通信機房變溫度節(jié)能的智能控制方法

劉曉春，冷柏坤，杜久全，楊 瑞

（1.中國電信遼寧分公司；2.中國電信遼寧省朝陽分公司；3.中國電信遼寧省沈陽分公司）

0 引 言

節(jié)約能源是人類生存和發(fā)展所面臨的重要課題，國家“十二五”發(fā)展規(guī)劃明確將節(jié)能減排作為今后重點工作。我國通信行業(yè)2010年耗電超過300億度，已經(jīng)成為一個高耗能行業(yè)。各大運營商將通信行業(yè)節(jié)能減排工作作為重要工作內(nèi)容。通信企業(yè)現(xiàn)已建成110萬座移動基站，還有數(shù)量龐大的接入網(wǎng)機房。機房（基站）的耗電占了通信行業(yè)耗電的大部分。如何降低機房（基站）耗能，也是能否達到節(jié)能減排目標(biāo)的關(guān)鍵工作。

通信機房（基站）的耗能主要是通信設(shè)備和基站空調(diào)的耗能。據(jù)統(tǒng)計，基站空調(diào)耗能一般占通信基站耗能的45%左右，有的甚至高達60%以上。為降低機房（基站）的能耗，已開發(fā)了通風(fēng)系統(tǒng)、電池恒溫箱系統(tǒng)、熱能交換系統(tǒng)等，這些都在一定條件和程度上達到了節(jié)能的目的。但在高溫季節(jié)，也就是機房最需要冷量的時候，只能依靠機房空調(diào)制冷。因此從機房安全和投資成本出發(fā)，降低空調(diào)運行時間是最有效的節(jié)能手段。

1 電池充電溫度補償原理

1.1 電池充電溫度補償原理

在電池環(huán)境溫度偏離25℃時，充電電壓要隨溫度的變化進行相應(yīng)的調(diào)整。充電電壓與溫度的關(guān)系：

即當(dāng)溫度高于25℃時，充電電壓要相應(yīng)地降低；當(dāng)溫度低于25℃時，充電電壓要相應(yīng)地提高。電池充電的溫度補償把溫度變化對電池的影響降到最低。

1.2 存在的問題及解決方法

傳統(tǒng)機房環(huán)境溫度為單一、恒定溫度，電池充電電壓根據(jù)補償原理及機房溫度來確定。但在溫度補償系統(tǒng)異常時，充電電壓不再與機房溫度同步，這就直接對機房的安全運行、電池壽命等帶來極大的危害。這也是傳統(tǒng)方法不能通過提升機房溫度、啟動電池充電溫度補償來實現(xiàn)節(jié)能的根本原因。

本控制方法將機房溫度和電池溫度補償有機地結(jié)合起來，在啟動溫度補償功能時，監(jiān)測溫度補償狀態(tài)，并根據(jù)補償狀態(tài)，動態(tài)調(diào)整機房溫度。在補償正常情況下，大幅提升機房溫度，實現(xiàn)節(jié)能的目的；在補償異常情況下，降低機房溫度，關(guān)閉補償功能，保證網(wǎng)絡(luò)安全和電池壽命。

2 變溫度節(jié)能智能控制方法

本控制方法綜合電池、電源及空調(diào)工作狀態(tài)及不同階段，通過智能控制空調(diào)實現(xiàn)。

（1）電池充電狀態(tài)（含電池放電后充電和電池定期均充電）：蓄電池的充電反應(yīng)是放熱反應(yīng)，當(dāng)蓄電池處于充電狀態(tài)下，控制空調(diào)保證機房溫度在25℃之間，維持到電池充電結(jié)束并延長一定時間，直到把充電過程放出的熱量散出去。

（2）電池浮充電狀態(tài)：在浮充狀態(tài)下，根據(jù)電池充電電源溫度補償狀態(tài)確定機房的環(huán)境溫度，控制流程如圖1，溫度補償判定如圖2。

（3）在空調(diào)進入送風(fēng)狀態(tài)，延時一定時間（送出空調(diào)剩余的冷量），關(guān)閉空調(diào)（待機狀態(tài)），24小時節(jié)約電量約6 k Wh。

（4）在空調(diào)長期（1個工作日）待機時，關(guān)閉空調(diào)電源（停電狀態(tài)），24小時節(jié)約電量約0.7 k Wh。

圖1 浮充狀態(tài)下的機房溫度控制流程

圖2 溫度補償是否正確判定流程

（5）把機房環(huán)境溫度區(qū)間從原來2℃調(diào)整為4℃，一方面，降低壓縮機啟動次數(shù)，降低啟動能耗；另一方面，延長壓縮機高效工作時的時長，提高空調(diào)工作效率。

（6）檢測空調(diào)運行狀態(tài)，在空調(diào)狀態(tài)異常后，對錯誤運行狀態(tài)糾錯，避免浪費。

（7）在雙空調(diào)基站里，根據(jù)基站的環(huán)境，智能確定主備機、雙機工作還是雙機輪換工作。

3 節(jié)能試驗及效果分析

為測試系統(tǒng)運行狀態(tài)及節(jié)能效果，在8個基站進行了系統(tǒng)安裝測試，其中四個基站進行了掛表對比測試，試驗溫度分別為高溫31℃（29－33℃）、中溫27℃（25－29℃）和低溫25℃。

3.1 溫度及空調(diào)運行狀態(tài)變化

根據(jù)控制器記錄數(shù)據(jù)分析空調(diào)工作狀態(tài)。數(shù)據(jù)整理分三個時段：13時～14時，17時30分～18時30分，22時～23時。試驗基站環(huán)境：活動板房（受日照影響較大），直流66 A，3匹格力柜機空調(diào)，艾默生PS40－30／2電源，中興ZXM－10動環(huán)監(jiān)控系統(tǒng)。

圖3 受控及非受控狀態(tài)3個時間段的溫度變化情況

如圖3所示，灰色曲線表示空調(diào)自控溫度變化趨勢；黑色、淺灰色曲線表示控制器控制下空調(diào)溫度變化趨勢。隨控溫方式的變化，溫度變化趨勢明顯改變（自控狀態(tài)溫度上升快下降慢；受控狀態(tài)溫度上升慢下降快）；壓縮機的運行、停止規(guī)律也明顯改變（自控狀態(tài)運行時間長，停機時間短；受控狀態(tài)運行時間短，停機時間長短）；從表1數(shù)據(jù)可以看出，控制器能大大縮短壓縮機運行時間并減少能耗。壓縮機工作功率2.4 k W，送風(fēng)功率0.24 k W，待機功率0.04 k W。

表1 受控及非受控狀態(tài)空調(diào)運行時長及24小時耗電量

3.2 電池浮充電電流變化

從表2記錄數(shù)據(jù)看，兩種狀態(tài)下電池充電浮充電流無明顯變化。

表2 兩種狀態(tài)下的浮充電流

3.3 節(jié)電絕對值及節(jié)電率分析

從圖4數(shù)據(jù)分析可以看出：

當(dāng)T＜26℃時，空調(diào)受控比不受控24小時節(jié)電（0.24－0.04）＊24＝4.8 k Wh，節(jié)電率83.3%。

當(dāng)26＜T＜33℃，空調(diào)受控比不受控24小時節(jié)電4.32 k Wh與日均最大節(jié)能之間，節(jié)電率在83.3%～100%之間。

當(dāng)33℃＜T時，空調(diào)受控比不受控日均節(jié)電4.32 k Wh與日均最大節(jié)能之間，節(jié)電率無法確定。

圖4 兩種狀態(tài)的能耗及節(jié)電情況

3.4 掛表測試節(jié)能結(jié)果

掛表測試對比 ：單站節(jié)電量700度／月（每月電池浮充電按28天計），年節(jié)約電量近5000度（每年4月—10月空調(diào)運行）。

3.5 電費臺賬對比結(jié)果

節(jié)能試驗于7月份進行。從圖5兩年的電費對比，以及每年1到6月電費變化趨勢，明顯看出試驗的7月已達到了節(jié)省電費效果。從表3可以計算出，在節(jié)能器控制下，單站月節(jié)約電量約570度，年節(jié)約電量約4000度。綜合以上數(shù)據(jù)，該系統(tǒng)節(jié)能效果明顯。

圖5 2010年與2011年8個基站月總電費示意圖

表3 2010年與2011年8個基站月總電費數(shù)值（單位：元）

4 對網(wǎng)絡(luò)運行與電池壽命的影響

該節(jié)能控制系統(tǒng)在7個基站、1個機房（直流負載電流在40 A～120 A之間）試驗運行了8個月，網(wǎng)絡(luò)的各項指標(biāo)沒有明顯變化。

本控制系統(tǒng)只在電池浮充電狀態(tài)、溫度補償補充正常的情況下，才提升機房的溫度。根據(jù)電池技術(shù)及溫度補償原理，電池不會排放任何氣體，不會對基站的安全運行帶來隱患。

根據(jù)表4可以計算出，在溫度為31℃，溫度補償正常狀態(tài)下，對電池壽命影響小于8%。另外，在11月至次年3月空調(diào)不運行期間，機房溫度很低，啟動溫度補償后，還能有效延長電池壽命。

表4 電池壽命與環(huán)境溫度的關(guān)系

對電池來說，浮充電流越大，板柵的腐蝕速度越快，失水也加快，電池壽命相應(yīng)也降低。但從試驗數(shù)據(jù)看，兩種狀態(tài)下浮充電流無明顯變化。

在本控制方法中，在對電池影響極大地充電及均充電過程中，采用的是電池充電的最佳溫度，這也就進一步降低了對電池壽命的影響。

5 變溫度節(jié)能智能控制系統(tǒng)組成及功能

（1）變溫度節(jié)能智能控制器，如圖6所示。

（2）變溫度節(jié)能智能控制系統(tǒng)以智能空調(diào)節(jié)能控制器為核心，結(jié)合智能控制、嵌入式微控制器、計算機網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)，并借助中興監(jiān)控的傳輸網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)組網(wǎng)控制。

（3）采用IP方式進行組網(wǎng)。

（4）全年365天自動對空調(diào)的狀態(tài)進行調(diào)節(jié)控制，且系統(tǒng)除故障和人為停止運行外，會一直起作用。

圖6 智能空調(diào)節(jié)能控制器

（5）可在中心機房對空調(diào)的控制參數(shù)進行調(diào)整和對空調(diào)實行人工控制。

（6）可對空調(diào)狀態(tài)進行實時監(jiān)測，對空調(diào)各種原始數(shù)據(jù)進行記錄，并通過對記錄數(shù)據(jù)分析，來判定空調(diào)的性能。

（7）可在中心機房遠程對控制器進行程序升級。

（8）提供電子電度表接口，可對基站的用電量進行檢測記錄，實現(xiàn)用電量分析。

（9）不改變現(xiàn)有空調(diào)的接線方式和操作方式。

6 與現(xiàn)有節(jié)能系統(tǒng)的比較

（1）節(jié)能效果好。空調(diào)年運行時間越長，節(jié)能效果顯著。

（2）適應(yīng)性強。適用于所有安裝空調(diào)的機房（基站），不受外界條件限制。

（3）設(shè)備投資小，當(dāng)年基本可回收投資。

（4）在設(shè)備搬遷或改造時，重新進行安裝調(diào)試即可。

（5）不影響基站（機房）設(shè)備的正常操作和維護。

（6）大大縮短空調(diào)運行時間，有效延長了空調(diào)壽命。

（7）組網(wǎng)運行，可根據(jù)實際需要，擴展功能。

（8）空調(diào)智能控制器還能和電池恒溫箱、通風(fēng)設(shè)備等現(xiàn)有節(jié)能系統(tǒng)有效地結(jié)合，以達到更佳的節(jié)能效果。

7 結(jié)束語

綜上所述，通信機房變溫度節(jié)能的智能控制方法，在電池溫度補償理論基礎(chǔ)上，以節(jié)能為出發(fā)點，從基本的空調(diào)控制入手，在保證網(wǎng)絡(luò)安全的前提下，實現(xiàn)機房節(jié)能。該控制方法作為一種全新的節(jié)能模式，將徹底地改變傳統(tǒng)機房溫度的控制模式。

［1］ 中國電信集團公司網(wǎng)絡(luò)運行維護部，中國電信股份有限公司廣州研究院.中國電信電源、空調(diào)維護規(guī)程［Z］.2005.

［2］ 山東圣陽電源事業(yè)有限公司.閥控式密封鉛酸蓄電池技術(shù)手冊［Z］，2007.

［3］ 艾默生網(wǎng)絡(luò)能源有限公司.PS48100－2／25智能高頻開關(guān)電源系統(tǒng)技術(shù)手冊［Z］.資料版本 E1－20022223－C－1.0.

［4］ lvxunke.浮充電壓與電池放電深度對UPS鉛酸蓄電池使用影響分析［EB／OL］.