1、移动网络基站机2移动网络基站机房综合节能系统方案2011-5-23目 录1. 项目的必要性与节能概况 11.1. 机房能耗现状 21.1.1. 基站空调电费支出所占比例较大 21.1.2. 基站空调用电浪费现象较为严重 21.2. 项目实施的必要性 31.3. 节能概况 42. 本方案的技术概况 42.1. 项目经济性对比 53. 现状分析 63.1. 基站通信设备运行环境分析 63.2. 山东省17地市大气气象环境分析 73.2.1. 全省气象分析 73.2.2. 内陆地区 73.2.3. 沿海地区 83.3. 普通新风系统的不适用概况分析 83.4. 基站综合节能新能力与特点介绍 93.4
2、.1. 蒸发制冷 94. 移动网络基站节能方案简介 94.1. 系统结构说明 94.2. 系统功能简介 104.3. 自然循环节能措施与应用 104.4. 蒸发制冷节能措施与应用 115. 使用效果 125.1. 温度差异对比 125.2. 在山东地区提供服务的连续时间 125.3. 应用功耗（按市电环境运行1小时平均计算） 121. 项目的必要性与节能概况能源问题是制约经济发展的主要问题，在国家“十二五”发展纲要中特别强调指出能源问题的紧迫性，提出了要把节约资源作为基本国策，并将能源消耗指标作为“十二五”规划目标中最重要的约束性指标之一。不仅仅是在本次的五年计划中提到了节能减排的目标，早在“
3、十五”和“十一五”期间国家就已经将能源问题明确的提出和最为国家可持续发展的重要指标进行技术革新的指导和作为国家的工作中的来对待了。面对社会日益紧缺的能源问题，如何做到有效的节能减排，也是各大电信运营商，尤其是提供移动网络业务服务的电信运营商更应该给予支持；因为随着信息的时代已经到来，人类社会对沟通的需求不断增加，通信服务提供商（SP/ISP/）3G 扩大网络的投入，增加网络的覆盖，从而以期达到任何时间、任何地点、可与任何人沟通的效果（Anytime & Anywhere With anyone）。运营公司的移动基站、接入网站、模块局的数量不断增大，特别是移动基站的数量增加非常迅猛。工信部科技司
4、通信标准处处长钱航表示，目前我国的网络规模已经位居世界首位，随着网络规模的不断扩张，通信网络的核心设备、动力系统以及机房、基站等成倍增加，相关数据表明，目前我国通信网络有上万台的主交换设备、几十万个基站，大量设备的运行需要能源来保障。按照前几年的数据统计分析，我国的通信网络中仅基站配备的设备每年的耗电量就达146 亿度以上，整个通信行业耗电量在200亿度以上。由此可见，通信行业不仅是一个高科技行业，也是一个高耗能行业。在这样一个行业背景下，任何一个成熟可靠地节能技术或者节能应用方案的采用和实施，都会为为国家和社会做出重大的作用，如果整体能耗每下降10个百分点，这个无线网络的将会节省14.6亿度
5、电，按照现有商业电费全国平均按照1元计算，全年将为社会节省大约14.6亿元人民。按照一顿煤可以发电2500度电计算，一年可以58400吨优质煤碳资源。这是可以计算的直接能耗节省的情况，如果再算上电力传输耗损、煤炭转运等环节的能源耗费，这个数字将更加可观。但是，任何一项节能措施的出现，都不会将节能10%作为自己的目标，都将做出更大的贡献，这样推算，使用节能方案产生的效益，无论是企业的直接收益效益还是社会效益，都将是一个不可小觑的数量级。这也说明通信网络的节能空间和潜力非常大。所以如何科学高效利用能源以及降低能源的谈空调节能技术在移动网络基站中的应用成本已成为热点，运营商对低能耗设备需求也不断加大
6、1.1. 机房能耗现状机房的能源耗损主要是体现在以下两个方面：主设备能源耗损和空调设备能源耗损；基站机房温度一般控制在27-30之间，空调大多被设置为制冷26自动，由于基站是无人值守，很多基站空调全年开启（这里需要说明，有的基站的业务量多，或者是比较重要的VIP类基站和核心基站，激战中的设备产生的热量大，需要全年开启空调设备），或者在春秋两季进行人工关闭，只有少部分使用室内环境监控系统进行遥控管理。但是，这些都无法彻底改变空调因为室温的升高，而被迫过早开启空调的尴尬局面，浪费现象较为严重，如何有效的控制空调开启时间，降低基站空调能耗成为运营商迫切需要解决的问题。其次就是主设备的功耗问题，一般情
7、况下，主设备的配置都是按照基站服务区域的业务量的最高峰值配备；但是，最高峰值的出现时间和次数在整个服务时间内，确只占到了服务时间周期的30%不到。但是,其他70%的时间，基站内的主设备却也是在100%的满功耗运行中，同样造成了能源浪费。基站空调电费支出所占比例较大，根据资料统计分析，平均每个基站空调的电费支出约占整个基站电费支出的54%左右，空调成为基站基站中的主要用电设备。1.1.1. 基站空调用电浪费现象较为严重基于移动通信基站是无人值守，很多基站空调的开启和设置并不尽合理，现实的浪费现象还是比较严重的。而根据电子设备运行的相关国家规范规定，一般基站长年温度应保持在1828以内（基站室内温
8、度最高一般不会高于35度），湿度10%90% ，基站空调若与我公司生产的安全智能蒸发制冷新风系统配套联动使用，节能的空间就会很大。空调的电能消耗对通信运营公司来说，是一笔很大的开支。在我国绝大多数地区，很多时间段内的自然常温就能满足电子设备正常运行的温度要求，或者仅需一台空调间歇工作就能满足这些电子设备正常运行的温度要求。基于上述原因，我们采用国际先进的控制理论技术，依据国际基站通用标准和电器设备可靠安全运行的最佳环境的长期试验报告数据，研发设计出基站智能蒸发制冷新风系统，该系统在具有基站节能功能的同时，还具有可靠的安全报警功能和完善的联网功能。1.2. 项目实施的必要性我国当前面临着经济社会
9、快速发展和人口增长与资源环境约束的突出矛盾。目前我国的生态破坏和环境污染已经达到自然生态环境所能承受的极限，为了使经济增长可持续，缓解巨大的环境压力，必须以环境友好的方式推动经济增长。节能减排就是要从源头预防污染产生，最有效地减少资源消耗，不排放废弃物，从而真正解决当代中国的发展困境。中国作为发展中国家，尽管发展经济、消除贫困依然是我们的主题，但在全球气候变暖的大背景下，也要主动承担节能减排的国际责任。同时节能减排倡导正确的政绩观，国家发改委主任马凯在向全国人大常委会作国务院“关于节约能源保护环境工作情况”的报告中透露，今年下半年全国省级领导班子换届，节能减排工作将成为综合考核评价的重要内容。
10、这就表明，干部考核中节能减排指标的硬化，将塑造一个崭新的政绩观。1.3. 节能概况本文中要介绍的方案，是我公司在节能利用行业和通信领域中多年的应用检验的集合，是在有效的综合利用现有的技术和创新技术的优势，采取各取所长、各补其短的方法，准确合理的分析移动网络运行条件和能量耗损的重点环节；有针对性的采取有效手段，完善移动机房使用环境，可靠有效的采用控制手段和计算技术，实现了实时高效的运行。利用物联网引用理念，有效解决机房散热、设备使用过程中的复杂环境问题。有效解决了设备运行的高效率、高可靠性和低能耗之间的矛盾，实现了设备的高效、可靠运行，并且有效的降低了使用过程中的能耗。利用本文中介绍的系统，可以
11、为机房节能40%以上。2. 本方案的技术概况(1) 根据移动网络基站设备的运行要求，理论上移动基站室内温度需要保持在10至35摄氏度之间，为了保证设备正常高效运行，每一个基站机房内均安装有空调设备，并且根据机房内设备的种类和多少不同，装配的空调匹数和台数也有所不同，安装的空调设备主要有3匹和5匹的两种不同的类型。(2) 本项目采用新风、蒸发制冷、变频联合节能系统设计。 新风系统设计： 原理： 节能系统的工作原理：通信机房（基站）用智能新风系统是利用机房室外低于25C的自然空气为冷源，采用智能控制和温湿度传感技术。当室外空气温度比室内空气温度低一定程度时，依靠新风系统来置换机房内的热量，实现室内
12、散热、降低机房内部温度的目的，达到降低机房（基站）空调能耗的目的。在山东地区，根据山东的气候特征，单纯使用新风系统，全年只能减少空调年运行时间20%， 系统设计：通过两台换气风机实现室内外换气作业，换气扇出风口做避虫和防尘处理，避虫使用小密度金属格栅，防尘使用多层防尘过滤技术，可以有效对0.5微米灰尘颗粒进行过滤，并且过滤效果好，可以达到95%以上。同时增加控制设备一套和温湿度传感器2套，用来探测室内外的温差和湿差，根据自然环境温度和室内温度的变化自动控制换气系统的开启和关闭。 蒸发系统设计 原理高温空气被新风系统吸入到通风风道内，通过过滤装置净化后，在经过湿帘，与低温水接触，进行换热，便（使
13、？）进入的高温空气成为温度适宜的冷气。因而产生冷风。 系统设计在前面介绍的新风系统之上添加一套供水装置（水源可以是空调冷凝水或者是井水）和一套湿帘蒸发装置。当高温空气被新风系统吸入到通风风道内，通过过滤装置净化后，在经过湿帘，与低温水接触，进行换热，便成为温度适宜的冷气。因而产生冷风。产生的冷风通过原有的换气扇和风道送回到基站室内，进行室内降温作业。这个冷气循环过程可以使（是？）室外自然空气循环，也可以是室内空气循环。在这套系统中，没有任何人工对水进行物理喷淋作业和雾化作业，因此不存在湿度过大甚至是形成水滴，而对基站设备造成损害的情况。 变频系统设计：本方案的变频部分主要是对风机。 设计原理：
14、通过调整风机转速，来调节气体流量和气压，使风机的输出功率与实际流量需求成正比，即保持了机房室内空气被合理高效的进行流通和换气，同时使电机转速根据现场实际工况的变化调节到效能最高的状态，并且可提高电机的功率因素以及减少无功损耗，从而大幅节省本系统自身用电量。2.1. 项目经济性对比空调系统、单纯新风系统和综合节能系统使用时长对比表空调单纯新风综合节能系统使用温度全部5-285-38使用时长8个月4个月7个月功耗3.6Kw3Kw0.9Kw注：按照山东地区气候情况确定的使用长度, 综合节能系统功耗不考虑变频自身的节能情况各类系统使用单月费用支出对比表空调（3匹）单纯新风综合节能系统全功耗3.6Kw3
15、Kw0.9Kw耗电量（月）25922160648月支出（元）25922160648注：月支出额按照的山东地区工业有电平均估价计算（1元/度）与空调系统单月节能对比空调（3匹）单纯新风综合节能系统支出2592.002160.00648.00节省金额：432.001944节省比率：20%75%注：支出额和节省金额均按照的山东地区工业有电平均估价计算（1元/度）本项目全年经济性分析总表年运行费用（元）改造投资投资回收期（年）空调综合系统节省31104.007776.0023328.008000.000.24注：以上价格按照的山东地区工业有电平均估价计算（1元/度）以上部分，节能效果是按照3匹空调运行
16、情况统计能耗分析，并且节省资金和投资收益全部按照居民用电价格计算。但现实状况是移动基站的电费大多数为1元/度以上。当然我们应该注意到，有的基站，比如：核心站、VIP站和业务承载量大的站，会安装5匹或2台3匹空调，并且全年开启空调，以满足基站设备运行的环境要求。如果考虑其他价格因素，投资的回收期会更加短，仅仅按照一般工商业一度电济南地区的差价就达到了0.2元，与居民用电相比达到了36%，这样计算，每年将会多增加36%的收益，也就是说半年内就可以收回投资。在此，对以上指标做简单的解释，我们采用通风管和风机的组合式安装，既保证了各种封闭要求，同时做到了使用最低能耗的电机提供最大的风量。同时使用变频技
17、术获得了更加节能的效果。当使用变频将电机的转速降到80%，将会达到节能50%的节能效果。以下是几个关键介质的指标计算公式冷凝水：W =Vd 式中: W冷凝水量,kg/h; 空气密度,kg/m3,取1.2 ; V 循环风量,m3/h; d 湿度差。3. 现状分析3.1. 基站通信设备运行环境分析基站通信设备的开发与生产，芯片和工艺的选择全部是依靠商业使用标准进行的，这主要是从使用成本和生产成本的方面考虑。为了有效的降低基站建设的初期投资，各个厂商都在积极的开拓新的技术和方式降低成本。在这个市场环境的促使下，大多生产厂商全部采用商用级芯片和工艺为主。一般情况商业级IC的环境要求主要是浮尘、温度和湿
18、度。商业级IC的温度要求一般在0至40之间。但是这个区间的两端的绝对数值是一个极限数字，所以说，正常情况下，商业设备的运行良好保证环境的温度应当在5至38之间；最低5和最高38乃至更加低温或者是高温，基站的设备通常还是可以运行一段时间的，但是在这样的环境下运行，设备已经处于一种极不稳定的状态了，随时都有出现退服和其他故障的可能。同时还会出现设备功耗增加，但是性能降低的情况出现。湿度要求，通常情况下，商业级IC的湿度要求均在30%至95%之间，不结露。这样的湿度保证了空气中一定的含水量，不至于灰尘的过多产生和伴随轻微的空气流通而造成灰尘飞扬的情况出现，同时，空气中的水分会有效的帮助空气中悬浮物进
19、行自然沉降，避免灰尘过多的附着与设备表面，降低设备的散热效果和由于灰尘堆积而造成的静电效应造成的设备损坏。同时考虑到基站内还有相当数量的蓄电池组，而这些蓄电池，由于技术原因，温度过高和过低，都会严重影响它们的使用寿命和使用质量。造成设备的更换和浪费。要保证这些蓄电池组可以有效的使用并且可以保证它们的使用年限，不至于导致过早的对其进行更换，而造成资金和能源的浪费；必须有效的保证机房内部温度和湿度的设备应用环境。基站设备的运行环境最佳是温度保持在18至32之间，湿度保持在40%至70%之间。3.2. 山东省17地市大气气象环境分析3.2.1. 全省气象分析根据山东省提供的气象资料显示，全年平均出现
20、低于5天气的月份一般年份有2至3个月，一般情况下5以下（含5）天气开始结霜。全年平均出现高于28天气的月份一般年份会出现5至7个月。3.2.2. 内陆地区山东内陆地区，属于平原和丘陵山区，这样的自然环境下，造成了温度的差异比较大，主要是体现在低海拔和高海拔之间的差异，林木覆盖率之间的差异。海拔高的区域，温度平局值要低于海拔低的区域，林木覆盖率高的区域，温度平局值要低于林木覆盖率低的区域。但是，这些制约因素不能改变大的环境因素。在山东内陆地区，全年气温中平均低于5月份一般会有3个月左右，而气温高于28度的月份一般年份会有7个月左右。3.2.3. 沿海地区山东沿海城市和内陆地区一样，属于平原和丘陵
21、地貌，但较内陆而言，平原多于丘陵，又由于地处沿海区域，受空气中湿度高和海洋季风的影响，沿海地区的天气特征中的天气温度要低于内陆地区，这个区域中一般年份全年平均低于5的月份一般会在2-3个月之间，同时温度要高于28较内陆而言，要短一些。由于当地的气候特点，即使是没有全天的气温均值达不到28，但是，一般情况下会是中午热，会达到30，甚至是35以上的高温，在一天的时间内，这个高温时间一般会维持4至5个小时的时长。整合以上情况分析，全省可以利用自然环境温度为机房设备提供降温冷却节能服务的时间不会多于3个月。3.3. 普通新风系统的不适用概况分析由于普通新风系统为移动基站机房提供散热节能服务的原理是通过
22、自然通风方式，将室外的低温空气，通过过滤措施，将其吸入相对密闭的移动基站机房内部，同时，在另一端，安装排风设备，将机房内部的温度相对较高的空气抽排到室外。普通新风系统运行的条件是在无结露情况下，大区环境空气温度低于25，或者是室内温度与室外温度存在足够的温差是才可以保证基站机房内设备的正常运转。3.4. 基站综合节能新能力与特点介绍3.4.1. 蒸发制冷水泵不间断地将水抽出并通过敞开式水分布器均匀地分布在蒸发用湿帘上，室外或者是室内的热空气经过湿帘，因湿帘上的水遇到热空气而蒸发，并吸收空气的热量，使得空气降温，再由风机加压送入室内，从而达到降温与通风的目的。在较潮湿地区（如我国的南方地区），一
23、般能达到59的降温效果；在炎热干燥的地区（如我国的北方地区），降温幅度可达到1020。在为空气降温的同时，可以有效的调节室内湿度，使得室内空气的湿度水平更加趋于合理。4. 移动网络基站节能方案简介4.1. 系统结构说明本系统按照物联网概念进行架构，突破了从感知、采集、控制、传输、反馈等一系列的技术难关，形成一整套完善的系统运行体系，可以有效的将感知的情况转变成数据，进行有效的采集，将数据加工后完成本地自动化的控制，将系统状态数据和环境数据进行远传，使得在远端的管理人员可以及时的了解系统运行状况和环境状况，可以根据需要进行快速便捷的关键数据和参数的管理和调整工作。4.2. 系统功能简介整个系统中
24、，包括了几个子系统，它们是智能采集控制系统、新风节能系统、变频节能系统和蒸发制冷节能系统。这几个系统既可以统一运行，达到有效的节能性能，同时也可以根据现场的实际情况，独立安装使用某一个系统，独立系统的运行也可以较好的完成节能功能，达到节能效果。但是，独立运行无法达到系统间的优劣互补，从而实现节能效果最大化。智能采集系统是整个系统的大脑，它是负责采集现场环境和设备运行数据、对其他几子系统进行统一调度和调控。根据不同的天气环境、室内温度情况；自主选择优化节能系统的最佳运行方式和各个系统的运行控制。4.3. 自然循环节能措施与应用自然循环节能，主要是利用新风系统将室内和室外空气进行交换，利用室外低温
25、自然冷源冷却机房。但是这个系统也有它的局限性，只有在室外的温度低于室内温度，并且室外温度低于28，或者是室外温度低于室内温度并且两者之间存在足够的温差时才可以有效使用。其基本工作原理是：利用温湿度传感器探测机房外的空气温湿度情况，当室外温度低于室内温度，并且存在温差且温差可以有效为室内设备降温时，开启进风单元的新风风门，进风风机将机房外冷空气吸入机房，排风风机将室内设备产生的累计热量排出机房，通过通风口让室外凉空气和室内高温度空气形成一个有效的换气循环，达到降温效果。同时，温差的大小和通风风量直接影响到系统的运行效果。当温差大，送风量小，温差小，送风量大；通过控制器和变频设备将风机的转速调整到
26、一个适当的工作状态，并且可以为综合节能系统本身也达到一定的节能效果。本系统的进风通道采用多级过滤方式，配合风机调试控制，有效降低了灰尘进入机房的概率，并且降低了新风系统的自身产生的能源耗费。避免了为一个老系统节能，而新的节能系统不节能的尴尬状况的产生。这就是本系统区别与其他新风系统的特点。风机变频控制示意图4.4. 蒸发制冷节能措施与应用冷凝水是空调开启后，在对室内环境降温的过程中，空气中的水气遇冷被液化产生的纯水，空调产生的冷凝水不会超过16，将冷凝水的存储水槽安装在地表以下1.5米的深处，上面使用土回填覆盖，使用地窖保温的原理，可以有效的保持和降低冷凝水的温度。冷凝水被收集后，达到一定的量
27、，可以通过水泵将其输送到蒸发制冷系统的湿帘上面，冷凝水被湿帘吸收一部分后，剩下的大部分水，又被回收到了地下的储水箱中。室外或者室内高温空气通过湿帘时，与水接触，通过水的蒸发，使得空气温度降低，转换成温度较低，符合机房正常运转要求的温度，再将具有低温度的空气，利用新风系统送入到基站内部，使的机房的湿度和温度降低到机房正常运转的水平。在利用蒸发制冷系统后，按照室外温度35为例，使用蒸发制冷系统后，热空气经过制冷设备，可以有效的降低3至9，降低到32到26，可以达到机房内室温不超过35的要求，通过制冷后的自然空气完全可以达到机房内室温要求。可以有效的节省能源。如果是天气炎热，温度达到38以上时，这套
28、蒸发制冷系统也可以使用，这套系统就成为了空调制冷系统的辅助制冷设备，可以有效的降低空调设备的使用时间长度，达到节能的目的。一般情况下，一台3匹空调开启24小时，可以产生60L至110L的冷凝水，而按照机房面积30平方米 计算，蒸发制冷系统实际蒸发量却是少得可怜，几乎是空调机组开启一天时间产生的冷凝水，可以有效提供蒸发制冷机组运行7天左右。尤其是在山东半岛沿海地区，由于空气湿度大，空调的冷凝水产生量就会更加的多。按照青岛市区为例，一般情况下每一个小时就会产生10左右的冷凝水，这样的话，空调运转24小时产生升的冷凝水就会有240升之多，这些冷凝水可以为蒸发式制冷机组的运行提供接近一周的工作用水。通
29、过蒸发制冷机组和空调机组的循环使用，可以有效的保证基站设备的空气温度要求，同时也达到了合理利用资源，有效降低能耗，没有二次污染。有效促进绿色经济的发展。如果应用环境允许，蒸发制冷系统可以将室外进风口和室外出风口关闭起来，打开内循环通道，使得机房室内空气在一个相对独立的循环系统中进行循环，这样就可以更加有效的降低机房室内温度，增加节能效果。5. 使用效果5.1. 温度差异对比1、智能蒸发式制冷新风系统室外温度32323330313338室内温度24232623242430温差8977798注：以上数据为运行中抽样数据，室内外温度差异及运行效果与当地当天天气温度和空气的相对湿度相关。2、普通新风系
30、统室内最低温度与室外温度相当，正常情况下，室内温度会高于室外温度，没有自主调节功能。3、空调系统 与空调系统的温度设定有关5.2. 在山东地区提供服务的连续时间1、智能蒸发式制冷新风系统除去结霜和低温时间，可以服务时长超过8个月。2、普通新风系统除去结霜、低温和30以上月份，可以服务时长不多于4个月。3、空调系统 可连续服务12个月5.3. 应用功耗（按市电环境运行1小时平均计算）智能蒸发式制冷新风系统普通新风系统空调系统0.9KW3KW5KW按照空调应用为基数，计算节能百分比：1、智能蒸发式制冷新风系统与空调系统对比 运行一小时单纯依靠空调系统节约能耗大于80%，2、普通新风系统与空调系统对比 运行一小时单纯依靠空调系统节约能耗45%，考虑到可服务的连续时间维度，智能蒸发式制冷新风系统将是更加节能的优选产品。
