马宏坤
（中通服节能技术服务有限公司，江苏 南京 210003）
摘 要： 随着通信行业的迅猛发展，通信基站数量越来越大，能耗总量很可观。在不增加基站的日常维护工作量的情况下，寻找一种有效、稳定节能，投资收益又合理的节能技术，是运营商迫在眉睫的事情。利用碳氢冷媒更换R22冷媒就是一种有效改造方案。本文从基站能耗状况入手，分析了环境及话务量对于通信主设备能耗的影响以及环境对于空调效率及机房热负荷的影响，评估了空调碳氢冷媒改造的节能效果，列出了推广过程中需要注意的事项。
关键词： 碳氢冷媒；天然冷媒；通信机房
0 引言
对于通信基站来说，能耗主要发生在开关电源转换效率损耗、通信设备能耗、机房空调能耗等三个方面。电源的转换效率，在一个已经建成的基站中，基本处于一个恒定值，该效率值有一定提高空间，但本文不打算做讨论。本文重点关注通信主设备能耗和机房空调能耗与环境及系统忙闲有什么样关系，机房空调制冷能效比如何测定，碳氢冷媒的节能效果如何，利用碳氢冷媒开展基站空调节能改造工作的时候需要关注哪些内容。
1 通信主设备能耗的影响因素
通信设备能耗一方面与其自身的设计特性有关，另一方面与通信设备的负荷（通常用话务量来描述）也有一定关系。为了研究话务量忙闲对于通信设备能耗的影响，中通服节能技术服务有限公司利用自主研发的空调能耗测量评估平台每分钟采集一次基站室外环境温度、通信设备耗能、空调耗能等参数，再结合从运维系统中提取的话务量数据综合分析，取得了一些量化成果。
2.1 话务量的变化规律
2.1.1 话务量在每天不同时段的变化规律
基站话务量总体平均值分布如图1所示，其在一周不同天的平均值分布如图2所示。
2.1.2 话务量在工作日和休息日的变化规律
基站周一至周五的平均值和周末的平均值对比情况如图3所示。
从上述图中可以清晰地看出：①工作日和休息日话务量曲线变化趋势(如峰谷时间)基本保持一致，符合正常的作息规律；②用户休息日的通信活动明显小于工作日。
2.2 话务量的变化对通信设备能耗的影响
对采集的通信主设备功率在一天不同时间段的变化做了统计，如图4和图5所示。
为了直观分析其与话务量之间的关系，把话务量作为横轴，设备功率作为纵轴，如图6和图7所示。
从图7可以看出，在两个基站的话务量与主设备功率之间都可以拟合出一条线性关系方程，尤其是凯豪大酒店的拟合度相当高，充分说明它们之间是存在线性相关的关系。
设凯豪大酒店主设备功率为y(单位为kW),话务量为x，则y=0.001x+3.7678。可以理解为这个基站的主设备的基础功率为3.7678 kW, 话务量每增加1（话务量增加1的意思通俗地讲就是同时在线通话用户数增加一个），主设备功率就增加1 W。珠江路基站则是话务量每增加1，主设备功率就增加0.9 W。
珠江路基站的拟合度较低，是由于珠江路基站的基础功率低,只有约1.66 kW,导致功率变化值即使一样，相对于基础值来讲离散度也变得较大(反映在图7中就是那条散点图形成的线看起来比较粗)。
3 基站机房空调能耗的影响因素
机房空调耗能主要有两大要素：空调制冷效率和机房内对总冷量需求。而这两大因素都受外界温度变化影响。
3.1 外界温度对于空调效率的影响
压缩机的工作原理是压缩气态制冷剂，使得高温的气态制冷剂进入冷凝器，通过冷凝器向外界传热，然后在一定的压力和温度下，冷凝为液态制冷剂，送到蒸发器内吸收热量，如此循环。从这个过程中可以看出，外界温度变化，将直接导致气态制冷剂冷凝温度点的变化，而每种冷媒在不同冷凝温度下对应的饱和压力是不同的(见表1和表2)。在不超过临界温度下，温度越高，要求的压力就越大，压缩机阻力就增大，同样的运动行程做的功就越多，所以耗能也就增大。
从表2可以统计出，在5℃～40℃，R22冷凝压力对应每℃的变化率平均值在2.81%。ER445B冷凝压力对应每℃的变化率平均值在2.57%。需要注意的是这里用的是相邻两个温度点之间的相对变化率。
综上所述，压缩机耗电功率的变化是由制冷剂饱和压力温度数据决定的。空调能效比是制冷量/耗电功率，故采用R22冷媒的空调，温度每上升1℃，空调耗电功率相对于前一个相邻温度点上升2.81%，能效比则相对于前一个相邻温度点下降1/(1+2.81%) = 2.73%，所以得到式（1）：
EERt1=EERt0*(1-2.73%)(t1-t0) （1）
采用ER445B碳氢冷媒的空调，温度每上升1℃，能效比则相对于前一个相邻温度点下降1/(1+2.57%)=2.5%，所以得到公式(2)：
EERt1=EERt0*(1-2.5%)(t1-t0)(2)
注： t0: t0温度点，t1: t1温度点，EER：空调制冷能效比
式(1)表示采用R22冷媒的空调，在t0温度点空调压缩机的能效比EERt0和在t1温度点的能效比EERt1之间的关系。公式(2)表示采用ER445B冷媒的空调上述两个能效比之间的关系。
3.2 外界温度对于空调负载的影响
通信基站内由空调控制在一个恒定的温度，比如25℃。当外界温度高于25℃时，就会通过墙体向机房内传热，从而增加空调负载；反之，则向外散热，减少空调负载。这个通过墙体传导的热量就是外界温度对于空调负载影响的体现。
通过墙体传导的热量等于空调产生的总冷量(等于机房总发热量)减去通信设备的发热量。
要测量空调产生的总冷量，可以采用空调的耗电×空调制冷效率得到。空调制冷效率与外界温度密切相关，而外界温度是随时变化的。评估系统用每次采集的环境温度下实时空调制冷效率与所耗电能的乘积在时间轴上做积分处理，结果的准确性与评估系统采集数据的密度相关。为了保证准确性，本系统每分钟采集一次数据，由于外界温度一分钟内的变化很小，在此期间空调制冷效率基本保持不变，从而保证结果相对准确。
3.2.1 空调压缩机的制冷能效比
空调耗电部件主要由压缩机和风扇及控制部分组成，基站空调的待机功耗（风扇及控制部分的能耗）不起制冷作用，反而是热源。为了精确计算，利用空调压缩机的制冷能效比，而不是整机的能效比。这么一来，压缩机的功耗就是空调的总功耗减去空调待机功耗，而设备发热负荷则变为主设备功耗加空调待机功耗。
考虑到机房内设置在25℃，可以认为当外界环境温度介于24.5℃～25.5℃之间时，机房内外热传导的热量可以忽略不计。利用系统采集的大量数据，从中挑出外界环境温度介于24.5℃～25.5℃的部分统计分析，得到表3。
其中待机功率就是空调风扇和控制部分的耗电功率；压缩机平均功率 =空调平均功率-待机功率；热负荷功率=主设备功率+待机功率；压缩机制冷能效比=热负荷功率/压缩机平均功率。
利用表3结果，结合式（2）(以25℃为起始点)EERt1 =EER25*(1-2.5%)(t1-25)，可以得到两个基站的空调在不同温度下的压缩机制冷能效比，如表4。
3.2.2 不同外界温度下通过墙体传导的热量
有了不同温度下空调压缩机制冷能效比数据，结合每次采集的不同外界温度下空调压缩机的耗电量，就可以计算出空调实际产生的总冷量，总冷量等于总热量，再用此总热量减去设备的发热量(含空调风扇等待机能耗)，就可以得到通过墙体传导进出机房的热量。两个基站通过墙体传导的热量数据如图8和图9所示。
图8和图9中横轴是机房室外温度，纵轴是单位时间内传导的热量，其中正值表示通过墙体向机房内传热，负值表示通过墙体向机房外散热。热传导方向切换点两个基站都在25℃左右，与实际情况完全吻合，而且拟合曲线的拟合度非常高，这从统计学上也反过来印证了我们的计算方法是科学、严谨的，采集的基础数据也是准确的，分析过程中用到的相关推导公式也是合理的。
利用上述两幅图所呈现出来的统计数据，可以推导出两个基站在什么情况下就可以关闭空调电源（当墙体散热等于主设备热负荷的时候），如表5所示，利用墙体自然散热就可以满足机房环境要求。
这个数据对于基站节能管理工作具有很大的指导意义，可以明确哪个机房什么时候可以关闭空调电源。
4 碳氢冷媒相对于R22的节能效果
4.1 冷媒材料物理性质理论
通过表1和表2所示两种冷媒的饱和压力温度对照表的比较，可以看出，仅从材特性上就可以节能。把表1和表2放在一张图上就可以看得更直观。
R22的冷媒压力曲线明显处于ER445B压力曲线上方，35个温度点平均下来高12.33%，可以理解为使用R22的空调比使用ER445B的空调功耗高12.33%。
4.2 实际测量数据分析
空调的功率是随外界温度变化而显著变化的，空调其实并不存在一个稳定的静态功率或者效率数据值，而是对应某个特定工况下（基站主要就是外界温度）下，都有一个相对稳定的功率或者能效比值。正是基于这种思路，本节能效果测试方案就是改造前持续采集3个月，每个基站都采集了约13万条记录，每条记录都包含了外界温度、设备、空调能耗参数等37个数据。改造后则一直持续测量采集。然后依据改造前后不同外界温度下空调的功率和能效比数据做拟合关系方程，从离散的点图归纳出明确的量化程式，并以此为基础来确定改造前后的每个外界温度条件下的节能效率。以凯豪大酒店基站为例，对比分析改造前后基站空调的能耗数据如图11所示。
通过统计分析，得出能耗拟合公式：
y=0.1007x+0.0143 (3)
y=0.0753x+0.0593 (4)
其中：y表示空调功率，单位kW；x表示机房外界温度，单位为℃。
式（3）表示改造前空调功率随外界温度变化情况，式（4）表示改造后空调功率随外界温度变化情况。两者的拟合度都非常高，拟合式（3）和（4）可信。依据公式计算整理如表6所示。
常州凯豪大酒店基站空调应用ER445B改造后，不同外界温度点下的空调的节电率在23%左右。常州珠江路、南京祥和雅苑、南京天虹宾馆等基站的节电率情况类似，都能够达到18%以上。
结论：利用碳氢冷媒对空调做节能改造，可以在通信基站这种场景下推广。
5 碳氢冷媒应用于机房空调的注意事项
经过细致详实的测试和统计分析，验证了了碳氢冷媒的节能效益。但是在施工及使用过程中也暴露了利用碳氢冷媒做节能改造需要注意的相关事项。
利用碳氢冷媒对基站空调做节能改造，操作流程相对简单，只要是日常空调维护人员，经过简单培训就可以熟练掌握。基本流程分两步：①把空调内部的R22抽取干净； ②向空调内部注入ER445B碳氢冷媒。这两个过程，在使用配套工具的情况下，具体操作步骤还是比较简单的。
操作过程中需要特别注意的事项有: ①抽取空调内部的R22的时候，需要尽量完全抽取干净，注意不要有泄漏点，避免空气渗透进去。②注入ER445B的时候，依据不同型号空调，先注入预先规定的注入量，然后开启空调，细心观察空调的实际运行状态，并且实时监测空调的耗电电流和出风口温度，通过微调ER445B的充注量，把耗电电流和输出温度调到预期状态。③冲注ER445B的时候，需要同步加注符合规格的润滑油。④改造后需要做好醒目的警示标识。
6 结束语
中通服节能技术服务有限公司研发的空调能耗测量评估系统能够有效测量、评估机房空调在复杂环境下的功率和能效比。依托该测量评估系统，可以较为客观、科学地为用户提供节能改造后的节能效益评估，从而为运营商采用EPC方式开展空调的节能改造工作奠定了技术基础，创造了便利条件。
若能够严格按照施工规程施工，做好后期维护保障的安全措施，碳氢冷媒技术是可以用在通信机房的空调节能改造中的。每个基站年节电量按照2 000 kWh。保守计算，如果该项技术能够应用到100万个基站，预计一年就可以节约电能20亿千瓦小时。
对表4数据进行分析读取累计与各因素之间的关系如图8所示。
图8中的横坐标1，2，3分别代表每个因素的第一个，第二个，第三个因素水平。由分析图表直观得出，在实时在位读取的时候，读取累计跟天线方位、天线与货架水平距离、天线与货架标高间高差都是负相关的，其中天线正对的时候读取效果最好，天线与货架水平距离小的时候，其效果也更好。天线方位为正对标签、天线与货架水平距离1 m、天线与货架标高间高差0.7 m、标签方位全部置顶为最好的读取累计配置。
设F2为读取累计，A2为出入通道间距，B2为天线高度，C2为标签方位，D2为通过速度。则可得出本货品实施在位读取性能实验相关参数的线性回归方程为：
F2=1035.02-2.09A2-87.33B2-141.66C2-9.33D2
由表4试验数据计算可得R2=0.92，接近1，表明线性相关性较强，F=12.08>F0.05（4，3）=9.12因而方程整体显著。
