论文总字数：46858字

摘 要

现如今，网络、数据、通信等产业蓬勃发展，使得通信基站开始大规模建设起来。基站设备散热量很大，且全年不间断运行，使得基站耗能巨大。同时，基站对室内温湿度、洁净度的要求较高，常规的通风换气方法可能会将室外颗粒物带入室内，影响设备的正常运行。针对这一现状，本文提出了一种分体式空调与热管耦合装置。当室外温度较高时，系统以蒸汽压缩式制冷模式工作；当室外温度低于某一个特定值时，关闭压缩机的运行，系统自动切换为分离式热管工作模式，在整个运行过程中，只有蒸发器和冷凝器的风机耗能。该方案充分利用了自然冷源，节电量显著，且不会对基站环境造成污染。

本文对基站现有的节能措施进行分析评价，并通过搜集国内外学者对热管技术的调查研究，了解热管工作原理与应用，最后选定分体式空调与热管的耦合方案。针对南京市某一特定的机房模型，本文对两种工作模式下的换热器进行设计计算，并且分析了两种工作模式下换热器的几何参数与耦合面积，对其结构进行调整优化。最后，分别计算基站全年运行制冷空调的年耗电量与耦合装置工作的年耗电量，得出了该耦合装置节电率高的结论。

本文的最后研究了影响该耦合装置换热特性的因素，从蒸发器与冷凝器的高度差、室内外温差、制冷剂充注量三个方面进行理论研究，为今后的系统优化打下了理论基础。

关键词：分离式热管，基站节能，节能减排，系统设计

Abstract

Nowadays, the thriving digital industry leads to the great development of the base station. Considering the extensive heat release of electronic equipment, the air conditioners should be running around the year. At the same time, there is a strict requirement for the temperature, humidity and cleanliness of the base station. Conventional ventilation may bring outdoor dust into the room, affecting the run of the electronic equipment. This paper proposes a solution coupling air conditioner and separate heat pipe. When the outdoor temperature is high, the system works as compression cooling operation. During the transition season, the compressor will stop running and the system shall automatically switch to the separated heat pipe operation mode. In this condition, only the fan of the evaporator and the condenser consumes energy. The scheme makes full use of the natural source of cold.

In this paper, the existing energy-saving measures of base station are analyzed and evaluated. The displine and application of heat pipe technology are understood through the investigation and research of domestic and foreign scholars. The coupling scheme of air conditioner and the separate heat pipe is selected. Aiming at a particular model of base station in nanjing, this paper designs the evaporator and the condenser under two modes. Then the structure and coupling area of the heat exchanger are adjusted and optimized. Finally, the annual electricity consumption of the coupling device is calculated, leading to the conclusion that the coupling device has high electricity saving rate.

In the end, the factors affecting the heat transfer characteristics of the coupling device are researched and anylyzed. The theoretical research is carried out in three aspects: the distance between the evaporator and the condenser, the temperature difference between indoor and outdoor and the filling of working fluid. This part will provide a theoretical foundation for the system optimization in the future.

KEY WORDS: separate heat pipe, energy saving of base station, energy conservation and emissions reduction,

the system design

目 录

第一章 绪 论 1

1.1研究的目的及意义 1

1.2热管在通信机房中的应用 1

1.3本文主要研究内容 2

第二章 热管技术 3

2.1 热管技术简介 3

2.1.1 热管基本结构及工作原理 3

2.1.2热管主要特征 3

2.1.3热管的工作特性及限制 4

2.2 重力型分离式热管换热器 5

2.2.1 重力型分离式热管结构特点与原理 5

2.2.2 重力型分离式热管换热器的优越性 5

2.2.3 重力型分离式热管的传热极限 5

2.3 本章小结 6

第三章 基站节能方案及其可行性研究 7

3.1 基站节能现状 7

3.1.1机房环境特点 7

3.1.2 基站节能主要措施 7

3.2 分体式空调与热管耦合方式及其可行性分析 9

3.3 本文方案论证 10

3.3.1方案概述 10

3.3.2系统工作原理 11

3.4本章小结 11

第四章 分体式空调与热管耦合设计计算 12

4.1机房物理模型 12

4.2机房制冷量的确定 12

4.2.1建筑条件 12

4.2.2两种模式下冷负荷的计算 12

4.3 分体式空调与热管耦合装置的设计计算 15

4.3.1 蒸气压缩式制冷模式的设计计算 15

4.3.2基于分离式热管制冷模式的设计计算 23

4.3.3 校核计算 30

4.4耦合系统的节能分析 31

4.5本章小结 33

第五章 耦合系统工作特性的影响因素 34

5.1 高度差对分离式热管工作特性的影响 34

5.2温差对分离式热管工作特性的影响 34

5.3 制冷剂充注量对分离式热管工作特性的影响 35

5.4 本章小结 35

第六章 总结与展望 36

6.1 总结 36

6.2 本文的不足与研究展望 36

致 谢 38

第一章 绪 论

1.1研究的目的及意义

现如今，网络、数据、通信等产业蓬勃发展，各个行业的数字化建设逐步进入到一个白热化的阶段。网络、数据、通信等产业的蓬勃发展，带动了成批的通信机房、移动基站等基础设施的大规模建设。通信机房内部设备发热量大且全年不间断运行，而且考虑到机房隔热、隔湿以及清洁度的要求，通常设计为全封闭式——导致全年供冷空调能耗异常巨大。近几年以来，我国为实现经济与环境保护相协调发展，秉持着节约能耗、可持续发展的环保理念。巨大的机房能耗不仅造成了运营成本的增加，更重要的是，对环境产生了日趋严重的污染。作为节能降耗的关键环节，机房节能已得到了通信行业内各方普遍关注。目前，电信、移动、联通三家运营商均对基站能耗问题给予了高度重视。现在，电信企业一年的耗电量为200多亿度，然而基站空调年耗电量达到70多亿度。图1.1、图1.2所示分别为2007年电信基站与移动基站的耗电量分布。

图1.1 2007年电信机房耗电量分布 图1.2 2007年移动机房耗电量分布

由图中数据可知，在2007年电信公司与移动公司的通信基站耗电量分布中，机房空调耗电与设备耗电量几乎各占一半。因此，从基站空调这一“耗能大户”着手，是基站节能降耗的关键一步。

由于通信基站具有热负荷大、围护结构封闭等特点，且对室内温湿度、清洁度具有一定要求，因此即使在室外温度低于室内温度的条件下，仍然需要制冷空调运行调节。制冷空调的全年运行导致了年耗电量巨大。考虑到这一点，如果能够充分利用室外自然冷源对机房进行降温，将产生可观的节能降耗效果。本文在现有的基站专用空调的基础上，提出将分离式热管技术运用到基站节能的环节当中。当室外温度降到某一温度值以下时，停止压缩机运行，以热管模式工作，节电量显著且不会对设备造成污染。

1.2热管在通信机房中的应用

热管在通信基站的应用源于其最初在空调废热回收中的应用。热管具有很高的传热性能，与其他传热设备相比，热管不仅传热效率高，而且便于控制，工作稳定性好。由于制冷空调行业中，冷热流体温差很小，因此热管的应用更加突显其优越性。

国外学者的研究主要集中在热管在制冷空调废热回收中的应用，而很少研究其在通信基站中的节能效应。国内已有不少学者对通信基站中的热管装置设计及其节能效应进行了研究。石文星[9]等人统计了不同城市复合空调年耗电量与全年运行制冷空调的年耗电量。结果表明，无论在哪个城市，使用复合空调年耗电量都大大减少，年平均节能率在36％-40％之间。田浩，李震[10]等对北京某机房进行改造与研究，分析结果表明：热管的应用使得年耗电量降低了将近一半。宋志鹏[11]对分离式热管系统和压缩式制冷联合运行进行了实地的测试，分析了分离式热管系统和压缩式制冷联合运行时的节能性。计算了分离式热管系统的初投资和成本回收问题。分离式热管系统造价大约 6000元/套（不包含人工费），由节能性可知，一年半左右即可回收成本。由以上可知，将分离式热管换热器应用到通信机房中，节能效果显著，且可以满足严格的空气洁净度要求，冷凝段和蒸发段可分开布置，可实现多种流体之间同时换热和远距离输送。

1.3本文主要研究内容

作为国家的基本国策之一，节能减排工作已经在各个领域铺开。通信机房已经成为耗能的大户，为了响应国家的号召，需要设计出一套适用于通信机房的节能降耗的制冷系统。

针对封闭空间中传热所存在的问题以及热管传热的性能，本课题提出将分体式制冷与热管换热装置耦合于同一个系统中的方案。通过回路的切换，实现在温度较高时，系统以制冷压缩模式运行；而温度低于某一特定值时，系统以热管循环模式运行。

本文的主要工作内容如下：

1. 查阅资料，对热管技术的工作原理、分类、传热极限等进行研究，对分离式热管的工作机理展开研究，得出分离式热管相对于普通热管的优越之处。
2. 通过阅读文献，了解现有的基站节能方案。对已有的文献中分离式热管与空调耦合的技术方案进行学习与评价，并对本文的方案进行论证。
3. 根据特定的机房物理模型，对其进行两种工作模式下的负荷计算。重点完成分离式热管与空调耦合装置的设计计算，包括工作循环的热力计算以及换热器的设计计算。在换热器的设计计算中，需对两种工作模式下的换热器结构及面积分别进行计算研究，再通过分析，得出适合该耦合系统的换热器结构形式及面积。在设计计算过程中，需找到适合该系统的启动热管模式的室外温度。
4. 根据设计计算的结果进行校核计算，并对其节能性进行定量计算，即年节电量。
5. 为提高系统的换热能力，需对分离式热管的工作特性进行定性研究。分别研究高度差、温差以及制冷剂充注率对热管换热器换热能力的影响。

第二章 热管技术

2.1 热管技术简介

2.1.1 热管基本结构及工作原理

热管是一种依靠相变传热的高效传热元件。由于其相变传热的特殊传热机理，其导热能力大大超过金属棒等传热元件。热管的基本工作原理如图2.1所示。

图2.1 热管基本工作原理图

热管是由吸液芯、制冷工质、外壳三部分组成。热管根据其工作机理可以分为三个部分：蒸发段、绝热段和冷凝段。热管内部处于真空状态，因此其工质极易挥发。当热管的热端被加热，工质将受热蒸发成气体，在压强的作用下向冷端移动，在冷端冷却成制冷剂液体，再在毛细力的作用下回到蒸发段，完成一个循环。因为热管是基于相变传热机理，传热效率高于同种传热条件下热传导的效率，因此热管的导热能力大大高于同种传热条件下、同种几何参数的金属棒的导热能力。

2.1.2热管主要特征

（1）热阻小，传热快，传热量大

热导是热管在单位温差下所传递的热量，与固态导热体相比，热管的热导值很大，这是热管的主要优点之一。这表明它能在小温差下传递很大的热流。在制冷空调行业，由于冷热流体间的温差小，热管技术更能体现其优越性，可以有效回收热量以及利用室外自然冷源，从而降低空调机组的能耗。

（2）等温性

热管具有良好的等温性。因其基于相变传热，因此其工作是在温度近乎不变的条件下进行的，可以在不均匀加热的时候减小其温度梯度。

（3）灵活性强

热管具有很强的灵活性，其传热方向是可逆的，其任一端受热则为蒸发段，任一端冷却则为冷凝段。冬天，室内温度高于室外，室内热气排出，热管吸热，将热管传给室外进来的新鲜空气；夏天，室外热空气吸入，将热量传给室内排出的空气，进入的新鲜空气得以冷却。

同时，热管的热流密度也是可变的，热流密度可通过改变换热面积的方式改变。

（4）应用温度范围广，适应性强

热管的工作范围很广，随着工质与管壳材料的不同，其工作温度也大相径庭。除此之外，热管的工作范围不受热源种类的限制，其蒸发段与冷凝段也可制成不同的形状，具有很强的适应性。

（5）热管的冷端与热端是分开的，因此冷热流体不会互相掺混。

2.1.3热管的工作特性及限制

尽管热管具有极好的传热性能，但也受到一定限制，即工质流动过程的限制。达到某些极限后，工质不能连续流动，例如介质冷凝后的回流量不能满足蒸发段的蒸发量时，就会造成循环障碍，即使温差加大，热流量也增加甚微，甚至不会增加，如图2.2的阴影线。

图2.2 热管的工作特性示意图

当热管的循环工质耗尽干涸，如图2.2的G（干涸点），此时热源温度一旦上升，热管可能会有烧毁的风险。

热管的工作限制见图2.3。

图2.3 热管传热的工作限制示意图

热管只能在这些实线范围以下工作。热管传热受到多种因素限制。这里主要研究声速极限、携带极限与毛细极限。

1. 声速极限

在热管蒸发段，蒸汽温度上升，密度下降，速度增高，当蒸汽在蒸发段出口达到音速时，就造成阻塞，如同收缩喷管喉部达到音速时一样，这时即使降低汇温，增加散热率，热流量也不会增加，只能降低冷凝段温度。

1. 携带极限

热管中蒸汽与液体的流向相反，存在剪切力，当蒸汽速度足够高时，就可将液滴从液体界面拉下带往冷凝段，这时可频繁地听到液体撞击声，蒸发段介质过早耗尽，中断循环，这种限制称为携带极限。

1. 毛细极限

热管能够持续工作的前提是吸液芯的完整性，以保证液体回流，使吸液芯内毛细作用能保证液体供给，这种限制称为毛细极限。

热管的传热极限是分别从不同角度对热管最大传热能力的诠释。在设计计算时，不必校核每种传热极限。热管的传热能力主要是由传热温差与热管热阻决定的，在大多数情况下，我们可以通过降低热管的热阻，从而增强热管传热能力。

2.2 重力型分离式热管换热器

热管技术在诸多行业中得到应用，并体现出其极大的优越性。但是，随着大型装置应用与推广，传统热管的短板也逐渐暴露。首先，热管的尺寸增大，造成其制造安装过程的困难与不变；其次，整体式热管换热器存在冷热流体相互掺混的弊端。为解决这些问题，分离式热管换热器应运而生。

2.2.1 重力型分离式热管结构特点与原理

图2.4 重力型分离式热管换热器结构示意图

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