷，可以采用強化機械通風、單獨對溫升高的基站設備實行強制通風降溫、安裝小型空調冷卻、基站室內地面盡可能不采用架空基礎等等方法，均能夠改善基站設備在夏季極限氣溫條件下的工作條件。基站模型的模擬過程及結果證實了采用數值模擬來對有內熱源、內部有障礙物、考慮輻射的通風房間進行數值模擬是可行的，這樣的計算與模擬方法對空調流場具有足夠的使用精度。這對帶有通風節能系統房間的設計和改進提供了可靠依據，有較普遍的指導意義。

[1]張鏡清.大空間空調數值模擬邊界條件研究 [D].西安：西安建筑科技大學，2006.

[2]柬永保.空調房間送風參數對室內空氣流動影響的數值模擬研究[D].安徽：安徽理工大學，2005.

[3]Feiz A A，Ould-Rouis M，Lauriat G.Large eddy simulation of turbulent flow in rotating pipe[J].International Journal of Heat and Fluid Flow，2003，24（3）：412-420.

[4]Grigoriadis D G E，Bartzis J G，Goulas A.Efficient treatment of complex geometries for large eddy simulations of turbulent flows[J].Computers and Fluids，2004，33（2）：201-222.

[5]任新.空調房間流場和溫度場的數值模擬 [D].哈爾濱：哈爾濱工程大學，2004.

[6]王福軍.計算流體動力學分析[M].北京：清華大學出版社，2004.

[7]薛殿華.空氣調節[M].北京：清華大學出版社，2004.