本發(fā)明涉及一種通信基站制冷方法及系統(tǒng)，具體涉及一種利用土壤冷源針對(duì)通信基站制冷設(shè)備的節(jié)能方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

通訊基站制冷設(shè)備的節(jié)能是節(jié)能減排的研究重點(diǎn)。國(guó)內(nèi)通信基站空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能主要從以下幾個(gè)方面進(jìn)行：提高空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行效率、合理選擇基站圍護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫性能、充分利用自然冷源以及優(yōu)化氣流組織等。

在提高基站空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行效率上，中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)提出“分區(qū)控溫”，可以在對(duì)蓄電池做好防護(hù)工作的前提下，適當(dāng)提高基站工作溫度。基站空調(diào)設(shè)置溫度的提高要在保證基站內(nèi)設(shè)備的正常穩(wěn)定工作的前提下，因此通過(guò)該方法對(duì)基站空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行效率的提升有限；中國(guó)聯(lián)通有限公司臨祈分公司對(duì)空調(diào)采用變頻技術(shù)或空調(diào)節(jié)能器進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明，使用節(jié)能器使基站空調(diào)的節(jié)能率達(dá)到30％～40％，但基站內(nèi)部實(shí)際的熱場(chǎng)沒(méi)有得到優(yōu)化。

在基站圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫性能方面，利用維護(hù)在夏季可以降低太陽(yáng)輻射傳熱量和由溫差引起的室外向室內(nèi)的傳熱量，降低空調(diào)系統(tǒng)的冷負(fù)荷；在冬季和部分過(guò)渡季節(jié)則阻礙從室內(nèi)向室外的散熱，增加空調(diào)系統(tǒng)負(fù)荷?；緡o(hù)結(jié)構(gòu)保溫性能差，在夏季和冬季的影響與上述相反。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有的通訊基站制冷方法沒(méi)有對(duì)基站內(nèi)部的熱場(chǎng)進(jìn)行優(yōu)化，并且在部分過(guò)渡季節(jié)會(huì)增加空調(diào)負(fù)荷，未能利用基站周?chē)淖匀焕湓吹牡娜秉c(diǎn)，而提出一種利用土壤冷源針對(duì)通信基站制冷設(shè)備的節(jié)能方法及系統(tǒng)。

一種利用土壤冷源針對(duì)通信基站制冷設(shè)備的節(jié)能方法，包括：

步驟一、計(jì)算選定的通信基站周?chē)臏\層土壤的溫度隨深度的變化關(guān)系，得到土壤溫度隨深度和時(shí)間變化的曲線；并通過(guò)該曲線確定能夠作為恒溫冷源的土壤深度。

步驟二、假設(shè)存在一組地下埋管，使得所述通信基站能夠通過(guò)所述地下埋管與外界傳熱；建立地下埋管的出口溫度隨埋管長(zhǎng)度、埋管半徑、氣流速度的關(guān)系式。

步驟三、假設(shè)氣體流速不變，根據(jù)步驟二中得到的關(guān)系式繪制地下埋管的氣流出口的溫度隨埋管半徑和長(zhǎng)度變化的曲線；并通過(guò)該曲線確定能夠滿足預(yù)定的冷卻能力要求的埋管半徑。

步驟四、假設(shè)管徑不變，根據(jù)步驟二中得到的關(guān)系式繪制地下埋管的出口溫度隨埋管長(zhǎng)度和氣流速度變化的曲線；并通過(guò)該曲線確定能夠滿足預(yù)定的冷卻能力要求的埋管長(zhǎng)度。

步驟五、利用熱分析軟件獲得基站內(nèi)的流場(chǎng)、溫度場(chǎng)，得到分析結(jié)果；并通過(guò)所述分析結(jié)果確定最佳進(jìn)風(fēng)位置。

步驟六、根據(jù)步驟一至步驟五得到的土壤深度、埋管半徑、埋管長(zhǎng)度以及最佳進(jìn)風(fēng)位置規(guī)劃布置地下埋管；管道的出口設(shè)置在所述通信基站的內(nèi)部，管道的入口設(shè)置在通信基站的外部；管道的入口處設(shè)置有風(fēng)機(jī)，所述風(fēng)機(jī)輸送的氣流通過(guò)土壤進(jìn)行冷卻并傳輸至所述通信基站中實(shí)現(xiàn)熱交換。

一種利用土壤冷源降低通信基站制冷設(shè)備的節(jié)能系統(tǒng)，包括：

具有出風(fēng)口的通信基站，所述出風(fēng)口設(shè)置在通信基站的地板上，并且距離通信基站內(nèi)部空調(diào)的水平距離為1.65m。

埋于通信基站周?chē)耐寥乐械墓艿?，管道在土壤中的深度?m，管道的界面半徑為0.2m，管道埋在土壤中的部分的總長(zhǎng)度為100m；管道的第一端與通信基站的出風(fēng)口連接，第二端設(shè)置在通信基站外部的地面上；管道的選材為pp管材。

風(fēng)機(jī)，與所述管道的第二端連接，用于通過(guò)管道向通信基站內(nèi)部輸送氣流；風(fēng)機(jī)輸送的氣流流速為2m/s。

本發(fā)明的有益效果為：1、合理利用通信基站周?chē)耐寥雷鳛槔湓?，相比于空調(diào)系統(tǒng)更加節(jié)能；2、可以改善通信基站內(nèi)的流場(chǎng)和溫度場(chǎng)；3、與空調(diào)變頻技術(shù)不沖突，可以同時(shí)使用而達(dá)到雙重節(jié)能效果；4、與空調(diào)制冷同時(shí)使用，且當(dāng)?shù)仄骄鶜鉁貫?9度時(shí)，相比于未使用自然冷源的制冷系統(tǒng)，在保證設(shè)備正常工作的情況下，空調(diào)溫度可上調(diào)4攝氏度，空調(diào)的溫度每上升一度，可以節(jié)省5～8％的電量，總共可節(jié)約18.6％的能耗。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明的利用土壤冷源針對(duì)通信基站制冷設(shè)備的節(jié)能系統(tǒng)的示意圖；

圖2為土壤溫度隨時(shí)間和深度變化的曲線圖；橫軸表示時(shí)間，單位為月份；縱軸表示土壤溫度，單位為攝氏度；

圖3為出風(fēng)口溫度隨埋管半徑和長(zhǎng)度變化的曲線圖；橫軸表示埋管半徑長(zhǎng)度，單位為米；縱軸表示出風(fēng)口溫度，單位為攝氏度；

圖4為出風(fēng)口溫度隨埋管長(zhǎng)度和氣流速度變化的曲線圖；橫軸表示埋管半徑長(zhǎng)度，單位為米；縱軸表示出風(fēng)口溫度，單位為攝氏度。

具體實(shí)施方式

具體實(shí)施方式一：本實(shí)施方式的利用土壤冷源降低通信基站制冷設(shè)備的節(jié)能方法，包括如下步驟：

步驟一、計(jì)算選定的通信基站周?chē)臏\層土壤的溫度隨深度的變化關(guān)系，得到土壤溫度隨深度和時(shí)間變化的曲線；并通過(guò)該曲線確定能夠作為恒溫冷源的土壤深度。曲線可以通過(guò)采樣得到，即在不同的時(shí)刻，在土壤的不同深度測(cè)量溫度，最終繪制出相應(yīng)的曲線。

步驟二、假設(shè)存在一組地下埋管，使得所述通信基站能夠通過(guò)所述地下埋管與外界傳熱；建立地下埋管的出口溫度隨埋管長(zhǎng)度、埋管半徑、氣流速度的關(guān)系式?！凹僭O(shè)”意味著本步驟是通過(guò)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行的理論計(jì)算，此時(shí)還未進(jìn)行管道布置，本步驟中計(jì)算得到的傳熱系數(shù)將用于管道布置過(guò)程。

步驟三、假設(shè)氣體流速不變，根據(jù)步驟二中得到的關(guān)系式繪制地下埋管的氣流出口的溫度隨埋管半徑和長(zhǎng)度變化的曲線；并通過(guò)該曲線確定能夠滿足預(yù)定的冷卻能力要求的埋管半徑。

步驟四、假設(shè)管徑不變，根據(jù)步驟二中得到的關(guān)系式繪制地下埋管的出口溫度隨埋管長(zhǎng)度和氣流速度變化的曲線；并通過(guò)該曲線確定能夠滿足預(yù)定的冷卻能力要求的埋管長(zhǎng)度。

步驟五、利用熱分析軟件獲得基站內(nèi)的流場(chǎng)、溫度場(chǎng)，得到分析結(jié)果；并通過(guò)分析結(jié)果確定最佳進(jìn)風(fēng)位置。

步驟六、根據(jù)步驟一至步驟五得到的土壤深度、埋管半徑、埋管長(zhǎng)度以及最佳進(jìn)風(fēng)位置規(guī)劃布置地下埋管；管道的出口設(shè)置在通信基站的內(nèi)部，管道的入口設(shè)置在通信基站的外部；管道的入口處設(shè)置有風(fēng)機(jī)，風(fēng)機(jī)輸送的氣流通過(guò)土壤進(jìn)行冷卻并傳輸至通信基站中實(shí)現(xiàn)熱交換。

具體實(shí)施方式二：本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式一不同的是：步驟一中，選定的通信基站周?chē)臏\層土壤的溫度隨深度的變化關(guān)系為：

其中，t(x,τ)為地下x米處τ時(shí)刻的土壤溫度；x為地下深度；t為波動(dòng)周期；α為熱擴(kuò)散率；t0為地表溫度；τ為時(shí)刻；a為地表溫度波動(dòng)的振幅。這個(gè)計(jì)算過(guò)程是認(rèn)為地球是半無(wú)限大物體，對(duì)該物體進(jìn)行導(dǎo)熱公式計(jì)算。具體推導(dǎo)過(guò)程為：

θ(x,τ)＝t(x,τ)-t0(2)

通過(guò)采樣和公式計(jì)算得到的變化曲線如圖2所示，由圖中可以看出，當(dāng)深度大于5m時(shí)，土壤的溫度基本保持恒溫，因此可以選擇5m以下的淺層土壤作為恒溫冷源。

其它步驟及參數(shù)與具體實(shí)施方式一相同。

具體實(shí)施方式三：本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式一或二不同的是：步驟二中，地下埋管的出口溫度隨埋管長(zhǎng)度、埋管半徑、氣流速度的關(guān)系式為：

其中，to為出風(fēng)口的溫度；ti為進(jìn)風(fēng)口的溫度；t為土壤溫度；k為氣體與地下埋管的傳熱系數(shù)；s為埋管的換熱面積，包含了埋管半徑的信息；cp為定壓熱容；g為空氣的體積流量，g與s之比即為氣流速度。

其中k的計(jì)算公式為：其中h表示對(duì)流換熱系數(shù)，α表示熱擴(kuò)散率，τ表示時(shí)刻，β表示修正系數(shù)，λ表示導(dǎo)熱系數(shù)。計(jì)算k的過(guò)程實(shí)際上是將埋管視為無(wú)限長(zhǎng)圓柱體，將換熱過(guò)程簡(jiǎn)化為恒熱流作用下半無(wú)限大物體非穩(wěn)態(tài)傳熱過(guò)程，通過(guò)修正方法推出氣體與地下埋管之間的傳熱系數(shù)。

由于新風(fēng)系統(tǒng)的冷卻能力主要體現(xiàn)在出口氣流溫度上，因此需要進(jìn)行如下的計(jì)算：設(shè)埋管長(zhǎng)度為l，對(duì)應(yīng)換熱面積為s，空氣流量為g，所在地層土壤溫度為t，進(jìn)口溫度為ti，當(dāng)未通入空氣時(shí)，管壁溫度等于地層溫度t。通入空氣后，空氣通過(guò)管長(zhǎng)度上的熱量變化等于埋管壁面的熱量變化，即在選定的dx、ds內(nèi)，設(shè)溫度為tx，則有-cpgdtx＝k(tx-t)ds；積分可得：即得到上述的公式

其它步驟及參數(shù)與具體實(shí)施方式一或二相同。

具體實(shí)施方式四：本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式一至三之一不同的是：埋管位置的土壤深度為5m；所述風(fēng)機(jī)的風(fēng)速為2m/s；埋管半徑為0.2m；埋管長(zhǎng)度為100m；最佳進(jìn)風(fēng)位置為所述通信基站內(nèi)部的地板上，且距離空調(diào)位置1.65m處；埋管選用pp管材。

具體實(shí)施方式二中確定了深度大于5m時(shí)，土壤的溫度可以保持恒溫?？紤]到工程實(shí)際，深度越大，則工程難度就越大，因此進(jìn)行綜合考慮后選擇5m作為埋管深度。

根據(jù)具體實(shí)施方式三中的公式可以確定最佳的風(fēng)速、埋管半徑以及埋管長(zhǎng)度。具體方法如下：

利用控制變量法，先控制氣流速度2m/s不變，使用如matlab的軟件繪制出氣流出口溫度隨埋管半徑和長(zhǎng)度的變化圖，如圖3所示。再保持管徑r＝0.2m不變。繪制出出口溫度隨埋管長(zhǎng)度和氣流速度變化的曲線圖，如圖4所示。從圖3和圖4中可以看出，出口溫度隨著空氣流速的減小而減小，隨著埋管長(zhǎng)度的增加而減小，隨著埋管的深度的增加而減小并隨著埋管半徑的減小而減小。結(jié)合工程實(shí)際，管道半徑過(guò)小，埋管長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)會(huì)增加制造難度和成本，因此埋管只需滿足較低的出口溫度即較好的冷卻能力即可。由程序計(jì)算及圖像可得，選擇地下新風(fēng)系統(tǒng)的埋管長(zhǎng)度為100m，半徑為0.2m，埋管深度為5m，氣流速度為2m/s時(shí)，新風(fēng)系統(tǒng)的冷卻能力較好，此時(shí)氣流出口溫度低至23℃。采樣地的地表平均溫度約為19度。

以上確定了埋管的相關(guān)參數(shù)，還需要考慮出風(fēng)口應(yīng)該設(shè)置在通信基站內(nèi)部的哪個(gè)位置，此處可以使用如ansys的熱分析軟件獲得基站內(nèi)的流場(chǎng)、溫度場(chǎng)，求解引入地下新風(fēng)的最佳進(jìn)風(fēng)位置?，F(xiàn)考慮從基站下部地板中引入和在空調(diào)正對(duì)面引入兩種方法。經(jīng)過(guò)建模分析流場(chǎng)和溫度場(chǎng)可得：在空調(diào)正對(duì)面引入的新風(fēng)時(shí)，原有流場(chǎng)會(huì)形成沖擊，導(dǎo)致沉降在下側(cè)的冷風(fēng)受到擾動(dòng)，不能及時(shí)排出自由開(kāi)口，以至于該部分風(fēng)溫較高，不利于散熱，會(huì)使靠下部分的熱源工作單位溫度升高，且局部熱源最高溫度沒(méi)有得到改善；在地板上開(kāi)孔引入地下新風(fēng)對(duì)于改善基站熱源散熱條件是有利的，其溫度場(chǎng)能得到合理的改善，并且在選擇風(fēng)口位置為距離空調(diào)一側(cè)1.65m時(shí)，房間的降溫散熱效果達(dá)到最佳。在此位置引入新風(fēng)系統(tǒng)后空調(diào)溫度調(diào)高3～4℃，仍能滿足基站內(nèi)部設(shè)備正常工作的溫度范圍，并且能與未引入新風(fēng)之前只使用空調(diào)進(jìn)行制冷時(shí)的房間溫度相差不大。這也證明利用土壤冷源的新風(fēng)系統(tǒng)能夠成為基站另一制冷設(shè)備。

其它步驟及參數(shù)與具體實(shí)施方式一至三之一相同。

具體實(shí)施方式五：本實(shí)施方式提供一種利用土壤冷源降低通信基站制冷設(shè)備的節(jié)能系統(tǒng)，包括：

具有出風(fēng)口的通信基站，出風(fēng)口設(shè)置在通信基站的地板上，并且距離通信基站內(nèi)部空調(diào)的水平距離為1.65m。

埋于通信基站周?chē)耐寥乐械墓艿?，管道在土壤中的深度?m，管道的界面半徑為0.2m，管道埋在土壤中的部分的總長(zhǎng)度為100m；管道的第一端與通信基站的出風(fēng)口連接，第二端設(shè)置在通信基站外部的地面上；管道的選材為pp管材。

風(fēng)機(jī)，與管道的第二端連接，用于通過(guò)管道向通信基站內(nèi)部輸送氣流；風(fēng)機(jī)輸送的氣流流速為2m/s。

本實(shí)施方式的結(jié)構(gòu)如圖1所示，選擇特定參數(shù)的理由與具體實(shí)施方式四中給出的解釋一致。

在本實(shí)施方式中，通過(guò)實(shí)驗(yàn)可知空調(diào)的溫度每上升一度，可以節(jié)省電量5～8％，3匹空調(diào)的功率約為2800w。具體實(shí)施方式四中提到，使用本發(fā)明的方法相比于只用空調(diào)制冷，在滿足設(shè)備正常工作的前提下，空調(diào)溫度可以上調(diào)4攝氏度，溫度上升4度的節(jié)電量為2800-2800×0.95⁴＝519.4w，制冷設(shè)備節(jié)約能耗519.4w/2800w＝18.6％。因此基站引入新風(fēng)系統(tǒng)后，可以減少空調(diào)制冷能耗18％左右。

本發(fā)明還可有其它多種實(shí)施例，在不背離本發(fā)明精神及其實(shí)質(zhì)的情況下，本領(lǐng)域技術(shù)人員當(dāng)可根據(jù)本發(fā)明作出各種相應(yīng)的改變和變形，但這些相應(yīng)的改變和變形都應(yīng)屬于本發(fā)明所附的權(quán)利要求的保護(hù)范圍。