CN107131596B - 一种利用土壤冷源针对通信基站制冷设备的节能方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种通信基站制冷方法及系统，具体涉及一种利用土壤冷源针对通信基站制冷设备的节能方法及系统，本发明为了解决现有的通讯基站制冷方法没有对基站内部的热场进行优化，未能利用基站周围自然冷源的缺点，而提出一种利用土壤冷源针对通信基站制冷设备的节能方法及系统。本发明的方法包括：计算基站周围土壤的温度随深度的变化关系；建立地下埋管的出口温度随埋管长度、半径、气流速度的关系式；绘制地下埋管的出风口温度随埋管半径和长度变化的曲线；绘制地下埋管出风口温度随埋管长度和气流速度变化的曲线；确定最佳进风位置；根据土壤深度、埋管半径、埋管长度以及最佳进风位置规划布置地下埋管。本发明适用于通信基站制冷系统。

Description

一种利用土壤冷源针对通信基站制冷设备的节能方法及系统

技术领域

本发明涉及一种通信基站制冷方法及系统，具体涉及一种利用土壤冷源针对通信基站制冷设备的节能方法及系统。

背景技术

通讯基站制冷设备的节能是节能减排的研究重点。国内通信基站空调系统的节能主要从以下几个方面进行：提高空调系统的运行效率、合理选择基站围护结构的保温性能、充分利用自然冷源以及优化气流组织等。

在提高基站空调系统运行效率上，中国移动通信集团提出“分区控温”，可以在对蓄电池做好防护工作的前提下，适当提高基站工作温度。基站空调设置温度的提高要在保证基站内设备的正常稳定工作的前提下，因此通过该方法对基站空调系统运行效率的提升有限；中国联通有限公司临祈分公司对空调采用变频技术或空调节能器进行了测试，测试结果表明，使用节能器使基站空调的节能率达到30％～40％，但基站内部实际的热场没有得到优化。

在基站围护结构保温性能方面，利用维护在夏季可以降低太阳辐射传热量和由温差引起的室外向室内的传热量，降低空调系统的冷负荷；在冬季和部分过渡季节则阻碍从室内向室外的散热，增加空调系统负荷。基站围护结构保温性能差，在夏季和冬季的影响与上述相反。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有的通讯基站制冷方法没有对基站内部的热场进行优化，并且在部分过渡季节会增加空调负荷，未能利用基站周围的自然冷源的的缺点，而提出一种利用土壤冷源针对通信基站制冷设备的节能方法及系统。

一种利用土壤冷源针对通信基站制冷设备的节能方法，包括：

步骤一、计算选定的通信基站周围的浅层土壤的温度随深度的变化关系，得到土壤温度随深度和时间变化的曲线；并通过该曲线确定能够作为恒温冷源的土壤深度。

步骤二、假设存在一组地下埋管，使得所述通信基站能够通过所述地下埋管与外界传热；建立地下埋管的出口温度随埋管长度、埋管半径、气流速度的关系式。

步骤三、假设气体流速不变，根据步骤二中得到的关系式绘制地下埋管的气流出口的温度随埋管半径和长度变化的曲线；并通过该曲线确定能够满足预定的冷却能力要求的埋管半径。

步骤四、假设管径不变，根据步骤二中得到的关系式绘制地下埋管的出口温度随埋管长度和气流速度变化的曲线；并通过该曲线确定能够满足预定的冷却能力要求的埋管长度。

步骤五、利用热分析软件获得基站内的流场、温度场，得到分析结果；并通过所述分析结果确定最佳进风位置。

步骤六、根据步骤一至步骤五得到的土壤深度、埋管半径、埋管长度以及最佳进风位置规划布置地下埋管；管道的出口设置在所述通信基站的内部，管道的入口设置在通信基站的外部；管道的入口处设置有风机，所述风机输送的气流通过土壤进行冷却并传输至所述通信基站中实现热交换。

一种利用土壤冷源降低通信基站制冷设备的节能系统，包括：

具有出风口的通信基站，所述出风口设置在通信基站的地板上，并且距离通信基站内部空调的水平距离为1.65m。

埋于通信基站周围的土壤中的管道，管道在土壤中的深度为5m，管道的界面半径为0.2m，管道埋在土壤中的部分的总长度为100m；管道的第一端与通信基站的出风口连接，第二端设置在通信基站外部的地面上；管道的选材为PP管材。

风机，与所述管道的第二端连接，用于通过管道向通信基站内部输送气流；风机输送的气流流速为2m/s。

本发明的有益效果为：1、合理利用通信基站周围的土壤作为冷源，相比于空调系统更加节能；2、可以改善通信基站内的流场和温度场；3、与空调变频技术不冲突，可以同时使用而达到双重节能效果；4、与空调制冷同时使用，且当地平均气温为19度时，相比于未使用自然冷源的制冷系统，在保证设备正常工作的情况下，空调温度可上调4摄氏度，空调的温度每上升一度，可以节省5～8％的电量，总共可节约18.6％的能耗。

附图说明

图1为本发明的利用土壤冷源针对通信基站制冷设备的节能系统的示意图；

图2为土壤温度随时间和深度变化的曲线图；横轴表示时间，单位为月份；纵轴表示土壤温度，单位为摄氏度；

图3为出风口温度随埋管半径和长度变化的曲线图；横轴表示埋管半径长度，单位为米；纵轴表示出风口温度，单位为摄氏度；

图4为出风口温度随埋管长度和气流速度变化的曲线图；横轴表示埋管半径长度，单位为米；纵轴表示出风口温度，单位为摄氏度。

具体实施方式

具体实施方式一：本实施方式的利用土壤冷源降低通信基站制冷设备的节能方法，包括如下步骤：

步骤一、计算选定的通信基站周围的浅层土壤的温度随深度的变化关系，得到土壤温度随深度和时间变化的曲线；并通过该曲线确定能够作为恒温冷源的土壤深度。曲线可以通过采样得到，即在不同的时刻，在土壤的不同深度测量温度，最终绘制出相应的曲线。

步骤二、假设存在一组地下埋管，使得所述通信基站能够通过所述地下埋管与外界传热；建立地下埋管的出口温度随埋管长度、埋管半径、气流速度的关系式。“假设”意味着本步骤是通过采样数据进行的理论计算，此时还未进行管道布置，本步骤中计算得到的传热系数将用于管道布置过程。

步骤三、假设气体流速不变，根据步骤二中得到的关系式绘制地下埋管的气流出口的温度随埋管半径和长度变化的曲线；并通过该曲线确定能够满足预定的冷却能力要求的埋管半径。

步骤四、假设管径不变，根据步骤二中得到的关系式绘制地下埋管的出口温度随埋管长度和气流速度变化的曲线；并通过该曲线确定能够满足预定的冷却能力要求的埋管长度。

步骤五、利用热分析软件获得基站内的流场、温度场，得到分析结果；并通过分析结果确定最佳进风位置。

步骤六、根据步骤一至步骤五得到的土壤深度、埋管半径、埋管长度以及最佳进风位置规划布置地下埋管；管道的出口设置在通信基站的内部，管道的入口设置在通信基站的外部；管道的入口处设置有风机，风机输送的气流通过土壤进行冷却并传输至通信基站中实现热交换。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤一中，选定的通信基站周围的浅层土壤的温度随深度的变化关系为：

其中，t(x,τ)为地下x米处τ时刻的土壤温度；x为地下深度；T为波动周期；α为热扩散率；t₀为地表温度；τ为时刻；A为地表温度波动的振幅。这个计算过程是认为地球是半无限大物体，对该物体进行导热公式计算。具体推导过程为：

θ(x,τ)＝t(x,τ)-t₀ (2)

通过采样和公式计算得到的变化曲线如图2所示，由图中可以看出，当深度大于5m时，土壤的温度基本保持恒温，因此可以选择5m以下的浅层土壤作为恒温冷源。

其它步骤及参数与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：步骤二中，地下埋管的出口温度随埋管长度、埋管半径、气流速度的关系式为：

其中，T_o为出风口的温度；T_i为进风口的温度；t为土壤温度；K为气体与地下埋管的传热系数；S为埋管的换热面积，包含了埋管半径的信息；C_p为定压热容；G为空气的体积流量，G与S之比即为气流速度。

其中K的计算公式为：其中h表示对流换热系数，α表示热扩散率，τ表示时刻，β表示修正系数，λ表示导热系数。计算K的过程实际上是将埋管视为无限长圆柱体，将换热过程简化为恒热流作用下半无限大物体非稳态传热过程，通过修正方法推出气体与地下埋管之间的传热系数。

由于新风系统的冷却能力主要体现在出口气流温度上，因此需要进行如下的计算：设埋管长度为L，对应换热面积为S，空气流量为G，所在地层土壤温度为t，进口温度为T_i，当未通入空气时，管壁温度等于地层温度t。通入空气后，空气通过管长度上的热量变化等于埋管壁面的热量变化，即在选定的dx、dS内，设温度为t_x，则有-C_pGdt_x＝K(t_x-t)dS；积分可得：即得到上述的公式

其它步骤及参数与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：埋管位置的土壤深度为5m；所述风机的风速为2m/s；埋管半径为0.2m；埋管长度为100m；最佳进风位置为所述通信基站内部的地板上，且距离空调位置1.65m处；埋管选用PP管材。

具体实施方式二中确定了深度大于5m时，土壤的温度可以保持恒温。考虑到工程实际，深度越大，则工程难度就越大，因此进行综合考虑后选择5m作为埋管深度。

根据具体实施方式三中的公式可以确定最佳的风速、埋管半径以及埋管长度。具体方法如下：

利用控制变量法，先控制气流速度2m/s不变，使用如matlab的软件绘制出气流出口温度随埋管半径和长度的变化图，如图3所示。再保持管径r＝0.2m不变。绘制出出口温度随埋管长度和气流速度变化的曲线图，如图4所示。从图3和图4中可以看出，出口温度随着空气流速的减小而减小，随着埋管长度的增加而减小，随着埋管的深度的增加而减小并随着埋管半径的减小而减小。结合工程实际，管道半径过小，埋管长度过长会增加制造难度和成本，因此埋管只需满足较低的出口温度即较好的冷却能力即可。由程序计算及图像可得，选择地下新风系统的埋管长度为100m，半径为0.2m，埋管深度为5m，气流速度为2m/s时，新风系统的冷却能力较好，此时气流出口温度低至23℃。采样地的地表平均温度约为19度。

以上确定了埋管的相关参数，还需要考虑出风口应该设置在通信基站内部的哪个位置，此处可以使用如ansys的热分析软件获得基站内的流场、温度场，求解引入地下新风的最佳进风位置。现考虑从基站下部地板中引入和在空调正对面引入两种方法。经过建模分析流场和温度场可得：在空调正对面引入的新风时，原有流场会形成冲击，导致沉降在下侧的冷风受到扰动，不能及时排出自由开口，以至于该部分风温较高，不利于散热，会使靠下部分的热源工作单位温度升高，且局部热源最高温度没有得到改善；在地板上开孔引入地下新风对于改善基站热源散热条件是有利的，其温度场能得到合理的改善，并且在选择风口位置为距离空调一侧1.65m时，房间的降温散热效果达到最佳。在此位置引入新风系统后空调温度调高3～4℃，仍能满足基站内部设备正常工作的温度范围，并且能与未引入新风之前只使用空调进行制冷时的房间温度相差不大。这也证明利用土壤冷源的新风系统能够成为基站另一制冷设备。

其它步骤及参数与具体实施方式一至三之一相同。

具体实施方式五：本实施方式提供一种利用土壤冷源降低通信基站制冷设备的节能系统，包括：

具有出风口的通信基站，出风口设置在通信基站的地板上，并且距离通信基站内部空调的水平距离为1.65m。

埋于通信基站周围的土壤中的管道，管道在土壤中的深度为5m，管道的界面半径为0.2m，管道埋在土壤中的部分的总长度为100m；管道的第一端与通信基站的出风口连接，第二端设置在通信基站外部的地面上；管道的选材为PP管材。

风机，与管道的第二端连接，用于通过管道向通信基站内部输送气流；风机输送的气流流速为2m/s。

本实施方式的结构如图1所示，选择特定参数的理由与具体实施方式四中给出的解释一致。

在本实施方式中，通过实验可知空调的温度每上升一度，可以节省电量5～8％，3匹空调的功率约为2800W。具体实施方式四中提到，使用本发明的方法相比于只用空调制冷，在满足设备正常工作的前提下，空调温度可以上调4摄氏度，温度上升4度的节电量为2800-2800×0.95⁴＝519.4W，制冷设备节约能耗519.4W/2800W＝18.6％。因此基站引入新风系统后，可以减少空调制冷能耗18％左右。

本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，本领域技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (5)

1.一种利用土壤冷源降低通信基站制冷设备的节能方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一、计算选定的通信基站周围的浅层土壤的温度随深度的变化关系，得到土壤温度随深度和时间变化的曲线；并通过该曲线确定能够作为恒温冷源的土壤深度；

步骤二、假设存在一组地下埋管，使得所述通信基站能够通过所述地下埋管与外界传热；建立地下埋管的出风口温度随埋管长度、埋管半径、气流速度的关系式；

步骤三、假设气体流速不变，根据步骤二中得到的关系式绘制地下埋管的出风口的温度随埋管半径和长度变化的曲线；并通过该曲线确定能够满足预定的冷却能力要求的埋管半径；

步骤四、假设管径不变，根据步骤二中得到的关系式绘制地下埋管的出风口温度随埋管长度和气流速度变化的曲线；并通过该曲线确定能够满足预定的冷却能力要求的埋管长度；

步骤五、利用热分析软件获得基站内的流场、温度场，得到分析结果；并通过所述分析结果确定最佳进风位置；

步骤六、根据步骤一至步骤五得到的土壤深度、埋管半径、埋管长度以及最佳进风位置规划布置地下埋管；管道的出口设置在所述通信基站的内部，管道的入口设置在通信基站的外部；管道的入口处设置有风机，所述风机输送的气流通过土壤进行冷却并传输至所述通信基站中实现热交换。

2.根据权利要求1所述的利用土壤冷源降低通信基站制冷设备的节能方法，其特征在于，所述步骤一中，选定的通信基站周围的浅层土壤的温度随深度的变化关系为：

其中，t(x,τ)为地下x米处τ时刻的土壤温度；x为地下深度；T为波动周期；α为热扩散率；t₀为地表温度；τ为时刻；A为地表温度波动的振幅。

3.根据权利要求1所述的利用土壤冷源降低通信基站制冷设备的节能方法，其特征在于，所述步骤二中，地下埋管的出口温度随埋管长度、埋管半径、气流速度的关系式为：

其中，T_o为出风口的温度；T_i为进风口的温度；t为土壤温度；K为气体与地下埋管的传热系数；S为埋管的换热面积，包含了埋管半径的信息；C_p为定压热容；G为空气的体积流量，G与S之比即为气流速度。

4.根据权利要求1所述的利用土壤冷源降低通信基站制冷设备的节能方法，其特征在于，埋管位置的土壤深度为5m；所述风机的风速为2m/s；埋管半径为0.2m；埋管长度为100m；最佳进风位置为所述通信基站内部的地板上，且距离空调位置1.65m处；埋管选用PP管材。

5.一种利用土壤冷源降低通信基站制冷设备的节能系统，其特征在于，包括：

步骤一、计算选定的通信基站周围的浅层土壤的温度随深度的变化关系，得到土壤温度随深度和时间变化的曲线；并通过该曲线确定能够作为恒温冷源的土壤深度；

步骤二、假设存在一组地下埋管，使得所述通信基站能够通过所述地下埋管与外界传热；建立地下埋管的出风口温度随埋管长度、埋管半径、气流速度的关系式；

步骤三、假设气体流速不变，根据步骤二中得到的关系式绘制地下埋管的出风口的温度随埋管半径和长度变化的曲线；并通过该曲线确定能够满足预定的冷却能力要求的埋管半径；

步骤四、假设管径不变，根据步骤二中得到的关系式绘制地下埋管的出风口温度随埋管长度和气流速度变化的曲线；并通过该曲线确定能够满足预定的冷却能力要求的埋管长度；

步骤五、利用热分析软件获得基站内的流场、温度场，得到分析结果；并通过所述分析结果确定最佳进风位置；

步骤六、根据步骤一至步骤五得到的土壤深度、埋管半径、埋管长度以及最佳进风位置规划布置地下埋管；管道的出口设置在所述通信基站的内部，管道的入口设置在通信基站的外部；管道的入口处设置有风机，所述风机输送的气流通过土壤进行冷却并传输至所述通信基站中实现热交换；具有出风口的通信基站，所述出风口设置在通信基站的地板上，并且距离通信基站内部空调的水平距离为1.65m；

埋于通信基站周围的土壤中的管道，管道在土壤中的深度为5m，管道的界面半径为0.2m，管道埋在土壤中的部分的总长度为100m；管道的第一端与通信基站的出风口连接，第二端设置在通信基站外部的地面上；管道的选材为PP管材；

风机，与所述管道的第二端连接，用于通过管道向通信基站内部输送气流；风机输送的气流流速为2m/s。