摘  要：本文从通信基站用空气显热交换器的项目背景、工作原理、实验方法和数据等几方面进行了阐述。该设备是在在综合考虑通信基站温湿度，洁净度要求，全年室外温度变化特性和空调运行特性，运用室内外空气温差传热的理论，研制开发的一种适合通信基站的空气显热交换器。
关键词：通信；基站；显热；交换


1、前言
1.1全国节能节电的总体趋势

      近年来随着国民经济的高速发展，我国已成为仅次于美国的世界第二大能源消耗国，同时也是世界第二大CO2排放国。能源的合理利用和新能源的开发日益得到广泛的重视。能源短缺和环境污染问题已成为我国经济可持续性发展和人民生活水平提高的瓶颈。其中能源短缺最直接的表现为电力严重不足。

1.2通信业自身的发展的需要

      随着市场经济的不断深入，各种规章制度的不断完善，市场的运作模式逐步与国际接轨。同时企业之间的竞争也越来越激烈，通信运营业务收入增长会越来越缓慢，开源节流成为提高经营收益的有效办法。各大运营商一方面要通过挖掘网络潜力、发展新业务来增加业务收入，另一方面要想尽一切办法减少运营支出，特别是降低电费支出。在这样的形势下，节电降耗不仅符合我国的基本国情，也是满足企业的生存发展策略。
      基于以上背景，针对基站的特点，我公司与河北博宇节能设备有限公司共同研发出了一套节能热交换系统——空气显热交换器。

1.3项目试验前提：

      众所周知，使用基站通风设备的节能效果，但是有过滤网易堵塞、室内洁净度降低、维护工作量增大等缺点。为了能够继续利用空气流动原理来降低室内温度达到节能的目的，2005年5月份，试验成功了第一台空气显热交换器，利用金属传导热能的原理，使室外的冷空气与室内的热空气进行交换，并且安装了自动控制装置，实现与基站空调的互锁联动功能。即避免了灰尘堵塞过滤网的缺点，又减少了维护工作量。为了验证此设备的节能空间（效果），在2005年10月又在衡水分公司安装了2台，安装到直流耗电量不同的基站。通过一年来的使用、记录电费的变化，证明了此项目的具有可推广意义。


2、工作原理

图2-1 空气显热交换器工作示意图

       空气显热交换器的本体由换热芯体、室内侧风机、室外侧风机三个主要部分构成，还包括金属保护外壳以及送风管道等附件。工作原理利用室内外温差使室内外两侧气体进行热量交换，从而降低室内温度。工作流程见图2-1，从室外侧的角度看，室外空气在室外侧风机的作用下从室外侧送风口进入装置本体，然后通过换热芯体进行换热，从室外侧排风口又被排出至室外；从室内侧的角度看，室内空气在室内侧风机的作用下由室内侧送风管进入装置本体，然后通过换热芯体进行换热，再由室内侧回风管重新回到基站内。

3、实验测试方案
      为对基站用空气显热交换器设计和运行提供必要的基础数据，加快该产品的推广应用，在衡水分公司地毯厂基站进行了实地热工性能的测试。

3.1 热工性能测试的主要内容

1．测试该热交换器的换热效率，传热系数；
2．换热量随风量和换热温差的变化规律；
3．热交换器阻力；
4．不同的发热量下运行该换热器对室温的降温效果；
      此外对已安装了该热交换器的通信基站进行实际测量，测试实际应用条件下热交换器对通信基站的降温效果。

3.2 换热器结构（见图3-1） 
     

      热交换器内部由100块平薄铝板压制而成，单块铝板面积为495*495（mm2），总换热面积为495*495*98（mm2）。热交换器外部包有金属外壳。接口和接缝处用密封胶密封。热交换器两侧空气进口段分别设置静压箱。两侧均选用轴流风机，风机型号 JH315B型，额定电压240V，额定风量1680m3/h，额定功率303W。

3.3 实验工艺流程  

      实验工艺流程见图3-2。实验温度测点共10个，其中T1,T2,T3,T4,T5用于测量室内温度值，Tw用于测量室外温度值，Tn1,Tn2用于测量热交换器室内侧进出口空气温度，Tw1,Tw2 用于测量热交换器室外侧进出口空气温度。
      压力测点4个，P1,P2用于测量热交换器室外空气侧全压值，静压值和动压值，并且可以测量热交换器室外空气侧的阻力。P3,P4用于测量热交换器室内空气侧全压值，静压值和动压值，并且可以测量热交换器室内空气侧的阻力。
      测试分为石家庄实验室测试和地毯厂基站测试。石家庄实验室位于石家庄市桥西区河北博宇节能设备有限公司工厂内。实验室为普通砖混结构，无特殊保温措施。三面外墙，一面内墙。实验室外门挂设棉门帘，以减少测试过程中冷风渗透。热交换器安装在实验室内进行测试。衡水基站测试点：基站位于河北衡水市地毯厂内，位置比较僻静。基站围护结构：墙体为37墙，普通砖混凝土结构；在东面墙上装有一扇钢制防盗门。室内热源为多台通信设备，直流耗电量57A。

3.4 实验方法和实验步骤

3.4.1．换热器效率

      测试分为7组，每组对应一个室外空气侧风量，风量的调节依靠改变风机电压来实现（本实验所选风机电压为150V，160V，170V，180V，200V，220V，240V）。测试方法为平均法。每组测试步骤如下，首先开启已知发热量的热源使室温升高，当室内温度比室外温度高约25℃时，开启热交换器。待热交换器运行2分钟后测试开始，测试初始阶段每间隔1分钟记录换热器进出口各测点温度，10分钟后每间隔5分钟记录一次，测试持续1小时左右，到达指定时间后关闭换热器。在测试过程中保持热源处于开启状态。依次改变风量进行测量，步骤同上。

图3-2 实验工艺流程

3.4.2．压降随风量的变化

      鉴于被测热交换器的结构特点，在相同风量下室内空气侧与室外空气侧阻力相同，因此，只须测热交换器某一侧阻力即可。测试选取热交换的室外空气侧作为被测对象。测试分为7组，每组对应一个热交换器室外空气侧风量，风量的调节依靠改变风机电压来实现（本实验所选风机电压为150V，160V，170V，180V，200V，220V，240V）。测试方法为平均法。实验步骤为如下，在某一电压下启动换热器，待换热器运行10分钟后测量开始。用毕托管和斜管微压差计同时测热交换器两侧截面对应测点的全压值，静压值和动压值。再用毕托管和斜管微压差计测得换热器两侧相应测点的压力降。依次改变风机电压进行测量，步骤同上。
      截面及截面上测点的确定：
      在室外空气侧进出风管为圆形，两端管段的截面上分别设置16个测点，入口侧截面设置在距换热器0.5米，距风机出口2米处，出口侧截面设置在距换热器0.5米处。分别在每个截面上水平和竖直两个方向打孔布置测点。由公式  得出第n个测点的位置。
式中  Rn——由圆心至第n个测点的距离；
        R——圆管半径； 
        n——由圆管中心算起的等面积圆环序号； 
        m——风管断面划分的等面积圆环数，管径200---400（mm）时，环数宜取4。
      在截面中测点位置见图3-3

3.4.3．传热系数随风量的变化，换热量随风量的变化

      测试分为7组，每组分别设定一个换热器室外空气侧风量，风量的设定依靠改变风机电压来实现（本实验所选风机电压为150V，160V，170V，180V，200V，220V，240V）。测试方法为热平衡法。每组测试步骤如下：首先开启已知发热量的热源使室温升高，当室内温度比室外温度高约25℃时，开启热交换器。待热交换器两侧的换热量相差小于5%时，可认为此时换热器处于稳定状态，此时测试开始，在测试初始阶段每间隔1分钟记录换热器进出口各测点温度，10分钟后每间隔5分钟记录一次，半小时后每间隔15分钟记录一次，测试持续1小时左右。到达指定时间后关闭换热器。在测试过程中保持热源处于开启状态。依次改变热交器室外空气侧风机电压进行测试，步骤同上。

3.4.4．实验室降温效果测试

      实验分为两组，第一组：热源为8500W，改变换热器室外风量（风量的调节依靠电压调节实现，分别为150V，170V，200V，220V）。第二组：热交换器室外空气侧引风机电压为220V，改变热源发热量（4500W，7000W，8500W，12000W）。温度测试方法为平均法。测试步骤如下：开启已知大小的热源，使室内温度升高，当室内温度升高到某一设定值时，启动热交换器对室内进行降温，同时开始记录室内外各测点的温度，实验开始阶段每1分钟记录一次，系统运行10分钟后每5分钟一次，半小时后每10分钟一次，测试持续一小时左右。测试期间保持热源处于开启状态。
      室内外温度测点的选择见图3-4

图3-4 实验室降温效果测试温度测点平面布置

 3.4.5. 基站实测

图3-5 衡水基站温度测试平面图

       测试分为两组，第一组：测试只运行热交换器室内温度的变化，第二组：测试只运行空调时室内温度的变化。在基站内设置四个温度测点见图3-5。测试室内温度的方法为平均法。测试前，关闭所有的降温设备，当基站内的温度升高到某一设定值（本测试定为33℃）时，开启热交换器或空调，同时开始记录室内各测点温度值，测试初始阶段每间隔1分钟记录一次，系统运行10分钟后每5分钟记录一次，一小时后每15分钟记录一次，测试持续两小时。室内外测点的位置见图3-5。

3.5 实验用仪器
1 斜管微压差计 2个
2 毕托管 4支
3 温度计 8支
4 电子温度测试仪器 1台
5 三杯风速仪 2套
6 环境智能测试仪 1套
7 热源（电炉1500w，电暖气2000w，煤气炉7000w，电加热板2000w）
 
4、实验结果分析

4.1 热交换效率

      热交换效率是衡量换热器热交换完善程度的重要指标，也是换热器设计优化的重要依据。
      热交换效率的定义：            
      式中，分母为流体在换热器中可能发生的最大温差，而分子则为冷流体或热流体在换热器中的实际温度差值中的大者。如果冷流体的温度变化大，则 。（式中tl1 为冷流体出口温度，tl2 为冷流体进口温度。）反之，则 ，（式中， tr1为热流体进口温度， tr2为热流体出口温度。） tr1-tl2理解为：热流体进口温度和冷流体进口温度之差，即换热器中可能发生的最大温差。从定义式可知，效能 表示换热器的实际换热效果和最大可能的换热效果之比。
      图4-1给出了换热效率随风量的变化关系，从图中可以看出随着风速的增加，换热效率逐渐降低。这主要是因为，随着风速的增加，空气在热交换热器中停留时间相对缩短，造成冷、热空气在热交换器中还没有进行充分的能量交换即被排出，从而引起了换热效率的下降。实测结果表明，热交换器热交换效率在额定风量条件下为0.58～0.62，达到了目前国内空气显热交换器性能的先进水平，通过对热交换器结构的进一步优化，其热交换效率可进一步得到提高。

图4-1 热交换器的效率与风量的关系

 4.2 换热量随风量的变化 

      换热量与风量和温差之间的关系是基站空气热交换器设计和风机选配的基本依据。 
      忽略散热损失，换热量的计算公式为 ：  
      其中 ： Q——为冷、热流体侧的换热量，W；
                 cr,cl——为空气的定压比热，取1.005kJ/Kg. ℃； 
                 ——分别为冷热流体进、出口的温差，℃；
                ml,mr——冷热流体流量，kg/s ；
      换热量随风量和温差的变化关系见图4-2. 图4-3
      由图4-2可以看出在相同温差下随着热交换器室外侧风量的增加，换热量逐渐变大，以温差为17℃为例可以很直观的看出这种变化趋势；由图3-3可知道，当风量一定时，随着室内外温差的变大，换热量也在逐渐增加。理论上说，在其它条件不变的情况下，由换热量计算式可知，换热量与温差成正比，因此随着温差的增加，换热量Q增大，实验结果与理论很好的吻合。
      实验测试表明，所测型号的热交换器其换热量的范围为5kW～6.5kW，该数据可用于基站空气降温设计热交换器选择的依据。

图4-2 换热量随风量和温差的变化

图4-3 换热量随室内外温差和风量的变化

 4.3 压降随风量的变化

      热交换器阻力损失随风量的变化关系是热交换器风机选择的基础数据，实测的热交换器压降随风量的变化关系见图4-4。
      由图4-4可以看出，随着风量的增加，热交换器室外空气侧的压力损失也随之增大。这是由于随着风速的增加，热交换器的阻力也增大，从而造成其损失增大。在风量为1500m3/h条件下，热交换器压降为31.5Pa。 
 

图4-4  压降随风量变化

 4.4 传热系数随风量的变化

      换热器传热系数是衡量换热器性能的重要指标，也是换热器面积计算的基本依据。
      换热器传热系数计算公式：  
 
  Q————换热量，W；
  C————空气定压比热，1.005kJ/Kg. ℃；  
  K————换热系数, ℃；
  F————换热面积, ； 
  ———传热对数平均温度差，℃；
      逆流时的对数平均温差 ，式中 为热流体进口与冷流体出口温差 与热流体出口与冷流体进口温差 二者中的大者， 为二者中的小者。
      上面所述是逆流换热器的对数平均温差的计算方法，然而此热交换器是交叉流的。其对数平均温差的计算比较复杂，为了方便，可将它与进出口温度相同的纯逆流相比较，求出修正系数 ，即 
 
其中 的求法为： 
  
      根据P ，R 值由《传热学》中图：一次交叉流，两种流体各自都不混合时的 查出各种情况的 值。从而换热系数 ，在 变化不大以及换热面积F一定的情况下，换热系数随着风量的增大而逐渐变大，实验结果与理论是一致的。
      热交换器的传热系数的测试结果见图4-5。由图可以看出传热系数随风量的增加而增加，在风量为1500m3/h条件下，热交换器的传热系数为43W/m2.℃

图4-5 传热系数随风量变化

4.5 室温降温效果

      由图4-6可以看出，在室外温度变化较小的情况下。热交换器运行的前10分钟内，室内温度下降地比较快，随后降温趋于缓慢。保持热交换器室外空气侧风量不变的条件下，改变不同的热源发热量进行对比实验，结果表明：随着室内发热量的增大，室内最终维持的温度也随着升高。同样，在室外温度变化较小时，在同一发热量下，启动热交换器对室内进行降温，在前10分钟内室内温度下降地比较快，而后趋于缓慢。改变热交换器室外空气侧风量进行对比实验，结果表明：随着风量的增加，室内最终维持的温度也随之降低，热交换器的换热量增加。

图4-6   室内温度随时间的变化

5、 基站的实测效果及分析

5.1基站的实测效果

      基站位于河北衡水市地毯厂内，位置比较僻静。四周没有建筑物与之相连，四面外墙。基站围护结构为37型墙体，属于普通砖混凝土结构，在东面墙上装有一面钢制防盗门，室内热源为多种通信设备，基站建筑面积4.2*5.7（m2）。
      从图5-7中可以看出，在热交换器运行的前几分钟内，基站内的温度下降地比较迅速，随着过程进行，温降幅度逐步减小，而后趋于缓慢。而在室内外条件基本相同的条件下运行空调，基站内温度几乎呈线性下降，在前几分钟内基站内温度下降比用热交换时缓慢，但随着过程的进行，基站室内温度持续下降，直至达到空调设定的室内温度。总体来看，空调降温效果比较明显，时间短，降温幅度大，用热交换器时，降温慢，降温幅度小。但是空调耗能远大于热交换器耗能，所以两者能耗比较还需要结合实际情况具体的计算。

图5-7 基站温度的变化

 5.2基站的实测数据及分析

5.2.1 理论分析

      基站是通信系统的重要组成部分，其内部温湿度和洁净度等环境参数不仅直接影响着通信设备的可靠运行和使用寿命，更关系到通信的顺畅与安全。然而基站机房中空调电费支出占基站电费总支出的比例较大，平均每个基站空调年平均电费支出在5000元人民币以上。

5.2.2当前基站用现用空调的特点及能耗情况

      基站的空调降温、空气净化及其运行管理始终是通信维护部门的工作重点之一。基站现行的空调设备具有以下特点：
      基站内设备散热量大、散热量集中，且无特定的湿源，湿量主要来自工作人员及渗入的室外空气，因此基站内散热量中95%以上为显热，热湿比近似无穷大。空调机的空气处理过程可近似看作等湿降温过程，此工况下的焓差小，必然造成送风量偏大，空调风机能耗大。
      基站内空调机能耗除了风机能耗外，还有占很大比例的压缩机能耗，使得空调成为高耗能的设备。
      基站内部设备属于全年不间断高负荷运行，即使在冬季，也可能存在散热情况。因此空调机也必须连续不间断运行，运行周期较长，为保证全年运行的高可靠性，一般需要考虑备用，使得除投资增大。

5.2.3节能效果分析和理论计算

      对于基站节能效果的计算主要是以基站负荷特性和全年室外温度变化的特性为依据。在夏季，基站保持一定的发热量，根据本测试结果分析基站发热量约为4000W，根据温差传热理论和围护结构的传热特性计算得围护结构的传热量。空调的选择应以峰值负荷为依据，冷负荷指标是 100W/m2  空调使用系数为0.7，选取制冷量约为7800W。由全年室外温度变化规律和热交换器本身的性能可知，在夏季约90天内，该热交换器不能承担冷却基站的任务，要单独使用空调对室内降温。在过渡季或冬季时，由于基站发热量较大，基站室内温度仍然可能升高，还需要起用降温设备来保持基站内的工作温度。在这段时间内可以启用热交换器。
      在过渡季节可以采取空调间歇运行方式来控制。也可可以完全用热交换器来控制，以下就是根据本实验所得结论对两种控制方式的运行能耗做一简单的计算。
1.    基站控制温度，28℃
2.    基站所在地室外月平均温度为 ：

月份	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12
平均温度℃	-2	0	9	13.6	20.5	27	26.4	26.2	21	17	12	4

3.    基站的围护结构散热量， 160W/℃
      衡水基站地毯厂。墙体构造及传热特性：水泥沙浆，37砖墙，白灰粉刷。其传热系数为：1.50 W/m2•K。墙体面积：屋内墙宽4.2m，长5.7m，高4.1m。墙体面积为：（4.2+5.7）×2×4.1－2.0×1.0=79.2 m2。
      防盗门的构造及传热特性：高约2.0m，宽1.0m，厚约5cm，其中间有隔声材料。其传热系数约为5.0W/m2•K。
      屋顶的构造及传热特性: 屋顶面积4.2×5.7=24 m2,屋顶为沥青散料制品,则其传热系数为:K=1.0 W/m2•K。
      地面的构造及传热特性：由于其地面为不保温地面,K值按地带决定.地面1:面积为2.0×5.7×2+0.2×2×2=31.6 m2,其传热系数为0.465 W/m2•K;地面2,面积:0.2×1.7=0.34 m2,传热系数为:0.233 W/m2•K。
      通过计算可知围护结构的单位温差传热量为:
Q=(79.2×1.50+2.0×5+24×1.0+31.6×0.465+0.34×0.233) ×1.0
Q=167.5W
      除地面外, 围护结构的单位温差传热量为: (79.2×1.50+2.0×5+24×1.0) ×1.0=152.8W
      综合考虑围护结构的传热和蓄热特性，取单位温差传热量为160 W。
4.    不同月份基站的室内外温差和散热量：

月份	平均温度，℃	基站控制温度,℃	室内外温差℃	围护结构散热量W	围护结构总散热W	基站发热量W	需要排出的热量W
1	-2	28	30	160	4800	4000	-800
2	0	28	28	160	4480	4000	-480
3	8.5	28	19.5	160	3120	4000	880
4	13.6	28	14.4	160	2304	4000	1696
5	20.5	28	7.5	160	1200	4000	2800
6	27	28
7	26.4	28
8	26.2	28				<