馬宏坤
（中通服節能技術服務有限公司，江蘇 南京 210003）
摘 要： 隨著通信行業的迅猛發展，通信基站數量越來越大，能耗總量很可觀。在不增加基站的日常維護工作量的情況下，尋找一種有效、穩定節能，投資收益又合理的節能技術，是運營商迫在眉睫的事情。利用碳氫冷媒更換R22冷媒就是一種有效改造方案。本文從基站能耗狀況入手，分析了環境及話務量對于通信主設備能耗的影響以及環境對于空調效率及機房熱負荷的影響，評估了空調碳氫冷媒改造的節能效果，列出了推廣過程中需要注意的事項。
關鍵詞： 碳氫冷媒；天然冷媒；通信機房
0 引言
對于通信基站來說，能耗主要發生在開關電源轉換效率損耗、通信設備能耗、機房空調能耗等三個方面。電源的轉換效率，在一個已經建成的基站中，基本處于一個恒定值，該效率值有一定提高空間，但本文不打算做討論。本文重點關注通信主設備能耗和機房空調能耗與環境及系統忙閑有什么樣關系，機房空調制冷能效比如何測定，碳氫冷媒的節能效果如何，利用碳氫冷媒開展基站空調節能改造工作的時候需要關注哪些內容。
1 通信主設備能耗的影響因素
通信設備能耗一方面與其自身的設計特性有關，另一方面與通信設備的負荷（通常用話務量來描述）也有一定關系。為了研究話務量忙閑對于通信設備能耗的影響，中通服節能技術服務有限公司利用自主研發的空調能耗測量評估平臺每分鐘采集一次基站室外環境溫度、通信設備耗能、空調耗能等參數，再結合從運維系統中提取的話務量數據綜合分析，取得了一些量化成果。
2.1 話務量的變化規律
2.1.1 話務量在每天不同時段的變化規律
基站話務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 話務量在工作日和休息日的變化規律
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量曲線變化趨勢(如峰谷時間)基本保持一致，符合正常的作息規律；②用戶休息日的通信活動明顯小于工作日。
2.2 話務量的變化對通信設備能耗的影響
對采集的通信主設備功率在一天不同時間段的變化做了統計，如圖4和圖5所示。
為了直觀分析其與話務量之間的關系，把話務量作為橫軸，設備功率作為縱軸，如圖6和圖7所示。
從圖7可以看出，在兩個基站的話務量與主設備功率之間都可以擬合出一條線性關系方程，尤其是凱豪大酒店的擬合度相當高，充分說明它們之間是存在線性相關的關系。
設凱豪大酒店主設備功率為y(單位為kW),話務量為x，則y=0.001x+3.7678。可以理解為這個基站的主設備的基礎功率為3.7678 kW, 話務量每增加1（話務量增加1的意思通俗地講就是同時在線通話用戶數增加一個），主設備功率就增加1 W。珠江路基站則是話務量每增加1，主設備功率就增加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功率低,只有約1.66 kW,導致功率變化值即使一樣，相對于基礎值來講離散度也變得較大(反映在圖7中就是那條散點圖形成的線看起來比較粗)。
3 基站機房空調能耗的影響因素
機房空調耗能主要有兩大要素：空調制冷效率和機房內對總冷量需求。而這兩大因素都受外界溫度變化影響。
3.1 外界溫度對于空調效率的影響
壓縮機的工作原理是壓縮氣態制冷劑，使得高溫的氣態制冷劑進入冷凝器，通過冷凝器向外界傳熱，然后在一定的壓力和溫度下，冷凝為液態制冷劑，送到蒸發器內吸收熱量，如此循環。從這個過程中可以看出，外界溫度變化，將直接導致氣態制冷劑冷凝溫度點的變化，而每種冷媒在不同冷凝溫度下對應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，壓縮機阻力就增大，同樣的運動行程做的功就越多，所以耗能也就增大。
從表2可以統計出，在5℃～40℃，R22冷凝壓力對應每℃的變化率平均值在2.81%。ER445B冷凝壓力對應每℃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溫度點之間的相對變化率。
綜上所述，壓縮機耗電功率的變化是由制冷劑飽和壓力溫度數據決定的。空調能效比是制冷量/耗電功率，故采用R22冷媒的空調，溫度每上升1℃，空調耗電功率相對于前一個相鄰溫度點上升2.81%，能效比則相對于前一個相鄰溫度點下降1/(1+2.81%) = 2.73%，所以得到式（1）：
EERt1=EERt0*(1-2.73%)(t1-t0) （1）
采用ER445B碳氫冷媒的空調，溫度每上升1℃，能效比則相對于前一個相鄰溫度點下降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，t1: t1溫度點，EER：空調制冷能效比
式(1)表示采用R22冷媒的空調，在t0溫度點空調壓縮機的能效比EERt0和在t1溫度點的能效比EERt1之間的關系。公式(2)表示采用ER445B冷媒的空調上述兩個能效比之間的關系。
3.2 外界溫度對于空調負載的影響
通信基站內由空調控制在一個恒定的溫度，比如25℃。當外界溫度高于25℃時，就會通過墻體向機房內傳熱，從而增加空調負載；反之，則向外散熱，減少空調負載。這個通過墻體傳導的熱量就是外界溫度對于空調負載影響的體現。
通過墻體傳導的熱量等于空調產生的總冷量(等于機房總發熱量)減去通信設備的發熱量。
要測量空調產生的總冷量，可以采用空調的耗電×空調制冷效率得到。空調制冷效率與外界溫度密切相關，而外界溫度是隨時變化的。評估系統用每次采集的環境溫度下實時空調制冷效率與所耗電能的乘積在時間軸上做積分處理，結果的準確性與評估系統采集數據的密度相關。為了保證準確性，本系統每分鐘采集一次數據，由于外界溫度一分鐘內的變化很小，在此期間空調制冷效率基本保持不變，從而保證結果相對準確。
3.2.1 空調壓縮機的制冷能效比
空調耗電部件主要由壓縮機和風扇及控制部分組成，基站空調的待機功耗（風扇及控制部分的能耗）不起制冷作用，反而是熱源。為了精確計算，利用空調壓縮機的制冷能效比，而不是整機的能效比。這么一來，壓縮機的功耗就是空調的總功耗減去空調待機功耗，而設備發熱負荷則變為主設備功耗加空調待機功耗。
考慮到機房內設置在25℃，可以認為當外界環境溫度介于24.5℃～25.5℃之間時，機房內外熱傳導的熱量可以忽略不計。利用系統采集的大量數據，從中挑出外界環境溫度介于24.5℃～25.5℃的部分統計分析，得到表3。
其中待機功率就是空調風扇和控制部分的耗電功率；壓縮機平均功率 =空調平均功率-待機功率；熱負荷功率=主設備功率+待機功率；壓縮機制冷能效比=熱負荷功率/壓縮機平均功率。
利用表3結果，結合式（2）(以25℃為起始點)EERt1 =EER25*(1-2.5%)(t1-25)，可以得到兩個基站的空調在不同溫度下的壓縮機制冷能效比，如表4。
3.2.2 不同外界溫度下通過墻體傳導的熱量
有了不同溫度下空調壓縮機制冷能效比數據，結合每次采集的不同外界溫度下空調壓縮機的耗電量，就可以計算出空調實際產生的總冷量，總冷量等于總熱量，再用此總熱量減去設備的發熱量(含空調風扇等待機能耗)，就可以得到通過墻體傳導進出機房的熱量。兩個基站通過墻體傳導的熱量數據如圖8和圖9所示。
圖8和圖9中橫軸是機房室外溫度，縱軸是單位時間內傳導的熱量，其中正值表示通過墻體向機房內傳熱，負值表示通過墻體向機房外散熱。熱傳導方向切換點兩個基站都在25℃左右，與實際情況完全吻合，而且擬合曲線的擬合度非常高，這從統計學上也反過來印證了我們的計算方法是科學、嚴謹的，采集的基礎數據也是準確的，分析過程中用到的相關推導公式也是合理的。
利用上述兩幅圖所呈現出來的統計數據，可以推導出兩個基站在什么情況下就可以關閉空調電源（當墻體散熱等于主設備熱負荷的時候），如表5所示，利用墻體自然散熱就可以滿足機房環境要求。
這個數據對于基站節能管理工作具有很大的指導意義，可以明確哪個機房什么時候可以關閉空調電源。
4 碳氫冷媒相對于R22的節能效果
4.1 冷媒材料物理性質理論
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個溫度點平均下來高12.33%，可以理解為使用R22的空調比使用ER445B的空調功耗高12.33%。
4.2 實際測量數據分析
空調的功率是隨外界溫度變化而顯著變化的，空調其實并不存在一個穩定的靜態功率或者效率數據值，而是對應某個特定工況下（基站主要就是外界溫度）下，都有一個相對穩定的功率或者能效比值。正是基于這種思路，本節能效果測試方案就是改造前持續采集3個月，每個基站都采集了約13萬條記錄，每條記錄都包含了外界溫度、設備、空調能耗參數等37個數據。改造后則一直持續測量采集。然后依據改造前后不同外界溫度下空調的功率和能效比數據做擬合關系方程，從離散的點圖歸納出明確的量化程式，并以此為基礎來確定改造前后的每個外界溫度條件下的節能效率。以凱豪大酒店基站為例，對比分析改造前后基站空調的能耗數據如圖11所示。
通過統計分析，得出能耗擬合公式：
y=0.1007x+0.0143 (3)
y=0.0753x+0.0593 (4)
其中：y表示空調功率，單位kW；x表示機房外界溫度，單位為℃。
式（3）表示改造前空調功率隨外界溫度變化情況，式（4）表示改造后空調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。依據公式計算整理如表6所示。
常州凱豪大酒店基站空調應用ER445B改造后，不同外界溫度點下的空調的節電率在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電率情況類似，都能夠達到18%以上。
結論：利用碳氫冷媒對空調做節能改造，可以在通信基站這種場景下推廣。
5 碳氫冷媒應用于機房空調的注意事項
經過細致詳實的測試和統計分析，驗證了了碳氫冷媒的節能效益。但是在施工及使用過程中也暴露了利用碳氫冷媒做節能改造需要注意的相關事項。
利用碳氫冷媒對基站空調做節能改造，操作流程相對簡單，只要是日常空調維護人員，經過簡單培訓就可以熟練掌握。基本流程分兩步：①把空調內部的R22抽取干凈； ②向空調內部注入ER445B碳氫冷媒。這兩個過程，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有: ①抽取空調內部的R22的時候，需要盡量完全抽取干凈，注意不要有泄漏點，避免空氣滲透進去。②注入ER445B的時候，依據不同型號空調，先注入預先規定的注入量，然后開啟空調，細心觀察空調的實際運行狀態，并且實時監測空調的耗電電流和出風口溫度，通過微調ER445B的充注量，把耗電電流和輸出溫度調到預期狀態。③沖注ER445B的時候，需要同步加注符合規格的潤滑油。④改造后需要做好醒目的警示標識。
6 結束語
中通服節能技術服務有限公司研發的空調能耗測量評估系統能夠有效測量、評估機房空調在復雜環境下的功率和能效比。依托該測量評估系統，可以較為客觀、科學地為用戶提供節能改造后的節能效益評估，從而為運營商采用EPC方式開展空調的節能改造工作奠定了技術基礎，創造了便利條件。
若能夠嚴格按照施工規程施工，做好后期維護保障的安全措施，碳氫冷媒技術是可以用在通信機房的空調節能改造中的。每個基站年節電量按照2 000 kWh。保守計算，如果該項技術能夠應用到100萬個基站，預計一年就可以節約電能20億千瓦小時。
對表4數據進行分析讀取累計與各因素之間的關系如圖8所示。
圖8中的橫坐標1，2，3分別代表每個因素的第一個，第二個，第三個因素水平。由分析圖表直觀得出，在實時在位讀取的時候，讀取累計跟天線方位、天線與貨架水平距離、天線與貨架標高間高差都是負相關的，其中天線正對的時候讀取效果最好，天線與貨架水平距離小的時候，其效果也更好。天線方位為正對標簽、天線與貨架水平距離1 m、天線與貨架標高間高差0.7 m、標簽方位全部置頂為最好的讀取累計配置。
設F2為讀取累計，A2為出入通道間距，B2為天線高度，C2為標簽方位，D2為通過速度。則可得出本貨品實施在位讀取性能實驗相關參數的線性回歸方程為：
F2=1035.02-2.09A2-87.33B2-141.66C2-9.33D2
由表4試驗數據計算可得R2=0.92，接近1，表明線性相關性較強，F=12.08>F0.05（4，3）=9.12因而方程整體顯著。