錢瑾

（靖江市產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)所 江蘇 靖江 214500）

目前暖通空調(diào)與通風(fēng)工程領(lǐng)域內(nèi)的一些湍流現(xiàn)象主要依靠湍流半經(jīng)驗(yàn)理論來解決。對復(fù)雜的湍流現(xiàn)象用計(jì)算機(jī)直接模擬計(jì)算，從計(jì)算時(shí)間、計(jì)算機(jī)內(nèi)存容量上講近于不可能。計(jì)算流體動力學(xué)（computation fluid dynamics，CFD），是通過計(jì)算機(jī)數(shù)值計(jì)算和圖像顯示，對包含有流體流動和熱傳導(dǎo)等相關(guān)物理現(xiàn)象的分析。湍流的數(shù)值計(jì)算方法大致分為直接數(shù)值模擬 （DNS，Direct Numerical Simulation）[1-2]， 大渦模擬（LES，Large Eddy Simulation）[3-4]和 Reynolds平均法（RANS）3 類。 這樣的分析方法在工程上能夠更好地預(yù)測局部流體性能參數(shù)，使得暖通空調(diào)與通風(fēng)工程系統(tǒng)設(shè)計(jì)通過少量的試驗(yàn)或者不通過試驗(yàn)，就能夠獲得優(yōu)化的設(shè)計(jì)結(jié)果。因此，采用數(shù)值技術(shù)對通信基站的能量與溫度分布模擬，尋求降低基站冷卻能耗的方法，改進(jìn)基站通風(fēng)設(shè)計(jì)，是一個(gè)較好的嘗試[5]。

1 物理模型的建立

下面以合肥地區(qū)某通信基站設(shè)備布置與通風(fēng)設(shè)計(jì)作為研究對象?；痉块g的尺寸 4.5×4.5×2.9 m3（長×寬×高）。基站房間朝南，在機(jī)房背面（北墻）下方集中布置了4個(gè)進(jìn)氣口，開孔高度500 mm，直徑 200 mm，進(jìn)風(fēng)速度 3 m/s，進(jìn)氣溫度27℃。在機(jī)房正面（南墻）上方集中布置了4個(gè)直徑同樣為200 mm的排氣口，開孔高度2 300 mm，排氣溫度30℃。房間內(nèi)部布置有蓄電池柜、電源柜、基站主設(shè)備、光配、以及配電柜等主要設(shè)備，為了簡化模型，其它一些輔助設(shè)備，建模時(shí)沒有考慮，靠墻擺放的主要設(shè)備也簡化為直接與墻面接觸。基站房體的物理模型如圖1所示[6]。

圖1 房間的設(shè)備布置Fig.1 Equipments distribution in the communication base station

模擬選用的節(jié)能通風(fēng)系統(tǒng)類型為直排式節(jié)能系統(tǒng)，基站內(nèi)各設(shè)備尺寸及功率詳如表1所示。

表1 房間物理模型參數(shù)表Tab.1 Parameters of the equipment in the communication base station

2 通信基站工作條件模擬

數(shù)值模擬中的邊界條件指的是在數(shù)值計(jì)算求解區(qū)域的邊界上所求解的變量如速度、溫度等或其一階導(dǎo)數(shù)隨地點(diǎn)及時(shí)間的變化規(guī)律。

通信基站機(jī)房一般置于室外，因此計(jì)算中需考慮太陽輻射的影響，本論文研究夏季機(jī)房采取機(jī)械通風(fēng)的可行性，故根據(jù)合肥夏季的氣候的特點(diǎn)，選取太陽輻射的強(qiáng)度為1 000 W/m2。機(jī)房一般無人值守，因此在一般情況下無需考慮人體和照明光的散熱。本模型的主要邊界類型及條件如下：

1）將基站外墻、屋頂設(shè)為熱通量邊界，室內(nèi)地面則設(shè)為溫度邊界，溫度根據(jù)逐時(shí)計(jì)算結(jié)果可能出現(xiàn)的最大值時(shí)刻選取?；緹o外窗，故無需考慮太陽透射。

2）站內(nèi)主要設(shè)備設(shè)為熱通量邊界，數(shù)值上取其總發(fā)熱量與散熱表面積之比。

3）進(jìn)、出風(fēng)口分別設(shè)定為風(fēng)速進(jìn)口邊界和風(fēng)速出口邊界。

4）風(fēng)扇進(jìn)口溫度為 27～40℃，速度為3 m/s（主要考慮夏天時(shí)也采取機(jī)械通風(fēng)）。根據(jù)氣象臺發(fā)布的安徽合肥近年的氣候溫度可知，合肥夏季7月的平均溫度的大致范圍為25～29℃，考慮到可能出現(xiàn)的極限情況，故取最大值40℃，即風(fēng)扇的進(jìn)口溫度。由于基站房間正常工作溫度為10～35℃，在不采用空調(diào)進(jìn)行機(jī)械通風(fēng)的條件下，將夏季的基站房間設(shè)計(jì)溫度設(shè)為30℃。

根據(jù)室外空氣溫度及太陽輻射強(qiáng)度[7]，將測點(diǎn)取在太陽輻射較強(qiáng)時(shí)候的正午13時(shí)。該時(shí)刻各墻面的熱通量（熱流密度）值如表2所示。

室內(nèi)電子設(shè)備散熱量計(jì)算公式[7]：

表2 正午13時(shí)各墻面的熱流密度值（W/m2）Tab.2 Heat-flux of the station walls on thirteen o’clock（W/m2）

式中，N為電子設(shè)備的安裝功率，kW；η為電子設(shè)備的效率；n1為利用系數(shù)，系電子設(shè)備最大實(shí)耗功率與安裝功率之比，一般可取0.7～0.9，可以反映安裝功率的利用情況；n2為負(fù)荷系數(shù)，指電子設(shè)備每小時(shí)平均實(shí)耗功率與最大設(shè)計(jì)實(shí)耗功率之比，根據(jù)使用情況而定，一般儀表取0.5～0.9；n3為同時(shí)使用系數(shù)，只室內(nèi)電子設(shè)備同時(shí)使用的安裝功率與總安裝功率之比，根據(jù)工藝過程的設(shè)備使用情況而定，一般取0.5～0.8；根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取值，可取發(fā)射機(jī)的η為85%，其余設(shè)備的η為76%，n1為0.8，n2和 n3均為 0.7。根據(jù)公式（1）及表 1可算出各設(shè)備的散熱量及熱通量，如表3所示。

表3 各設(shè)備的散熱面積及熱通量邊界值Tab.3 Equipment cooling area and heat flux boundary value

3 通信基站模型的邊界條件

外墻和屋頂瞬變傳熱形成的逐時(shí)負(fù)荷公式：

式中，K 為外墻和屋頂?shù)膫鳠嵯禂?shù)，W/（m2·℃）；F 為外墻和屋頂?shù)挠?jì)算面積，m2；tl，n為外墻和屋頂?shù)睦湄?fù)荷溫度的逐時(shí)值，℃；tn為室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度，℃；根據(jù)《空氣調(diào)節(jié)》附錄 2－4的屋頂及墻面結(jié)構(gòu)可查得，基站房間屋頂和墻面的K值及面積。

根據(jù)《空氣調(diào)節(jié)》附錄2－4表4墻面計(jì)算溫度逐時(shí)值，表5的地點(diǎn)修正值可知合肥地區(qū)的地點(diǎn)修正值td。各個(gè)方向的地點(diǎn)修正值、一天之內(nèi)不同時(shí)刻各墻面的溫度及冷負(fù)荷分別如表4、表5、表6和表7所示。

表4 墻面地點(diǎn)修正值td（合肥地區(qū)）Tab.4 Temperature correction value in the Latitude

表5 夏季合肥地區(qū)墻面的逐時(shí)溫度值/℃Tab.5 Hourly temperature values on each wall in the summer（Hefei China）

表7 太陽輻射能量/WTab.7 Hourly solar thermal-loads on each wall in the summer（Hefei China）

4 模擬結(jié)果及其分析

為了簡化模型，采用空調(diào)的通信基站在建模時(shí)將空調(diào)的模型附在風(fēng)機(jī)進(jìn)口上。邊界條件設(shè)定時(shí)只修改風(fēng)機(jī)進(jìn)口溫度為24℃以及出口溫度為30℃，其余邊界條件均不變。

由模擬計(jì)算結(jié)果可列出正午13時(shí)采用空調(diào)時(shí)通信基站各壁面的溫度值，并與采用機(jī)械通風(fēng)時(shí)基站的模擬值做比較，結(jié)果列于表8中；圖2、圖3分別為Y=0以及Y=3 400 mm時(shí)截面溫度分布圖。

表8 通信基站各壁面溫度比照表Tab.8 Communication base station each wall temperature table

由上述溫度分布圖表可知，房間內(nèi)部平均溫度為24～25℃，符合基站工作溫度。各墻面的平均溫度均在25℃以下，最高溫度值出現(xiàn)在擺放電池的墻角，約為32℃。這是由于電池架擺放的位置與墻面貼近，熱量不易及時(shí)被帶走。除BTS主設(shè)備外，站內(nèi)設(shè)備的壁面溫度接近20℃。BTS主設(shè)備表面平均溫度為30℃，最高溫度為52℃，可以正常工作。

圖2 Y=0時(shí)通信基站截面溫度分布圖Fig.2 Section temperature contour at Y=0

圖3 Y=3 400 mm時(shí)通信基站截面溫度分布圖Fig.3 Section temperature contour at Y=3 400 mm

根據(jù)進(jìn)出風(fēng)口的速度場可知，流線能很好的穿過房間，但不易到達(dá)角落，進(jìn)風(fēng)處有回流現(xiàn)象，表明風(fēng)口的開孔位置不夠合理，需要進(jìn)一步改進(jìn)。

圖中的溫度場顯示，該基站模型空間的溫度分布最大值為57℃，位于基站主要設(shè)備的表面，這個(gè)最大溫度值，是在大氣環(huán)境溫度為40℃時(shí)候，通過數(shù)值方法模擬出來，其結(jié)果滿足設(shè)備運(yùn)行與使用要求，和設(shè)備實(shí)際運(yùn)行情況吻合。

5 結(jié) 論

在僅采取機(jī)械通風(fēng)通信基站的方案中，根據(jù)各壁面溫度值可知，BTS主設(shè)備的表面溫度低于60℃，設(shè)備就能長期穩(wěn)定工作。雖然此方式從節(jié)能角度來看具有很大的優(yōu)勢，但比較接近極限溫度，在合肥地區(qū)炎熱的夏季還應(yīng)該采取適當(dāng)?shù)难a(bǔ)充措施。在計(jì)算過程中發(fā)現(xiàn)，針對基站房間內(nèi)可能出現(xiàn)的最高熱負(fù)荷，可以采用強(qiáng)化機(jī)械通風(fēng)、單獨(dú)對溫升高的基站設(shè)備實(shí)行強(qiáng)制通風(fēng)降溫、安裝小型空調(diào)冷卻、基站室內(nèi)地面盡可能不采用架空基礎(chǔ)等等方法，均能夠改善基站設(shè)備在夏季極限氣溫條件下的工作條件?；灸Ｐ偷哪M過程及結(jié)果證實(shí)了采用數(shù)值模擬來對有內(nèi)熱源、內(nèi)部有障礙物、考慮輻射的通風(fēng)房間進(jìn)行數(shù)值模擬是可行的，這樣的計(jì)算與模擬方法對空調(diào)流場具有足夠的使用精度。這對帶有通風(fēng)節(jié)能系統(tǒng)房間的設(shè)計(jì)和改進(jìn)提供了可靠依據(jù)，有較普遍的指導(dǎo)意義。

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