衛星地球站高功放機房內循環風冷系統

陳 超

衛星傳輸通道是一個基本穩定的通道，在整個傳輸過程中受外界環境變化的影響相對比較小，傳輸電平變化一般僅有幾分貝。隨著衛星技術的發展，利用衛星轉發器進行廣播電視節目傳輸效率高、覆蓋廣等優點越來越顯著。目前，衛星傳輸已具備高清、超高清廣播電視節目的上行轉發技術要求，新型廣播衛星具備承載更多高清節目轉發的能力，且全國已經將高清衛視節目上行的省份也有很多。上行站作為衛星廣播電視通信系統中的地面通訊設備站，擔負將衛視和廣播信號發射至衛星轉發器的上行發射工作。高功率放大器（以下簡稱“高功放”）高功放是上行站上行系統中的關鍵設備，作用就是將載波信號放大，通過衛星天饋線系統以波束的方式發射到衛星上。由于高功放是精密的電子元件，所以對機房的溫濕度要求很高，一旦高功放自檢到由于溫度較高、濕度較大等嚴重影響其工作狀態的時候，將自動停止工作，這樣廣播站的信號就無法傳輸到衛星，以至于出現停播事故。歷年的全國上行站安播會議上由于功放問題造成的衛視停播或劣播事故占總的播出事故的比例很高。所以，為了保證高功放正常運行，對功放機房的降溫是必不可少的措施。

河南省廣播電視發射臺的高功放機房內放置有射頻機柜、天控機柜和2個3000WCPI高功放機柜（含四臺CPI高功放）。根據國家新聞出版廣電總局的安全播出要求，不在線的高功放也必須在熱備狀態，當主用系統故障時，確保隨時可以上線進行發射工作。實際的機房內溫控采集數據顯示，每臺功放的出風口溫度都在60 ℃左右；根據高功放的報警門限設置，出風口溫度最高110 ℃，溫差必須控制在55 ℃左右。功放的進風口溫度應該在24 ℃左右；機房整體溫度應保持在20 ℃左右，濕度保持在33%。如果沒有一套好的通風系統，四臺功放在同時開機的情況下，機房內溫度可瞬間高達27、28 ℃，并持續提升，此時功放的進風溫度也會隨之上升。在如此高溫的環境下運行，很容易出現由于溫度過高從而造成安全播出事故。

1 向外強排散熱的缺陷

在設計改造河南省廣播電視發射臺高功放機房內循環風冷系統之前，發射臺一直沿用的是外強排散熱，此設計原理初衷是根據機房實際建立的功放降溫系統。該系統未經過實際的計算，選配空調的時候僅僅考慮空調的作用只是為了機房的降溫。通過功放風機把空調制出的冷空氣抽進高功放內，通過空氣流動，用于對速調管進行降溫。空調不停地對機房制造出冷空氣，高功放風機不斷地吸風和排風，使速調管工作在安全的溫度范圍內。此設計存在一定的缺陷，如下。

（1）由于功放機房是一個相對密閉的空間，當空氣通過高功放速調管冷卻系統排出機房后，機房內部的空氣形成負壓，造成室外空氣和灰塵通過門縫、窗縫等進入機房，這些空氣和灰塵也會被功放風機吸入功放內部。由于未經過濾，這些微小灰塵吸入高功放風機，附著在風扇扇葉上，久而久之，將造成高功放風機性能下降、風量變小、風壓故障。極易造成速調管在高溫狀態下工作，也易使電器元件附著灰塵，造成播出隱患。

（2）在實際工作中，發現伸向室外的風筒設計也存在一定的缺陷。風筒濾塵網周邊空隙較大，對微小灰塵顆粒并未起到很好的過濾效果。河南省廣播電視發射臺地處北方，天氣相對干燥，空氣中浮塵較多，尤其在冬春交替及初春時節，氣候干燥且風沙大，空氣質量差，粉塵顆粒物嚴重。這些流動顆粒物極易進入風道。在靜電庫侖力作用下，會吸附到電路板上，形成一層膜，嚴重影響電路板的穩定性，加速元件老化。久而久之，吸附在電路板上的微小顆粒也會逐步形成“微”電路，極易觸發電子元件短路故障，對安全播出造成很大的影響。外強排散熱對空調的送風量及制冷量并未有很高的要求，只需正常使用的家用空調即可。所以，在選定空調的時候并不十分科學，在機房里極易出現制冷盲區和熱點。

（3）自四臺CPI高功放投入運行后，在周期性的維護檢修中，均發現這一問題：外強排散熱系統的濾塵網常常大面積被粉塵和細小的草根樹葉堵死，導致高功放的出風量大大減小。為確保高功放工作穩定可靠，河南省廣播電視發射臺技術人員決定對高功放機房的外強排散熱系統改造為內循環風冷系統，并更加科學合理地選配空調系統，使之與機房所有設備散熱量匹配，以達到節能減排、資源合理利用的目的，且完全滿足機房環境要求。

2 風冷系統的內循環改造方案

2.1 內循環風冷系統

簡單地說，內循環風冷系統將不再考慮高功放散熱的風道設計，將高功放的風筒放在高功放機房內，機房內的冷熱混合空氣密閉且循環，即：功放排出熱風—空調進行熱冷交換成冷風—功放風機吸入冷風—排出熱風—熱風再進入功放室。

2.2 高功放機房熱量計算

機房內的熱源主要包括高功放（Q1）、墻壁導熱（Q2）、玻璃導熱（Q3）和照明設備（Q4），總熱量計算公式為：

Q=Q1+Q2+Q3+Q4。

河南省廣播電視發射臺采用CPIGEN IVC-Band高功放，額定發射功率3kW，整機功耗8.5kW，其中1臺在線使用，3臺熱備份，正常發射功率為60W，熱備份高功放輸出接入室內吸收負載。因此，4臺高功放產生的熱量可估算為Q1=（4×8.5－0.06）×1×860=122.18kJ/h

墻壁導熱主要考慮到太陽輻射通過機房屋頂、墻壁、樓板等建筑結構傳入室內的熱量，以及室內外溫差所引起的傳熱量。普通混凝土外墻導熱系數為5.86～6.28J/m2h℃，機房墻壁面積實測為145m2，室內外溫差13 ℃（按鄭州市夏季氣溫35 ℃，機房內部22 ℃計算），按以上參數計算：Q2=1.4×145×13=11.05kJ/h。

陽光透過窗戶玻璃射入機房轉化的熱量，一部分通過玻璃被反射，一部分被玻璃吸入機房成為熱負荷。從玻璃射入太陽輻射玻璃導熱（Q3）=0.7×4×127.5=1.49kJ/h。其中0.7為玻璃導熱系數，4為玻璃的面積，127.5為鄭州市夏季通過玻璃進入的太陽輻射熱強度。

照明設備的熱負荷Q4為機房照明的12根36W的日光燈。

Q4=1.0×12×36=1.56kJ/h。確定Q1、Q2、Q3、Q4后，可按照總熱量公式求出機房內的總熱負荷Q=122.18+11.05+1.49+1.56=136.28kJ/h。

根據總熱量可以計算出需要空調的制冷能力P，P=32556.4÷860=37.85kW。10P空調的制冷量為25kW，7P空調的制冷量為16kW，預留10%的余量，為了經濟時效性及安全可靠性，機房在空調選配上采用了兩臺10P空調和一臺7P空調的二備一模式，平日的工作中開啟一臺10P和一臺7P空調滿足機房的制冷需求。該設計符合GB50174-2017對于機房環境的相關技術要求。

2.3 風冷內循環系統的優點

高功放機房改造成內循環通風冷卻系統后，具有以下幾個優點

（1）功放室內溫度穩定，不受外界溫度影響。由于降溫的載體使用空調，且空調的出風口溫度始終在保持在19℃，所以溫度的控制較未改造前的外循環室內通風冷卻系統更容易把控。經河南省廣播電視發射臺技術人員測試，機房溫度常年可以保持在21 ℃左右，高功放的進風口溫可以保持在24 ℃。（2）功放機房室內的衛生更容易保持，減輕了值班人員的工作強度。（3）由于通過計算確定出了空調的功率，再選配空調上有了參考，所以一定程度上整個機房的用電量明顯下降。

3 結語

在內循環風冷系統中，空調的制冷量和出風量是保障機房高功放降溫的關鍵設備，但是空調室外機裸露在外面。在平時的工作中，河南省廣播電視發射臺技術人員結合地處緯度及春秋季節柳絮灰塵比較大的特點，為空調室外機加裝了濾塵紗網，通過紗網來攔截柳絮灰塵等進入空調散熱片，既延長了空調壽命，又可以使空調工作在最佳的狀態。河南省廣播電視發射臺高功放機房的風冷系統改造后，達到了降低高功放溫度及保持機房溫度的效果，且由于通過合理的房間內熱量的計算，為高功放機房選取合適的空調提供了可靠的依據，避免了盲目購買大制冷量、大功率的空調，為單位節約了資金，極大地為安全播出提供了保障。

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