馬宏坤

　?。ㄖ型ǚ?jié)能技術(shù)服務(wù)有限公司，江蘇 南京 210003）

　　摘  要： 隨著通信行業(yè)的迅猛發(fā)展，通信基站數(shù)量越來越大，能耗總量很可觀。在不增加基站的日常維護(hù)工作量的情況下，尋找一種有效、穩(wěn)定節(jié)能，投資收益又合理的節(jié)能技術(shù)，是運(yùn)營商迫在眉睫的事情。利用碳?xì)淅涿?/a>更換R22冷媒就是一種有效改造方案。本文從基站能耗狀況入手，分析了環(huán)境及話務(wù)量對于通信主設(shè)備能耗的影響以及環(huán)境對于空調(diào)效率及機(jī)房熱負(fù)荷的影響，評估了空調(diào)碳?xì)淅涿礁脑斓墓?jié)能效果，列出了推廣過程中需要注意的事項(xiàng)。

　　關(guān)鍵詞： 碳?xì)淅涿剑?a class="innerlink" href="http://ihrv.cn/tags/天然冷媒" title="天然冷媒" target="_blank">天然冷媒；通信機(jī)房

0 引言

　　對于通信基站來說，能耗主要發(fā)生在開關(guān)電源轉(zhuǎn)換效率損耗、通信設(shè)備能耗、機(jī)房空調(diào)能耗等三個(gè)方面。電源的轉(zhuǎn)換效率，在一個(gè)已經(jīng)建成的基站中，基本處于一個(gè)恒定值，該效率值有一定提高空間，但本文不打算做討論。本文重點(diǎn)關(guān)注通信主設(shè)備能耗和機(jī)房空調(diào)能耗與環(huán)境及系統(tǒng)忙閑有什么樣關(guān)系，機(jī)房空調(diào)制冷能效比如何測定，碳?xì)淅涿降墓?jié)能效果如何，利用碳?xì)淅涿介_展基站空調(diào)節(jié)能改造工作的時(shí)候需要關(guān)注哪些內(nèi)容。

1 通信主設(shè)備能耗的影響因素

　　通信設(shè)備能耗一方面與其自身的設(shè)計(jì)特性有關(guān)，另一方面與通信設(shè)備的負(fù)荷（通常用話務(wù)量來描述）也有一定關(guān)系。為了研究話務(wù)量忙閑對于通信設(shè)備能耗的影響，中通服節(jié)能技術(shù)服務(wù)有限公司利用自主研發(fā)的空調(diào)能耗測量評估平臺每分鐘采集一次基站室外環(huán)境溫度、通信設(shè)備耗能、空調(diào)耗能等參數(shù)，再結(jié)合從運(yùn)維系統(tǒng)中提取的話務(wù)量數(shù)據(jù)綜合分析，取得了一些量化成果。

　　2.1 話務(wù)量的變化規(guī)律

　　2.1.1 話務(wù)量在每天不同時(shí)段的變化規(guī)律

　　基站話務(wù)量總體平均值分布如圖1所示，其在一周不同天的平均值分布如圖2所示。

　　2.1.2 話務(wù)量在工作日和休息日的變化規(guī)律

　　基站周一至周五的平均值和周末的平均值對比情況如圖3所示。

　　從上述圖中可以清晰地看出：①工作日和休息日話務(wù)量曲線變化趨勢(如峰谷時(shí)間)基本保持一致，符合正常的作息規(guī)律；②用戶休息日的通信活動明顯小于工作日。

　　2.2 話務(wù)量的變化對通信設(shè)備能耗的影響

　　對采集的通信主設(shè)備功率在一天不同時(shí)間段的變化做了統(tǒng)計(jì)，如圖4和圖5所示。

　　為了直觀分析其與話務(wù)量之間的關(guān)系，把話務(wù)量作為橫軸，設(shè)備功率作為縱軸，如圖6和圖7所示。

　　從圖7可以看出，在兩個(gè)基站的話務(wù)量與主設(shè)備功率之間都可以擬合出一條線性關(guān)系方程，尤其是凱豪大酒店的擬合度相當(dāng)高，充分說明它們之間是存在線性相關(guān)的關(guān)系。

　　設(shè)凱豪大酒店主設(shè)備功率為y(單位為kW),話務(wù)量為x，則y=0.001x+3.7678?？梢岳斫鉃檫@個(gè)基站的主設(shè)備的基礎(chǔ)功率為3.7678 kW, 話務(wù)量每增加1（話務(wù)量增加1的意思通俗地講就是同時(shí)在線通話用戶數(shù)增加一個(gè)），主設(shè)備功率就增加1 W。珠江路基站則是話務(wù)量每增加1，主設(shè)備功率就增加0.9 W。

　　珠江路基站的擬合度較低，是由于珠江路基站的基礎(chǔ)功率低,只有約1.66 kW,導(dǎo)致功率變化值即使一樣，相對于基礎(chǔ)值來講離散度也變得較大(反映在圖7中就是那條散點(diǎn)圖形成的線看起來比較粗)。

3  基站機(jī)房空調(diào)能耗的影響因素

　　機(jī)房空調(diào)耗能主要有兩大要素：空調(diào)制冷效率和機(jī)房內(nèi)對總冷量需求。而這兩大因素都受外界溫度變化影響。

　　3.1 外界溫度對于空調(diào)效率的影響

　　壓縮機(jī)的工作原理是壓縮氣態(tài)制冷劑，使得高溫的氣態(tài)制冷劑進(jìn)入冷凝器，通過冷凝器向外界傳熱，然后在一定的壓力和溫度下，冷凝為液態(tài)制冷劑，送到蒸發(fā)器內(nèi)吸收熱量，如此循環(huán)。從這個(gè)過程中可以看出，外界溫度變化，將直接導(dǎo)致氣態(tài)制冷劑冷凝溫度點(diǎn)的變化，而每種冷媒在不同冷凝溫度下對應(yīng)的飽和壓力是不同的(見表1和表2)。在不超過臨界溫度下，溫度越高，要求的壓力就越大，壓縮機(jī)阻力就增大，同樣的運(yùn)動行程做的功就越多，所以耗能也就增大。

　　從表2可以統(tǒng)計(jì)出，在5℃～40℃，R22冷凝壓力對應(yīng)每℃的變化率平均值在2.81%。ER445B冷凝壓力對應(yīng)每℃的變化率平均值在2.57%。需要注意的是這里用的是相鄰兩個(gè)溫度點(diǎn)之間的相對變化率。

　　綜上所述，壓縮機(jī)耗電功率的變化是由制冷劑飽和壓力溫度數(shù)據(jù)決定的?？照{(diào)能效比是制冷量/耗電功率，故采用R22冷媒的空調(diào)，溫度每上升1℃，空調(diào)耗電功率相對于前一個(gè)相鄰溫度點(diǎn)上升2.81%，能效比則相對于前一個(gè)相鄰溫度點(diǎn)下降1/(1+2.81%) = 2.73%，所以得到式（1）：

　　EERt1=EERt0*(1-2.73%)(t1-t0)   （1）

　　采用ER445B碳?xì)淅涿降目照{(diào)，溫度每上升1℃，能效比則相對于前一個(gè)相鄰溫度點(diǎn)下降1/(1+2.57%)=2.5%，所以得到公式(2)：

　　EERt1=EERt0*(1-2.5%)(t1-t0)(2)

　　注： t0: t0溫度點(diǎn)，t1: t1溫度點(diǎn)，EER：空調(diào)制冷能效比

　　式(1)表示采用R22冷媒的空調(diào)，在t0溫度點(diǎn)空調(diào)壓縮機(jī)的能效比EERt0和在t1溫度點(diǎn)的能效比EERt1之間的關(guān)系。公式(2)表示采用ER445B冷媒的空調(diào)上述兩個(gè)能效比之間的關(guān)系。

　　3.2 外界溫度對于空調(diào)負(fù)載的影響

　　通信基站內(nèi)由空調(diào)控制在一個(gè)恒定的溫度，比如25℃。當(dāng)外界溫度高于25℃時(shí)，就會通過墻體向機(jī)房內(nèi)傳熱，從而增加空調(diào)負(fù)載；反之，則向外散熱，減少空調(diào)負(fù)載。這個(gè)通過墻體傳導(dǎo)的熱量就是外界溫度對于空調(diào)負(fù)載影響的體現(xiàn)。

　　通過墻體傳導(dǎo)的熱量等于空調(diào)產(chǎn)生的總冷量(等于機(jī)房總發(fā)熱量)減去通信設(shè)備的發(fā)熱量。

　　要測量空調(diào)產(chǎn)生的總冷量，可以采用空調(diào)的耗電×空調(diào)制冷效率得到。空調(diào)制冷效率與外界溫度密切相關(guān)，而外界溫度是隨時(shí)變化的。評估系統(tǒng)用每次采集的環(huán)境溫度下實(shí)時(shí)空調(diào)制冷效率與所耗電能的乘積在時(shí)間軸上做積分處理，結(jié)果的準(zhǔn)確性與評估系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)的密度相關(guān)。為了保證準(zhǔn)確性，本系統(tǒng)每分鐘采集一次數(shù)據(jù)，由于外界溫度一分鐘內(nèi)的變化很小，在此期間空調(diào)制冷效率基本保持不變，從而保證結(jié)果相對準(zhǔn)確。

　　3.2.1 空調(diào)壓縮機(jī)的制冷能效比

　　空調(diào)耗電部件主要由壓縮機(jī)和風(fēng)扇及控制部分組成，基站空調(diào)的待機(jī)功耗（風(fēng)扇及控制部分的能耗）不起制冷作用，反而是熱源。為了精確計(jì)算，利用空調(diào)壓縮機(jī)的制冷能效比，而不是整機(jī)的能效比。這么一來，壓縮機(jī)的功耗就是空調(diào)的總功耗減去空調(diào)待機(jī)功耗，而設(shè)備發(fā)熱負(fù)荷則變?yōu)橹髟O(shè)備功耗加空調(diào)待機(jī)功耗。

　　考慮到機(jī)房內(nèi)設(shè)置在25℃，可以認(rèn)為當(dāng)外界環(huán)境溫度介于24.5℃～25.5℃之間時(shí)，機(jī)房內(nèi)外熱傳導(dǎo)的熱量可以忽略不計(jì)。利用系統(tǒng)采集的大量數(shù)據(jù)，從中挑出外界環(huán)境溫度介于24.5℃～25.5℃的部分統(tǒng)計(jì)分析，得到表3。

　　其中待機(jī)功率就是空調(diào)風(fēng)扇和控制部分的耗電功率；壓縮機(jī)平均功率 =空調(diào)平均功率-待機(jī)功率；熱負(fù)荷功率=主設(shè)備功率+待機(jī)功率；壓縮機(jī)制冷能效比=熱負(fù)荷功率/壓縮機(jī)平均功率。

　　利用表3結(jié)果，結(jié)合式（2）(以25℃為起始點(diǎn))EERt1 =EER25*(1-2.5%)(t1-25)，可以得到兩個(gè)基站的空調(diào)在不同溫度下的壓縮機(jī)制冷能效比，如表4。

　　3.2.2 不同外界溫度下通過墻體傳導(dǎo)的熱量

　　有了不同溫度下空調(diào)壓縮機(jī)制冷能效比數(shù)據(jù)，結(jié)合每次采集的不同外界溫度下空調(diào)壓縮機(jī)的耗電量，就可以計(jì)算出空調(diào)實(shí)際產(chǎn)生的總冷量，總冷量等于總熱量，再用此總熱量減去設(shè)備的發(fā)熱量(含空調(diào)風(fēng)扇等待機(jī)能耗)，就可以得到通過墻體傳導(dǎo)進(jìn)出機(jī)房的熱量。兩個(gè)基站通過墻體傳導(dǎo)的熱量數(shù)據(jù)如圖8和圖9所示。

　　圖8和圖9中橫軸是機(jī)房室外溫度，縱軸是單位時(shí)間內(nèi)傳導(dǎo)的熱量，其中正值表示通過墻體向機(jī)房內(nèi)傳熱，負(fù)值表示通過墻體向機(jī)房外散熱。熱傳導(dǎo)方向切換點(diǎn)兩個(gè)基站都在25℃左右，與實(shí)際情況完全吻合，而且擬合曲線的擬合度非常高，這從統(tǒng)計(jì)學(xué)上也反過來印證了我們的計(jì)算方法是科學(xué)、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)模杉幕A(chǔ)數(shù)據(jù)也是準(zhǔn)確的，分析過程中用到的相關(guān)推導(dǎo)公式也是合理的。

　　利用上述兩幅圖所呈現(xiàn)出來的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，可以推導(dǎo)出兩個(gè)基站在什么情況下就可以關(guān)閉空調(diào)電源（當(dāng)墻體散熱等于主設(shè)備熱負(fù)荷的時(shí)候），如表5所示，利用墻體自然散熱就可以滿足機(jī)房環(huán)境要求。

　　這個(gè)數(shù)據(jù)對于基站節(jié)能管理工作具有很大的指導(dǎo)意義，可以明確哪個(gè)機(jī)房什么時(shí)候可以關(guān)閉空調(diào)電源。

4 碳?xì)淅涿较鄬τ赗22的節(jié)能效果

　　4.1 冷媒材料物理性質(zhì)理論

　　通過表1和表2所示兩種冷媒的飽和壓力溫度對照表的比較，可以看出，僅從材特性上就可以節(jié)能。把表1和表2放在一張圖上就可以看得更直觀。

　　R22的冷媒壓力曲線明顯處于ER445B壓力曲線上方，35個(gè)溫度點(diǎn)平均下來高12.33%，可以理解為使用R22的空調(diào)比使用ER445B的空調(diào)功耗高12.33%。

　　4.2 實(shí)際測量數(shù)據(jù)分析

　　空調(diào)的功率是隨外界溫度變化而顯著變化的，空調(diào)其實(shí)并不存在一個(gè)穩(wěn)定的靜態(tài)功率或者效率數(shù)據(jù)值，而是對應(yīng)某個(gè)特定工況下（基站主要就是外界溫度）下，都有一個(gè)相對穩(wěn)定的功率或者能效比值。正是基于這種思路，本節(jié)能效果測試方案就是改造前持續(xù)采集3個(gè)月，每個(gè)基站都采集了約13萬條記錄，每條記錄都包含了外界溫度、設(shè)備、空調(diào)能耗參數(shù)等37個(gè)數(shù)據(jù)。改造后則一直持續(xù)測量采集。然后依據(jù)改造前后不同外界溫度下空調(diào)的功率和能效比數(shù)據(jù)做擬合關(guān)系方程，從離散的點(diǎn)圖歸納出明確的量化程式，并以此為基礎(chǔ)來確定改造前后的每個(gè)外界溫度條件下的節(jié)能效率。以凱豪大酒店基站為例，對比分析改造前后基站空調(diào)的能耗數(shù)據(jù)如圖11所示。

　　通過統(tǒng)計(jì)分析，得出能耗擬合公式：

　　y=0.1007x+0.0143  (3)

　　y=0.0753x+0.0593    (4)

　　其中：y表示空調(diào)功率，單位kW；x表示機(jī)房外界溫度，單位為℃。

　　式（3）表示改造前空調(diào)功率隨外界溫度變化情況，式（4）表示改造后空調(diào)功率隨外界溫度變化情況。兩者的擬合度都非常高，擬合式（3）和（4）可信。依據(jù)公式計(jì)算整理如表6所示。

　　常州凱豪大酒店基站空調(diào)應(yīng)用ER445B改造后，不同外界溫度點(diǎn)下的空調(diào)的節(jié)電率在23%左右。常州珠江路、南京祥和雅苑、南京天虹賓館等基站的節(jié)電率情況類似，都能夠達(dá)到18%以上。

　　結(jié)論：利用碳?xì)淅涿綄照{(diào)做節(jié)能改造，可以在通信基站這種場景下推廣。

5  碳?xì)淅涿綉?yīng)用于機(jī)房空調(diào)的注意事項(xiàng)

　　經(jīng)過細(xì)致詳實(shí)的測試和統(tǒng)計(jì)分析，驗(yàn)證了了碳?xì)淅涿降墓?jié)能效益。但是在施工及使用過程中也暴露了利用碳?xì)淅涿阶龉?jié)能改造需要注意的相關(guān)事項(xiàng)。

　　利用碳?xì)淅涿綄究照{(diào)做節(jié)能改造，操作流程相對簡單，只要是日?？照{(diào)維護(hù)人員，經(jīng)過簡單培訓(xùn)就可以熟練掌握?；玖鞒谭謨刹剑孩侔芽照{(diào)內(nèi)部的R22抽取干凈； ②向空調(diào)內(nèi)部注入ER445B碳?xì)淅涿?。這兩個(gè)過程，在使用配套工具的情況下，具體操作步驟還是比較簡單的。

　　操作過程中需要特別注意的事項(xiàng)有: ①抽取空調(diào)內(nèi)部的R22的時(shí)候，需要盡量完全抽取干凈，注意不要有泄漏點(diǎn)，避免空氣滲透進(jìn)去。②注入ER445B的時(shí)候，依據(jù)不同型號空調(diào)，先注入預(yù)先規(guī)定的注入量，然后開啟空調(diào)，細(xì)心觀察空調(diào)的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)，并且實(shí)時(shí)監(jiān)測空調(diào)的耗電電流和出風(fēng)口溫度，通過微調(diào)ER445B的充注量，把耗電電流和輸出溫度調(diào)到預(yù)期狀態(tài)。③沖注ER445B的時(shí)候，需要同步加注符合規(guī)格的潤滑油。④改造后需要做好醒目的警示標(biāo)識。

6 結(jié)束語

　　中通服節(jié)能技術(shù)服務(wù)有限公司研發(fā)的空調(diào)能耗測量評估系統(tǒng)能夠有效測量、評估機(jī)房空調(diào)在復(fù)雜環(huán)境下的功率和能效比。依托該測量評估系統(tǒng)，可以較為客觀、科學(xué)地為用戶提供節(jié)能改造后的節(jié)能效益評估，從而為運(yùn)營商采用EPC方式開展空調(diào)的節(jié)能改造工作奠定了技術(shù)基礎(chǔ)，創(chuàng)造了便利條件。

　　若能夠嚴(yán)格按照施工規(guī)程施工，做好后期維護(hù)保障的安全措施，碳?xì)淅涿郊夹g(shù)是可以用在通信機(jī)房的空調(diào)節(jié)能改造中的。每個(gè)基站年節(jié)電量按照2 000 kWh。保守計(jì)算，如果該項(xiàng)技術(shù)能夠應(yīng)用到100萬個(gè)基站，預(yù)計(jì)一年就可以節(jié)約電能20億千瓦小時(shí)。

　　對表4數(shù)據(jù)進(jìn)行分析讀取累計(jì)與各因素之間的關(guān)系如圖8所示。

　　圖8中的橫坐標(biāo)1，2，3分別代表每個(gè)因素的第一個(gè)，第二個(gè)，第三個(gè)因素水平。由分析圖表直觀得出，在實(shí)時(shí)在位讀取的時(shí)候，讀取累計(jì)跟天線方位、天線與貨架水平距離、天線與貨架標(biāo)高間高差都是負(fù)相關(guān)的，其中天線正對的時(shí)候讀取效果最好，天線與貨架水平距離小的時(shí)候，其效果也更好。天線方位為正對標(biāo)簽、天線與貨架水平距離1 m、天線與貨架標(biāo)高間高差0.7 m、標(biāo)簽方位全部置頂為最好的讀取累計(jì)配置。

　　設(shè)F2為讀取累計(jì)，A2為出入通道間距，B2為天線高度，C2為標(biāo)簽方位，D2為通過速度。則可得出本貨品實(shí)施在位讀取性能實(shí)驗(yàn)相關(guān)參數(shù)的線性回歸方程為：

　　F2=1035.02-2.09A2-87.33B2-141.66C2-9.33D2

　　由表4試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算可得R2=0.92，接近1，表明線性相關(guān)性較強(qiáng)，F(xiàn)=12.08>F0.05（4，3）=9.12因而方程整體顯著。