節(jié)能新風系統(tǒng)在5G通信機房的應用潛力與節(jié)能策略

摘要：在5G技術的廣泛應用背景下，通信機房面臨的能源消耗尤其是空調系統(tǒng)的高能耗問題，已經引起了行業(yè)的廣泛關注。目前，眾多節(jié)能方案正通過引入新風系統(tǒng)來減少機房內空調系統(tǒng)的依賴，從而達成節(jié)能的目標。本研究的關鍵在于闡明新風系統(tǒng)節(jié)能應用的具體條件，強調只有在合適的環(huán)境下，新風系統(tǒng)的運用才能達到預期的節(jié)能效果。通過精細的數(shù)學建模與計算模擬，本文不僅評估了新風系統(tǒng)在節(jié)能方面的潛能，而且深入分析了其在不同氣候條件下的節(jié)能表現(xiàn)及其應用的限制條件。基于這些發(fā)現(xiàn)，本研究提出了針對新風系統(tǒng)的控制策略，旨在確定最適合的冷卻解決方案。通過參數(shù)設定和控制策略，新風系統(tǒng)展現(xiàn)出其作為節(jié)能及環(huán)境友好冷卻方案的潛力，為5G通信機房能效的優(yōu)化提供了堅實的科學根據(jù)與實踐指南。

關鍵詞：節(jié)能；新風；控制策略；通信機房

一、引言

在5G技術迅速發(fā)展的時代背景下，電信行業(yè)正經歷著一場范式的轉變，這場轉變不僅體現(xiàn)于連接性的顯著增強和數(shù)據(jù)處理能力的提升，更在于能源需求的急劇增加。這種增加在通信機房內尤為明顯，5G基礎設施的推廣帶來了前所未有的能源管理挑戰(zhàn)[1]。

面對這些挑戰(zhàn)，行業(yè)內已開始積極探索和實施各種節(jié)能方案，旨在應對5G技術引發(fā)的能源消耗上升。特別是在通信機房冷卻領域，由于傳統(tǒng)空調冷卻方法的高能耗問題，尋求替代的節(jié)能冷卻解決方案成為行業(yè)的緊迫任務[2]。在眾多方案中，利用新風系統(tǒng)以降低空調能耗的技術受到了廣泛的關注和應用。例如，文獻[3]探討了在夏熱冬冷地區(qū)通過新風節(jié)能系統(tǒng)進行節(jié)能的可能性及其效果，發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)能夠降低室內溫度，減少對傳統(tǒng)空調的依賴。文獻[2]提出了利用AI技術對無線機房能耗進行智能控制的新方法，借助AI系統(tǒng)的實時監(jiān)控和自動調節(jié)功能，減少了關鍵設備的能耗。文獻[4]研究了智能新風系統(tǒng)與空調聯(lián)動的策略，比較了不同控制模式下的節(jié)能效果。

盡管在當前的節(jié)能措施中，采用新風系統(tǒng)作為降低通信機房內空調能耗的方法已經得到了廣泛的討論和實施，但存在一個不容忽視的問題，即這些方案往往未對新風系統(tǒng)進行深入系統(tǒng)建模和精確計算。換句話說，當前的應用策略主要基于經驗和直觀判斷，而不是基于科學、量化的分析。這種情況導致新風系統(tǒng)的運用效率并非最優(yōu)，甚至因為條件判斷失誤而增加能耗。實際上，新風系統(tǒng)的效能受多種因素影響，包括外部環(huán)境溫度、室內熱負荷、風系統(tǒng)設計參數(shù)。缺乏量化分析意味著無法制定科學的開啟策略，例如何時開啟新風系統(tǒng)、以何種速率運行風機，以及如何與現(xiàn)有的空調系統(tǒng)協(xié)同工作，以達到最佳的節(jié)能效果。

因此，為了發(fā)揮新風系統(tǒng)在5G通信機房節(jié)能中的潛力，需要通過科學方法對其進行系統(tǒng)建模和計算。這不僅包括對新風系統(tǒng)本身的建模，還包括其與機房內部環(huán)境的相互作用，以及與其他冷卻設備（如空調系統(tǒng)）的協(xié)同效應。通過這種方法，可以更準確地預測新風系統(tǒng)在各種條件下的性能，從而制定更科學、有效的開啟策略和運行參數(shù)設定。這不僅能夠提高新風系統(tǒng)的節(jié)能效率，還能夠為通信機房的整體能源管理提供理論支持。

二、新風系統(tǒng)節(jié)能的潛力

（一）計算方法和模型

為了準確評估自然冷卻技術的節(jié)能潛力，采用了數(shù)學建模和計算模擬的方法。這些方法可以幫助預測在不同氣候條件下，自然冷卻技術的冷卻效果和能耗節(jié)約程度。通過這種方式，可以對不同地理位置的通信機房進行能效分析，從而為選擇最合適的冷卻方案提供科學依據(jù)。為了評估新風冷卻的節(jié)能潛力，可以使用以下公式計算新風系統(tǒng)的制冷量：

Q = ×ρ×cp×（Tout -Tin）" " （1）

其中：

Q 代表制冷量（通常以千瓦為單位）。

為風機的風速（立方米每秒）。

ρ 為空氣密度（千克每立方米），這個值依賴于溫度和濕度。

cp為空氣的比熱容（焦耳每千克攝氏度），它表示單位質量的空氣在溫度變化一攝氏度時吸收或釋放的熱量。

Tout" 和 Tin 分別是室外和室內的溫度（攝氏度） 。

通過這個公式，可以計算在特定環(huán)境條件下，新風系統(tǒng)能提供多少制冷量。將該制冷量與傳統(tǒng)空調系統(tǒng)的制冷量進行比較，可以直觀看出新風冷卻在節(jié)能方面的潛力。但考慮空氣流動的阻力和系統(tǒng)的效率損失，在原有的制冷量計算公式中引入額外的修正因子。修改后的公式如下：

Q modified = Q ×η×λ" " " （2）

修改后的公式中：

Q modified" 代表考慮阻力和效率損失后的實際制冷量。

Q是原始制冷量計算公式，即 ×ρ×cp×（Tout -Tin）。

η 代表系統(tǒng)的效率因子，考慮系統(tǒng)組件 （如風機、濾網等） 的效率損失。

λ 代表空氣流動的阻力對制冷效果的影響，該值通常小于 1 ，取決于系統(tǒng)設計和空氣流動路徑的復雜性。

這樣的修正可以幫助更準確地評估在實際應用條件下新風冷卻系統(tǒng)的節(jié)能效果。在簡單計算中，系統(tǒng)效率因子（η）和空氣流動阻力的影響（λ）取決于系統(tǒng)設計和操作條件。一般而言，這兩個系數(shù)均小于1，以反映實際效率低于理想狀態(tài)。

對于系統(tǒng)效率因子（η），一個常見的起始點在0.6至0.9之間，取決于系統(tǒng)組件的效率和整體設計。高效的系統(tǒng)會接近0.9，而效率較低的系統(tǒng)更接近0.6。

對于空氣流動阻力影響（λ），該系數(shù)可能會更低，因為空氣動力學阻力顯著影響空氣流動。一個常見的估計值在0.5至0.8之間，取決于管道設計、風機性能和空氣過濾系統(tǒng)。

需要強調的是，這些值僅為一般估計，實際應用中應根據(jù)具體系統(tǒng)設計和操作條件進行調整。最準確的方法是通過測試或工程分析確定這些系數(shù)。對比節(jié)能系統(tǒng)性能時，選擇保守的參數(shù)設定對于獲得客觀和可靠的結論至關重要。因此，本研究中，新風系統(tǒng)效率因子設定為0.9，同時考慮加裝濾網，空氣流動阻力影響設定為0.5。這種設定反映了對系統(tǒng)潛在效率損失的預先考慮，從而確保了評估的嚴謹性。對于立式空調系統(tǒng)，將其性能系數(shù)設定為0.8，即實際制冷量為銘牌上的制冷量的0.8倍。并假設空氣流動阻力影響為1，即沒有額外的阻力損失。這樣的參數(shù)設定在對比分析中引入了一種保守的假設，有助于避免對新風系統(tǒng)性能的過高估計，從而提供更穩(wěn)健的節(jié)能效果評估。

（二）新風系統(tǒng)的節(jié)能潛力

從公式（2）可知，新風系統(tǒng)的制冷效率與室內外溫差及風量直接相關，并非在所有情況下均比空調省電，如公式（3）所示，溫差必須大于?T_min新風系統(tǒng)才能起到節(jié)能效果：

" " （3）

其中：

Q空調 代表空調的制冷量（通常以千瓦為單位）。

P新風 為新風系統(tǒng)的總功率（通常以千瓦為單位）。

P空調 為新風系統(tǒng)的總功率（通常以千瓦為單位）。

以5匹功率的空調系統(tǒng)為例，其制冷能力達到12000瓦，而輸入功率為4500瓦。假定空調效能系數(shù)為0.8，則其每千瓦功率的制冷效果為7680瓦。

對于新風系統(tǒng)，從公式（2）可以得到其制冷能力與室內外溫差及風量直接相關。以一個12寸、風量為2500立方米每小時的風機為例，其功率為280瓦，效能系數(shù)設為0.9。加上濾網后，空氣流動的阻力系數(shù)設為0.5，空氣的比熱容為1.005千焦耳每千克·攝氏度，空氣密度為1.293千克每立方米。在這種條件下，每千瓦功率的制冷效果為5221w×（Tout -Tin ）。因此，當室外溫度比室內溫度低1.5攝氏度時，新風系統(tǒng)能耗將低于空調系統(tǒng)。

新風系統(tǒng)在能耗上有優(yōu)勢，然而需要注意的是，它們的制冷效果較低。在不改變風量的情況下，要達到與5匹空調相同的制冷效果，新風系統(tǒng)的室內外溫差需要達到23.64攝氏度。如果希望在更小的溫差下達到空調的制冷效果，則需要考慮增加更多的系統(tǒng)配置。

總體而言，雖然新風系統(tǒng)在某些條件下能夠提供更高的能效，但在實現(xiàn)與傳統(tǒng)空調相同的制冷效果方面，它們面臨著一定的限制。這意味著在設計機房冷卻方案時，需要綜合考慮制冷需求、能效以及成本效益，以確定最合適的冷卻解決方案。

三、新風節(jié)能系統(tǒng)控制策略

（一）新風系統(tǒng)的節(jié)能效果

新風系統(tǒng)的最大效能依賴于參數(shù)設計和優(yōu)化。通過計算和模擬，可以確定最佳的空氣流量、溫度設定和風道配置，使新風系統(tǒng)在不同情況下達到最佳制冷效果，從而優(yōu)化系統(tǒng)性能。

（二）機房溫度的升溫過程

可以構建一個基于能量平衡模型。假設機房內的溫度變化由新風系統(tǒng)的制冷效果和機房內設備的發(fā)熱量決定，同時忽略其他熱交換途徑（如輻射、導熱等），可以得到一個關于時間的溫度變化方程。考慮機房的溫度變化受新風系統(tǒng)制冷效果和設備發(fā)熱量的影響，假設機房溫度隨時間的變化率（即溫度對時間的導數(shù)）與新風系統(tǒng)的制冷能力和設備發(fā)熱量之差成正比。這個關系可以用下面的微分方程進行描述：

" （4）

其中，

Q新風 =Qmodified=Q×η×λ= ×η×λ×ρ×Cp×（Tin-Tout）

（5）

該微分方程表明，機房溫度的變化率取決于設備發(fā)熱量和新風系統(tǒng)制冷量的差，以及機房空氣的總熱容。要從這個微分方程得到關于時間的機房溫度函數(shù)，需要對方程進行積分，并且知道初始條件，即在 t=0 時的機房溫度 T機房 （0） 。

為了簡化，定義兩個常數(shù) A 和 B ：

" （6）

（7）

微分方程可以重寫為：

" （8）

解微分方程，方程的解是：

（9）

其中， T機房 （0） 是初始時刻 t=0 時的機房溫度。

當t=∞時，機房溫度達到平衡，機房的溫度為：

" （10）

表達式（10）提供了一個直觀的理解，即機房的溫度實際上是機房內設備發(fā)熱量對新風系統(tǒng)制冷效果的調整值加上室外溫度。該結果反映了在給定的機房條件和新風系統(tǒng)配置下，室外溫度和設備發(fā)熱量如何共同影響機房的溫度平衡。特別是當機房設備總功率較低，或者室外溫度較低情況下，新風系統(tǒng)展現(xiàn)顯著的節(jié)能效果，因為較低的外部溫度有助于排除機房內的熱量，同時較低的設備功率也意味著產生的熱量較少，這兩個因素共同作用使新風系統(tǒng)在維持機房溫度平衡方面更加能效高效。

以一個總運行功率為7kW無線機房，以及一個總運行功率為2kW的無線機房為例，使用2500風量的風機，前者機房溫度將比室外溫度高17.24度，后者機房溫度將比室外溫度高4.93度（效率因子被設定為0.9，空氣流動阻力設定為0.5）。80平方米的機房（機房高度3米）的升溫曲線如圖1所示。

其中，縱坐標（Tin-Tout） 室內外溫差 （單位是℃）。橫坐標time 為時間 （單位是小時）。

從圖中可以看出，通過新風系統(tǒng)降溫，機房室內外溫差將在1小時左右達到峰值平衡。

（三）新風系統(tǒng)的開啟策略及建議

從公式（10）可知，機房最終的溫度受室外溫度、設備運行總功率的影響，為了進一步精確機房的溫度管理策略，并確保其既有效又節(jié)能，本文綜合考慮了新風系統(tǒng)與輔助空調系統(tǒng)的協(xié)同作用，旨在通過精確控制，實現(xiàn)機房內溫度的穩(wěn)定與能源消耗的最優(yōu)化：

1.定義機房正常運行的最高溫度Tmax，最高溫度Tmax需要根據(jù)實際情況來定。

2.新風系統(tǒng)散熱能力評估：首先，使用公式（3）計算要達到節(jié)能效果時最低溫差?Tmin，再使用公式（10）結合機房實際功率和室外溫度估算，計算僅通過新風系統(tǒng)散熱時，機房達到平衡狀態(tài)的溫度T。

3.當室外溫度Tout+?Tmin+Tdelta_新風gt;Tmax時，系統(tǒng)能效將比空調要低，因此就沒有開啟新風系統(tǒng)節(jié)能的必要，完全由空調系統(tǒng)對機房進行降溫。其中Tdelta_新風為新風系統(tǒng)關閉的遲滯值，用于避免新風系統(tǒng)頻繁開關，通常設為5℃。

4.在滿足Tout+?Tmin+Tdelta新風lt;Tmax條件基礎上，對系統(tǒng)的開啟策略分兩種情況考慮：

（1）當Tlt;Tmax時的策略：如果Tlt;Tmax，表明僅開啟新風系統(tǒng)就能維持機房溫度在正常運行范圍內。在這種情況下，當室內溫度Tin≥Tmax時啟動新風系統(tǒng)，當 Tinlt;Tmax-Tdelta新風時關閉新風系統(tǒng)，其中Tdelta新風是新風系統(tǒng)關閉的遲滯值，用于避免新風系統(tǒng)頻繁開關，通常設為5℃。

（2）T≥Tmax時的策略：如果T≥Tmax，意味著必須依賴空調系統(tǒng)的輔助冷卻維持機房的正常運行。此時，新風系統(tǒng)應在室內溫度Tin≥Tout+?Tmin時立即開啟（需要確保系統(tǒng)比空調省電的情況下開啟），以減少空調系統(tǒng)的運行時間。空調系統(tǒng)的開啟條件Tin≥Tmax，而關閉條件為Tinlt;Tmax-Tdelta_空調，其中Tdelta_空調是空調系統(tǒng)關閉的遲滯值，用于避免空調系統(tǒng)頻繁開關，通常設為5℃。

四、結束語

在5G技術快速發(fā)展和廣泛應用背景下，通信機房面臨的能源消耗挑戰(zhàn)顯得尤為迫切。特別是空調系統(tǒng)的能耗，在保持設備運行最佳狀態(tài)的同時，也成為能源管理的一大負擔。針對該問題，本研究探討了新風系統(tǒng)在通信機房節(jié)能中的應用潛力及其效果，通過數(shù)學建模和計算模擬的方法，對新風系統(tǒng)的節(jié)能性能進行了評估。

本文的主要發(fā)現(xiàn)包括：新風系統(tǒng)的節(jié)能效果與多種因素有關，如室外溫度、機房內設備的熱負荷以及新風系統(tǒng)自身的設計參數(shù)。通過對這些因素進行綜合考量，新風系統(tǒng)能夠在特定條件下顯著降低空調能耗，從而實現(xiàn)整體能源消耗的降低。基于上述分析，本文提出了新風系統(tǒng)的開啟策略和控制方法，以確保其在滿足機房冷卻需求的同時，達到最佳的節(jié)能效果。然而，新風系統(tǒng)應用也面臨著一定的限制，包括粉塵積累、維護難度增加，這些問題需要通過進一步的技術改進和維護策略進行克服。另外，在控制策略方面仍需要繼續(xù)探索，未來研究應進一步完善新風系統(tǒng)建模和計算方法，探索更高效的控制策略，并考慮實際應用中可能遇到的問題，以推動新風節(jié)能技術在通信機房中的廣泛應用和發(fā)展。

作者單位：梁榮錕 中國移動通信集團廣東有限公司江門分公司

參考文獻

[1]梅輝，李玉昇，唐偉君，等.5G基站智能關斷應用方案探討[J].電信工程技術與標準化，2023，36（S1）：89-95.

[2]陸南昌，柯俊生，劉大洋，等.基于AI技術的無線機房能耗智能管控新思路研究[J].電信工程技術與標準化，2023，36（11）：37-41+92.

[3]張蕾，雷威，楊彬.通信基站新風節(jié)能系統(tǒng)在夏熱冬冷地區(qū)的節(jié)能分析[J].節(jié)能與環(huán)保，2023，（05）：35-37.

[4]雷威.通信基站智能新風系統(tǒng)運行策略研究[J].節(jié)能，2023，42（01）：49-51.